半導体製造装置大手のアプライド・マテリアルズが、最先端ロジックチップの微細構造を形成するための2つの新しい製造システムを14日に発表した。アプライド・マテリアルズが新たに披露した技術は、原子レベルの精度で材料の成膜を制御する。会社側は「チップメーカーがグローバルな人工知能（AI）インフラの構築速度に合わせ、より高速で電力効率に優れるトランジスタを大規模に製造できるよう支援する」と述べた。
AI需要が急増するなか、半導体に集積された数千億個のトランジスタのエネルギー効率を高める多様な試みが進んでいる。最近は2nm（ナノメートル・10億分の1m）以下のプロセスで新しいゲート・オール・アラウンド（GAA）トランジスタの導入が進んでいる。
GAAは同一電力で大幅に高い性能を実現する。ただしプロセスの複雑さは大きく増す。GAAトランジスタ内部の複雑な3D（次元）構造を形成するには500以上の工程が必要だ。このうち相当数は、個々の原子サイズに近い許容差の範囲で材料を精密かつ再現良く制御・成膜する新しい方式を要する。
アプライドはGAAトランジスタで最も複雑な構造を形成するため、材料革新を活用する2つのチップ製造システムを公開した。新技術はGAAの必須材料である金属と絶縁誘電体の成膜に焦点を当てている。
◇ 意図しない電気的干渉を防ぐ装置
現在開発中の次世代AI向けGPU（グラフィックス処理装置）は、切手大の面積に3000億個超のトランジスタを集積すると予想される。これに伴い、意図しない電気的干渉である「寄生キャパシタンス（Parasitic Capacitance）」が生じ得る。電子が隣接トランジスタへ容易に拡散し得る構造であるためだ。これは信号速度の低下と電力浪費の問題を引き起こす。
浅溝隔離（STI）は隣接トランジスタを電気的に分離するために用いられる。この技術はトランジスタ間の表面にトレンチをエッチングし、シリコン酸化膜などの絶縁誘電体材料で埋めて電荷を閉じ込め、望ましくないリークを防ぐ。こうした狭い絶縁トレンチはGAA素子で最も微細な構造の一つであり、大量量産の過程で品質維持が難しい。トレンチ形成後にチップが複数の追加工程を経るなかで、シリコン酸化物の絶縁材料が徐々に損傷し、チップ全体の性能に負の影響を与え得る。
アプライドのProducer Precision（Producer™ Precision）装置は、選択的窒化膜PECVD（プラズマ強化化学気相成長）システムであり、業界初の選択的ボトムアップ（bottom-up）成膜プロセスによってトレンチ内の必要な位置にのみシリコン窒化膜を形成する。シリコン酸化物上に緻密なシリコン窒化膜層を成膜し、その後の工程でSTI材料がリセス（recess）するのを防ぐ。
このプロセスは下地膜や構造を損なわないよう低温で実行される。Precisionの選択的窒化膜は、絶縁トレンチの元の形状と高さを保持することで一貫した電気特性を維持し、寄生キャパシタンスを低減し、リークを抑えて素子全体の性能を向上させる。
◇ 統合材料ソリューションを提供
GAAトランジスタは、トランジスタをオン・オフするのに必要なしきい電圧を決める複数の金属層で構成されたゲートスタックによって制御されるスイッチである。データセンターからエッジに至るまでAIワークロードの需要を満たすため、チップメーカーは設計者に多様なトランジスタの選択肢を提供する。一部は性能のため高速スイッチングに最適化され、他の一部は最小電力でスイッチングするようチューニングされる。こうしたトレードオフ（Trade-off）を満たすことは、高精度の金属成膜に基づくメタルゲートスタックの最適化にかかっている。
GAAトランジスタでは、ゲートスタックが約10ナノの間隔で配置された複数の水平ナノシートを完全に包み込まなければならない。ゲートスタックの隙間や不均一は、トランジスタのスイッチング特性のばらつきを招き、チップ性能、消費電力、信頼性、歩留まりに負の影響を与える。従来の金属成膜方式では極限的な要件を満たすのが難しい。
アプライドのエンデュラ・トリリウム（Endura Trillium）にはALD（原子層堆積）システムが搭載されている。会社側は「最も複雑なGAAトランジスタのゲートスタックに金属を精密に成膜するために設計された統合材料ソリューション（IMS）」だと明らかにした。
このシステムは複数の金属成膜工程を単一プラットフォームに統合し、チップメーカーが多様なトランジスタのしきい電圧を柔軟にチューニングできるよう支援する。トリリウムはメタル成膜システムであるエンデュラ（Endura）プラットフォームを基盤に、超高真空を生成・維持する。
真空環境は、シリコンナノシート間の極微細空間に複数の材料を成膜する際、クリーンルーム大気中の不純物からウェハーを保護するために不可欠である。オングストロームレベルのメタルゲートスタック厚み制御により、トリリウムALDは先端GAAトランジスタが要求するチューニングの柔軟性と信頼性を提供しつつ、トランジスタの性能と電力効率、信頼性を向上させる。
プラブ・ラジャ アプライド・マテリアルズ半導体製品グループ（SPG）社長は「半導体産業は、従来のリソグラフィーに基づくチップのスケーリングだけでは限界に達した、急速で非線形な変化の時期に入っている」と述べ、「オングストローム級の先端ロジックノードでは、性能と電力効率はもはや材料革新によって決まる。新しい成膜システムは、アプライドの独歩的な材料工学分野のリーダーシップに基づき、顧客がAIコンピューティングのロードマップの根幹となる中核トランジスタ技術への転換を実現することを支援する」と語った。