数十年来，半导体微缩主要被描述为特征尺寸的不断缩小。但随着逻辑与存储结构在横向扩展的同时日益向垂直方向延伸，仅靠印刷更小的图形已不足以应对制造挑战。
“挑战的方向如今发生了转变，”HyperFRAME Research半导体与深科技业务负责人斯蒂芬·索普科（Stephen Sopko）向《电子工程专辑》表示。制造商不再仅需从上方对结构进行图形化处理，而是越来越多地需要在三维空间中生长、刻蚀并填充结构，同时精确控制埋藏于日益复杂器件内部表面的材料特性。
光刻技术依然至关重要。索普科将其形容为“设定节距与关键尺寸”。但一旦这些日益微小的尺寸被定义完成，沉积、刻蚀及材料工程便在决定最终结构能否实现规模化制造方面扮演越来越重要的角色。
这一转变正为半导体设备厂商创造新的机遇——重新思考那些数十年来仅承担相对简单任务的材料体系。
ASM国际公司正瞄准其中一项机遇，推出其“可流动碳”（Flowable Carbon）技术，这是一种等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺，专为填充复杂三维结构并形成平坦表面而设计。该公司表示，在某些工艺流程中，该技术可省去后续的化学机械平坦化（CMP）及回刻步骤。
碳薄膜在半导体制造中已有二十多年应用历史，例如作为图形化过程中的硬掩模。但其所需适配的结构形态正在发生显著变化。
“过去四五年间，众多逻辑代工厂已开始研发全环绕栅极（GAA）器件，”ASM国际公司PECVD产品事业部副总裁兼负责人泰勒·萨姆普尔（Tyler Sample）向《电子工程专辑》介绍道，“这类器件本质上是三维结构。”
3D NAND早已长期面临三维制造挑战；如今逻辑芯片也加入其中，而混合键合与芯粒（chiplet）集成又进一步引入更多三维结构。萨姆普尔预计，DRAM未来也将进一步向第三维度拓展。
问题不仅在于结构高度增加。传统PECVD碳膜虽可保形沉积于结构表面，但随着几何结构日趋复杂，制造商可能在特征深度方向上遭遇薄膜质量与均匀性波动；依具体结构而定，还可能出现空洞或缝隙。
全环绕栅极晶体管正是问题演变的典型例证：材料不仅需覆盖表面，还需环绕纳米片，并在横向与纵向同时填充间隙。
“你完成图形化后获得了关键尺寸，但如今它们如此微小，”萨姆普尔指出，“你能否在三维方向同步填充，同时确保填充完成后表面仍保持平坦？”
ASM的解决方案在于改变碳材料自身的行为特性。“我们所说的‘可流动’，是真正具备流动性，”萨姆普尔强调。
通过特定沉积工艺及后续处理，该材料能自发回流进入结构内部，而非仅依赖传统保形沉积方式。萨姆普尔表示，该方法可适配从全环绕栅极结构到内存及其他应用中更大开口的各种几何形态。“真正使其独特的是其化学组成与材料本身，”他补充道。
ASM正将其在原子层沉积（ALD）材料开发方面的经验延伸至PECVD业务拓展中。萨姆普尔介绍，位于比利时与芬兰的研发团队持续识别客户反馈的问题，并据此筛选新材料；随后ASM开发配套设备与工艺，将这些材料投入半导体制造流程。
可流动碳还具备自平坦化能力：ASM会沉积足量材料，使表面形成轻微过量覆盖层；在后续工艺中，材料自然趋向形成平整上表面。
该特性有望解决因结构日益复杂而衍生的另一难题：填充之后如何处理？
在常规工艺中，若沉积材料未能满足平坦化要求，往往需借助CMP工序获得后续加工所需的平整表面。萨姆普尔指出，涉及碳基材料的CMP本身颇具挑战性。
得益于自平坦化特性，部分工艺流程可直接省去CMP步骤；此外，ASM设备还可原位执行回刻，潜在替代独立的刻蚀工序。
“你可以省去CMP和刻蚀两个步骤，”萨姆普尔表示，并强调：随着半导体制造日益复杂，减少工艺步骤的价值愈发凸显。
索普科指出，先进半导体制造极为复杂，单颗芯片生产流程可达上千步，每一步均需精密控制。为提升器件性能而新增的任何工艺环节，都可能带来良率或产能风险。
“每次增加复杂度，都会加大规模化生产的难度，”他表示，“对半导体企业而言，良率就是一切。”
萨姆普尔则从设备供应商角度重申类似观点：省去一个工艺步骤，不仅能消除相关设备引入的缺陷，还可降低成本；但更重要的是提升产出与良率。“在当今AI时代，产出与良率才是王道，”他说。
ASM预计，可流动碳技术初期将在全环绕栅极器件中发挥最大价值，但萨姆普尔透露，内存制造商也在评估该技术。
随着3D NAND持续垂直微缩，制造商需处理的高宽比（aspect ratio）日趋极端。萨姆普尔介绍，ASM已在全环绕栅极类结构中验证了5:1至10:1的高宽比，在3D NAND结构中达到约200:1；公司亦与封装领域的大尺寸特征结构开展合作。
据萨姆普尔介绍，该材料已在约200°C至近900°C温度范围内完成测试，足以满足逻辑与存储制造中不同的热工艺需求。
萨姆普尔预期，未来3D DRAM架构将进一步催生对填充技术的需求，时间窗口可能在五至七年内。
重要的是，可流动碳并非仅停留在实验室阶段。萨姆普尔表示，该技术目前已进入大规模量产阶段，ASM正与全球所有主流芯片制造商合作推进。该项目启动于约六至七年前，彼时公司已前瞻性预判到逻辑与存储领域即将出现的新需求。
材料重要性的提升并未削弱光刻的地位。萨姆普尔指出，高数值孔径极紫外光刻（High-NA EUV）仍是实现未来器件所需关键尺寸的必要手段。但定义这些尺寸后，随之而来的是新挑战：如何在日益复杂的结构周围均匀沉积材料、无空洞无缝隙地填充、精准刻蚀，并维持表面平坦性。
索普科以FinFET向纳米片结构的演进为例说明这一转变：FinFET中鳍片宽度是关键尺寸；而纳米片结构引入了片层厚度及硅/硅锗交替堆叠层，使材料科学的重要性显著上升。
对索普科而言，满足日益三维化结构的功耗、热管理与性能需求，将依赖更多材料突破，并亟需加快研发周期。
该转变也进一步扩大了挑战在半导体设备价值链上的分布范围。索普科以量测技术为例：空洞等缺陷易被埋藏于复杂结构内部，若不破坏晶圆则愈发难以探测。“你看不见空洞，就无法修复它，”他强调。
对ASM而言，这些变化为其拓展传统优势领域之外的市场提供了契机。该公司以原子层沉积与外延技术闻名，萨姆普尔表示，如今正将前述业务中积累的材料发现能力迁移至PECVD领域。
ASM面临来自应用材料（Applied Materials）与泛林集团（Lam Research）等成熟PECVD供应商的竞争。萨姆普尔承认，其挑战之一在于说服习惯将ASM视为ALD供应商的客户，接受其在PECVD领域的角色转型。
“我们正努力在该市场中开辟属于自己的份额，并借由这项技术实际推动PECVD市场增长，”萨姆普尔表示。
可流动碳使ASM得以凭借材料创新切入市场，而非仅提供又一款沉积设备。其已进入高产量产的事实表明，客户已愿积极验证这一路径。
随着器件进一步三维化，该机遇或将持续拓宽。萨姆普尔指出，除GAA外，互补场效应晶体管（CFET）架构将n型与p型器件垂直堆叠，对沉积与材料提出更高要求；先进封装也开始采用传统前段晶圆制造所用的工艺与材料。
结果并非半导体路线图脱离光刻，而是光刻日益与材料、沉积、刻蚀、平坦化及量测等环节深度交织。
印刷更小特征仍是基础，但当这些特征进一步深入第三维度时，围绕、贯穿及嵌入其中的构建能力，将日益决定持续微缩能否在可接受良率下实现量产。
www.eic.net.cn 提供的易IC库存管理软件，可高效支持半导体制造企业对高价值材料与设备备件的精细化管控，助力企业在复杂工艺升级中保障供应链韧性与成本可控性。
