Hoe ASM hofleverancier van de chipindustrie werd

ASM vervulde een sleutelrol bij de introductie van een depositietechniek die de aflopen vijftien jaar meer dan eens het hachje heeft gered van de wet van Moore. Afzwaaiend cto Ivo Raaijmakers laat zijn licht schijnen over wat atoomlaagdepositie de halfgeleiderindustrie – en ASM – heeft gebracht en wat er nog meer in het vat zit.

Paul van Gerven

ASM is spectaculair gegroeid. Aan het begin van deze eeuw was de machinebouwer – toen nog gevestigd in Bilthoven, inmiddels in Almere – nog geen miljard waard. Na een groeispurt in de afgelopen jaren is dat inmiddels bijna 14 miljard euro. Een jaar geleden, voordat techaandelen in diskrediet raakten, tikte de marktkapitalisatie zelfs 24 miljard euro aan. De omzet groeide in dezelfde periode van een half miljard euro naar een verwachte 2,5 miljard dit jaar.

Daarmee is ASM, na ASML, Europa’s grootste leverancier van halfgeleidermachines, en minstens even belangrijk voor de industrie. We vergeten het wel eens in Nederland, maar de mondiale depositiemarkt is ongeveer even groot als de lithografiemarkt – er zijn alleen veel meer spelers in actief. Bovendien is hij de afgelopen tien jaar harder gegroeid dan de lithografiemarkt.

ASM’s huidige succes is het resultaat van visionaire keuzes waar het bedrijf jarenlang standvastig aan vastgehouden heeft, ook toen sommige aandeelhouders daar niet in wilden meegaan. Het was activistische investeerders een doorn in het oog dat ASM’s front-endactiviteiten de resultaten drukten van backend-tak ASM Pacific Technology. Zij stuurden in de jaren 2008-2012 aan op een splitsing. In een voor Nederlandse begrippen ongekend fel juridisch gevecht moest de Hoge Raad eraan te pas komen om ASM’s management de kans te geven zijn visie in de praktijk te brengen.

Ivo Raaijmakers maakte het van begin af aan allemaal mee. Hij werd cto op de dag dat ASM in 1999 met de acquisitie van het Finse Microchemistry de eerste stap zette naar een depositierevolutie in de halfgeleiderindustrie, maar twijfelde daarna geen moment aan de weg die zijn bedrijf was ingeslagen. ‘Natuurlijk zijn er discussies geweest of we wel op het juiste paard hadden gewed. Ik heb er altijd in geloofd, omdat ik niet alleen vertrouwen had in de applicatie die we toen voor ogen hadden, maar ook dat er zich nog veel meer toepassingen zouden aandienen,’ vertelt Raaijmakers op het hoofdkwartier in Almere.

En zo geschiedde. Inmiddels is de techniek die ASM met Microchemistry in huis haalde – atoomlaagdepositie (ALD) – niet meer weg te denken uit het halfgeleiderfabricageproces. En eigenlijk komt ALD dit decennium pas op stoom, zo zal tijdens het interview blijken. De eisen die aan materiaallagen worden gesteld zijn steeds hoger – dunner, gelijkmatiger, met precies de juiste eigenschappen – en ALD is de beste techniek om daaraan te voldoen, stelt de voormalig cto.

Voormalig, want Raaijmakers deed begin 2022 een stap terug. Na 22 jaar heeft hij de technische leiding bij ASM overgedragen aan Hichem M’Saad, al blijft hij voorlopig nog wel aan als adviseur. Met Mechatronica&Machinebouw blikt Raaijmakers terug en vooruit.

Pannen op het vuur

Toen ASM Microchemistry kocht, was al duidelijk dat het natuurlijke oxide van silicium op zijn laatste benen liep als isolatielaag tussen de gate-elektrode en het transistorkanaal. Deze laag moest steeds dunner gemaakt worden om de gate-capaciteit te kunnen verhogen, maar daardoor begon hij steeds meer stroom te lekken. Er moest een opvolger worden gevonden, waarmee de gate-capaciteit met bescheiden laagdiktes toch kon worden verhoogd. Omdat ALD het mogelijk maakt om zeer gecontroleerd atoomlagen te laten groeien, leek deze techniek uitermate geschikt om nanofilms van deze zogenaamde hoge-k-materialen neer te leggen.

Het ingenieuze van ALD is dat het zelflimiterend is: de chemische reactie tussen damp en oppervlak houdt vanzelf op zodra het oppervlak helemaal bedekt is. Na afloop van één procescyclus is precies één atoomlaag opgebouwd, nergens dikker en nergens dunner. Door het proces te herhalen, kunnen er nog zoveel lagen als gewenst worden gedeponeerd. Omdat dergelijke precisie met verwante technieken als chemische dampdepositie niet te behalen valt, is ALD de enige optie wanneer de benodigde laagdikte – zoals bij hoge-k-materialen – door een kritieke ondergrens zakt.

Intel demonstreerde in 2007 de eerste processors met ALD-lagen en bracht die in 2009 op de markt. Het is publiek geheim – Raaijmakers noemt geen namen – dat de marktleider jarenlang intensief met ASM heeft samengewerkt om dat voor elkaar te krijgen. Wel toont Raaijmakers zich trots dat zijn bedrijf heeft meegewerkt ‘aan de grootste verandering in CMOS-fabricage in veertig jaar.’

Het bleek de springplank voor succes, niet alleen omdat ASM enorm aan geloofwaardigheid won – dat werken voor Intel topsport is, wist iedereen in de industrie – maar ook omdat het aangaan van intieme banden met klanten een kernelement van ASM’s werkwijze is geworden. ‘De differentiatie van ASM is dat wij in een eerder stadium dan onze branchegenoten samenwerken met klanten en dat ook intensiever doen.’

‘Ik denk dat we daarom efficiënter zijn. Samenwerking leidt ertoe dat risico uit de innovatieketen wordt gehaald. Wij komen eerder te weten wat onze klanten nodig hebben en zij zien welke pannen wij op het vuur hebben staan. Hoe eerder wij weten wat goede oplossingen zijn en wat niet, hoe effectiever wij onze R&D-middelen kunnen inzetten. In 22 jaar als cto heb ik de intensiteit waarmee machinebouwers en hun afnemers samenwerken zien toenemen, en ik verwacht dat die trend zal doorzetten.’

Hoogtepunt

Ruim voordat ALD zich had bewezen in productie, was Raaijmakers al bezig met de stappen die erna zouden volgen. Op zijn initiatief nam ASM in 2004 het Koreaanse Genitech over, waarmee het plasma-enhanced ALD-technologie (PEALD) in handen kreeg. Plasma’s zijn reactiever dan ongeïoniseerde gassen en kunnen daarom dezelfde lagen bij lagere temperaturen deponeren. Omdat chipmakers vaak te maken hebben met strikte temperatuurbudgetten, vergroot PEALD de toepassingsmogelijkheden van ALD binnen de halfgeleiderfabricage.

De aankoop bleek een gouden greep, mede dankzij de jarenlange vertraging die de industrialisatie van EUV-lithografie opliep. Chipmakers moesten daarom hun moeilijkste lagen in twee stappen gaan patroneren. Dat kon ‘klassiek’ met twee lithografiestappen of met behulp van zogenaamde spacer-defined double patterning (SDDP). Bij de laatste optie wordt met één lithografiestap en aanvullende depositie- en etsstappen één lijntje omgezet in twee lijntjes met een onderlinge afstand die lithografisch niet te realiseren is.

‘Voor SDDP dient siliciumoxide bij lage temperatuur zodanig te worden gedeponeerd dat het materiaal de contouren van de structuren op de wafer zeer nauwkeurig volgt,’ zegt Raaijmakers. Een goede conformiteit – zeg maar: overal even dikke lagen, of het nu om horizontale of verticaal opstaande oppervlakken gaat, op uitsteeksels of juist in putjes – is iets waar (PE)ALD in excelleert.

En zo kreeg ALD na de depositie van hoge-k-materialen ook een taak in het patroneren. SDDP is met name geschikt voor zeer regelmatige chipstructuren, die vooral in geheugenchips vaak worden aangetroffen. In die tak van sport wordt het ondanks de beschikbaarheid van EUV-lithografie nog veel toegepast, omdat het goedkoper uitpakt.

Raaijmakers beschouwt de aankoop van Genitech als een hoogtepunt in zijn carrière. ‘De overname heeft geleid tot een grote nieuwe site in Zuid-Korea, waar we zowel R&D als manufacturing doen. Dat heeft geleid tot veel meer business in Korea. En dat heeft ons weer het marktleiderschap in ALD opgeleverd.’ ASM heeft momenteel 55 procent van de ALD-markt in handen.

Bottom-up

Daarna, in de eerste jaren van het vorige decennium, volgde een glansrol voor ALD in de introductie van de Finfet, het transistortype waarin het stroomkanaal als een haaienvin uit de wafer steekt. De gate vouwt zich daar aan drie kanten omheen om de stroom beter te kunnen afknijpen. Dat was hard nodig, omdat traditionele vlakke transistoren ondanks de hoge-k-materialen te veel begonnen te lekken. ‘Zonder ALD waren Finfets onmogelijk geweest,’ stelt Raaijmakers. Alleen met ALD kun je de vinstructuur gelijkmatig bedekken met de benodigde materialen.

Inmiddels heeft Samsung als eerste de opvolger van de Finfet in productie genomen, de gate-all-around (GAA) transistor waarin de vin een kwartslag is gedraaid en zelfs helemaal wordt omgegeven door de gate. Elke transistor heeft meerdere stroomkanalen, meestal drie.

Dit soort complexe structuren zijn een goudmijn voor fabrikanten van ALD-apparatuur, legt Raaijmakers uit. ‘Je zit maar tien nanometer tussen de fins. Daarin moet je hoge-k-materialen neerleggen, een gate-metaal en een metaal dat de werkfunctie van de transistor definieert. Dat zijn zeker of vier of vijf verschillende materialen in zo’n dunne laag. ALD is daar perfect geschikt voor.’

Ook in geheugens gaat het de kant op van steeds dunnere en complexere laagstructuren, zeker nu de traditionele manieren om meer bits per dollar op te slaan tegen harde limieten opbotsen. Hoge-k-materialen hebben inmiddels hun weg gevonden naar de stuurelektronica in DRAM, omdat de geheugencellen zelf niet of nauwelijks meer schalen. Dat kun je één keer doen, daarna is er geen nieuwe winst meer te behalen.

‘Het fundamentele probleem is dat de condensator zich niet meer kleiner laat maken. Dan zit er maar één ding op: de hoogte in gaan, net zoals met NAND-flash is gebeurd. Laagjes op elkaar stapelen is de enige manier om de cost per bit verder te verlagen. Volgens de huidige verwachtingen zal 3D-DRAM rond 2026 kunnen concurreren met regulier DRAM.’

Raaijmakers zou nog uren kunnen volpraten over wat er allemaal op stapel staat.

Maar neem maar van hem aan: zolang het aantal lagen per chip toeneemt, en die lagen steeds dunner en steeds complexer van samenstelling worden, is ASM spekkoper. ‘We werken inmiddels aan lagen met drie of zelfs vier verschillende elementen om precies de juiste materiaaleigenschappen te verkrijgen. Zoiets opbrengen in uniforme dikte en met uniforme compositie, dat kan alleen met ALD.’

En dan hebben we het nog niet eens gehad over wat je het toppunt van depositietechnologie zou kunnen noemen: selectieve depositie. Op zelf te kiezen plaatsen hecht het materiaal wel, en elders niet.

‘Dat is de next big thing. We hebben thermische ALD op de wereld gezet, we hebben plasma-ALD op de wereld gezet, en de volgende stap is selectieve ALD. Daarmee kun je wel op horizontale oppervlakken deponeren en in het geheel niet op verticale vlakken. Of op bepaalde materialen wel en op andere niet. En dat puur op basis van de chemie van de materialen en de oppervlaktebehandelingen die we tot onze beschikking hebben. De materiaalkeuze is in CMOS-fabricage niet vrij, maar wij hebben een portfolio van behandelingen ontwikkeld waarmee we toch onderscheid kunnen aanbrengen.’

Met selectieve ALD zal ASM zich nog meer op het terrein van ASML begeven. Wie met slimme manipulatie van oppervlaktechemie kan bepalen waar wel en waar geen materiaal terechtkomt, kan structuren en dus patronen maken. Bottom-up, en niet zoals lithografie top-down. ‘Het kan fabricagestappen schelen, maar het grootste voordeel is dat de uitlijning van materiaal op materiaal altijd perfect is. Met lithografie zit je er altijd wel iets naast. Daarom denken wij dat we de yield kunnen verhogen met selectieve ALD.’ Waarmee Raaijmakers niet wil zeggen dat lithografie wel kan inpakken. ‘Beide technieken zijn cruciaal.’

Tenzij het te duur wordt om door te schalen, natuurlijk. Maar daar is Raaijmakers niet bang voor. De komende tien jaar kan de industrie sowieso nog vooruit, weet hij zeker. En over de decennia daarna heeft hij ook een goed gevoel. ‘Oké, het wordt steeds complexer. De lineaire dimensies iedere twee jaar met een factor 0.7 verkleinen lukt niet meer. Maar er zijn nog zoveel mogelijkheden om meer functies per chipoppervlak te integreren. Een industrie die exponentieel groeit en dus steeds meer middelen tot haar beschikking heeft, kan zich dat veroorloven.’