SemiNeo

半导体的许多关键突破,来自对一个既有物理量的重新认识。

SemiNeo 用智能体系统化、规模化地产生半导体工艺创新,经实验验证,与产业伙伴共同实现。

01起源

场效应

1945 年,贝尔实验室的肖克利从原理出发,设想了一种固体放大器。一层很薄的半导体放在绝缘支撑上,上方平行放置一块金属板,两者构成电容。

金属板加上电压,半导体内可以自由运动的电子或空穴会在电场作用下涌向表面,薄层的导电能力随之改变。用微弱的信号控制金属板上的电压,就能控制流过半导体的电流。

按这个设想做成的样品,测不到预期的效应。巴丁给出了解释:半导体表面存在大量表面态,电场感应出的电荷被表面态俘获,无法参与导电。

研究表面态的实验,在 1947 年带来了点接触晶体管。直到 1959 年,热氧化使硅的表面态大幅减少,场效应晶体管才真正做成。

场效应的原理在 1945 年已经成立。此后十四年,难题一直在硅的表面。

肖克利在黑板前讲解结型晶体管的原理
肖克利在黑板前讲解结型晶体管的原理 Computer History Museum
巴丁与布拉顿的第一只点接触晶体管,1947
巴丁与布拉顿的第一只点接触晶体管,1947 Computer History Museum

02

被打开的变量

半导体史上的许多重大突破,改变了问题本身的表述。

一个量长期被当作常数,工程师就只能在它限定的范围内优化。当它被写回方程、成为可以设计的变量,原先的限制随之解除。

1947 年,固体器件第一次实现放大。十余年后,晶体管、电阻与电容被做进同一块硅片。

热氧化界面使硅表面可以由栅极控制。存储、成像与逻辑电路相继建立在 MOS 晶体管之上。

金属层数不断增加,表面平整度与导线电阻成为限制性能的主要因素。

光刻波长、栅介质厚度与短沟道效应相继接近物理极限。继续微缩,越来越依赖新的设计变量。

03阿贝

n = 1

1873 年,阿贝给出显微镜分辨率的理论。其中的数值孔径写作 NA = n·sinθ,n 是物镜与样品之间介质的折射率。

在空气中,n 等于 1。阿贝与蔡司用油替换空气,提高了 n,也提高了分辨率。

光刻沿用同样的关系式。几十年里,透镜与晶圆之间是空气,n 等于 1,业界主要依靠缩短波长提高分辨率。

2000 年代初,波长难以继续缩短。业界在透镜与晶圆之间加入水,n 从 1 提高到约 1.44,193 纳米光刻又延续了一代。

左为干式,透镜与晶圆之间是空气,n = 1。右为浸没式,间隙中是水,193 nm 下 n ≈ 1.44,数值孔径达到 1.35。分辨率与 λ / NA 成正比,同一波长下,水中可用的会聚角更大。
左为干式,透镜与晶圆之间是空气,n = 1。右为浸没式,间隙中是水,193 nm 下 n ≈ 1.44,数值孔径达到 1.35。分辨率与 λ / NA 成正比,同一波长下,水中可用的会聚角更大。
恩斯特·阿贝
恩斯特·阿贝 Emil Tesch · Public domain
浸没式光刻机中的晶圆
浸没式光刻机中的晶圆 ASML

所需的物理,一百多年前已经写在公式里。

04

下一次

浸没光刻进入量产时,距离阿贝给出显微镜分辨率的理论,已经过去一百三十多年。

应变硅所依据的压阻效应,1954 年已有测量发表,约五十年后才用于晶体管。答案在很多时候早已存在。难处在于,要从大量默认成立的前提中,找出可以改变的那一个。

这需要同时看到几个学科。浸没来自显微镜,EUV 的多层膜反射镜来自软 X 射线光学,应变来自固体物理。

工艺创新可以分为参数性创新、组合式创新与原理性创新。参数性创新不改变工艺路线与机理,优化参数与工艺窗口;组合式创新用已知的工序与材料,组合出新的工艺路线;原理性创新引入新的物理或化学机理,改变问题的约束。

今天,我们提出 SemiNeo,系统化、规模化地产生组合式创新和原理性创新。

创新方案引擎

针对工艺中的每个问题,系统地产生组合式和原理性的新方案。它把工艺拆解为工艺树,列出技术矛盾,定位问题区域;去掉领域词,把问题表述为与领域无关的功能与因果机制,到其他学科找实现同一功能的机理;再把每个机理转回半导体的材料、工序与设备条件,经可行性审查与两两比较,产出方案、风险、关键未知量与验证计划。方案生成大模型是它的支撑能力。

数据与知识底座

任意研发问题按需建成数据,每个数值可追溯出处。由一句需求起草数据表字段,经人确认后冻结;检索文献,逐篇全文抽取,每个取值附原文证据;同一文献内合并相同字段并标记冲突,逐字核对引文。产出数据集与知识图谱。

孪生模型工厂

对任何工艺设计,包括从未有人模拟过的新工艺,自动搭出可计算的模型。智能体把工艺拆分为物理机制,选机制单元组合,或调用求解器;各工序、各尺度读写同一份晶圆状态,每个模型声明端口量、单位、有效域与版本。模型用任务数据校准,参数附带不确定度,在冻结的留出数据上独立验收,产出限定适用范围的计算模型与代理模型。

工艺难题目标与约束创新方案引擎拆解工艺到其他学科找做法审查并两两比较候选方案数据与知识底座按问题建数据表从文献中抽取带出处的数值孪生模型工厂用机理模块拼出工艺模型校准后预测形貌与工艺窗口人最终把关交付方案包实验室验证实测关键假设与目标结构模拟结果返回,修订方案,多轮迭代工艺难题目标与约束创新方案引擎拆解工艺到其他学科找做法审查并两两比较候选方案数据与知识底座按问题建数据表从文献中抽取带出处的数值孪生模型工厂用机理模块拼出工艺模型校准后预测形貌与工艺窗口人最终把关交付方案包实验室验证实测关键假设与目标结构模拟结果返回,修订方案,多轮迭代
每个产物都由智能体生成或组装,关键决策由人确认并最终把关。三个模块的运行记录与考核结果用于自我改进,旧题不退步才启用新版本。

应用案例:高深宽比 TSV 种子层

一个工艺难题,按问题、被固定的量、引入的机制、实现方式逐层展开。设计子智能体各出一个方案,经交叉审查与复算后评级。

问题
高深宽比 TSV 种子层

盲孔孔径 1 μm、孔深 20 μm,深宽比 20;孔下部种子层变薄、不连续。

Cu 从孔口进入,孔内平均剂量不超过场区的 1/81;Cu 在 TaN 上几纳米时成岛。

被固定的量
一层 Cu 兼顾场区导电与孔内种子

保形薄种子的方阻,与 300 mm 电镀的压降要求冲突。

Cu 在 TaN 上成核

Cu 不润湿 TaN,薄膜碎成岛。

活化能量从孔口进入

H 自由基、离子、电子、光子都到不了 20 μm 深处。

液相 Cu 由孔口补给

死端孔内液相保形生长慢,析氢使孔底 H₂ 过饱和。

引入的机制
撤回D2 UCDL 埋层馈电

把场区 Cu 埋在一层 TaN 下,让全片在 TaN 上同时电化学成核。

复算表明覆盖层在自洽窗口内无作用,作者撤回。

高风险探索D4 共终止锚定成核

TaN 最后几个 ALD 循环插入 Cu 子循环,把成核位点嵌在 TaN 表层。

Cu 小团簇能否被钉住,锚定能垒无数据。

条件可行(范围收窄)D3 BEC 种子

ALD 铺一层等厚 Cu(I) 化合物,在电镀设备内经场区 Cu 与 TaN 送入电子,室温还原成 Cu。

深侧壁的 Cu 不需要在 TaN 上成核。

高风险探索D5 PRLN 辐解潜核

电子束穿过硅,从侧面把能量送到孔壁,在孔内液体中生成 Cu 潜核。

器件同受辐射,只适用可接受 ≤10 kGy 总剂量的产品。

高风险探索D1 CLR 液相储库

Cu 前驱体溶液灌满每个孔,在加压 H₂ 中还原,每个孔由自己的液体按体积供 Cu。

创新潜力最高;限域抑制成颗粒的核心假设未经实测。

实现方式
有限改造工艺落点

热 ALD TaN → 场区 PVD Cu 母线 → 批式 ALD Cu₂O → 电镀单元内恒电流转化与打底 → 电镀。

无需新设备。

尚未进行第一阶段验证试验

平面与狭缝试片上检验 4.5 nm ALD Cu₂O 能否在室温、5 min 内完全转化为连续 Cu。

带已知路线对照。

范围收窄相近公开

Kamada 2009 等已公开各项作用。

创新收窄为已知作用的组合。

这是一次多智能体研究的实例,着色的一支是评级最高的方案(条件可行)。出处:《高深宽比 TSV 阻挡与种子层创新沉积》研究报告。

留下来的方案,经实验验证,与产业伙伴共同实现。

尾声

共同实现

我们与设备、材料、制造与封装企业及研究机构的研发团队合作。如果您正在面对一个具体的工程问题,欢迎与我们联系。

我们也在寻找物理、材料、工艺与人工智能方向的同事。欢迎加入 SemiNeo。