عمليات الحفر تدفع نحو انتقائية أعلى ، ومراقبة التكاليف

ربما تكون عملية الحفر بالبلازما هي العملية الأكثر أهمية في تصنيع أشباه الموصلات ، وربما تكون الأكثر تعقيدًا من بين جميع عمليات التصنيع السريع بجانب الطباعة الحجرية الضوئية. يعتمد ما يقرب من نصف جميع الخطوات على البلازما ، وهو غاز مؤين نشط ، للقيام بعملهم.

على الرغم من خلايا الذاكرة والترانزستور التي تتقلص باستمرار ، يواصل المهندسون تقديم عمليات حفر موثوقة.

قال توماس بوندور ، نائب رئيس الشركة لـ Etch Product Group marketing في لام البحوث. لا يوجد مكان يتجلى فيه هذا الأمر أكثر من النقش بالبلازما ، الذي يعمل جنبًا إلى جنب مع الطباعة الحجرية لإنشاء ميزات دقيقة وقابلة للتكرار على الرقاقات.

يفحص هذا التقرير خطوات الحفر الرئيسية في 3D NAND و DRAM و Nanosheet FETs والوصلات البينية ، مع نظرة أمامية على الأجهزة ثنائية الأبعاد والمعالجة الخلفية منخفضة الميزانية. وتسعى الصناعة أيضًا إلى استخدام كيمياء حفر أكثر استدامة لتقليل مكافئ ثاني أكسيد الكربون₂ انبعاثات من القوات المسلحة البوروندية.

بالنسبة للعديد من صانعي الأدوات ، تلعب نمذجة العمليات دورًا محوريًا في تطوير عملية الحفر. الهدف هو تقصير الوقت اللازم للتسويق مع تقليل تكاليف الرقاقات والقناع.

قال باريت فينش ، كبير مديري التسويق في لام ريسيرش: "قد يستغرق تحسين عملية Etch في بعض أصعب الخطوات عامًا أو أكثر حتى يكتمل". "لقد أكملنا مؤخرًا بعض أعمال محاكاة العمليات في ثلاثة أسابيع والتي كان من المتوقع أن تستغرق ثلاثة أشهر باستخدام اختبار وتطوير نموذجي يعتمد على السيليكون."

يمكن أن يصل هذا إلى مئات الآلاف ، أو حتى ملايين الدولارات ، فقط لتكاليف القناع والرقاقة لمصنع الجهاز.

أساسيات النقش
تعمل عملية الحفر جنبًا إلى جنب مع الطباعة الحجرية. عادة ما يسبق النقش ترسيب فيلم (عن طريق ترسيب بخار كيميائي أو فيزيائي أو ترسيب بخار فيزيائي ، وما إلى ذلك). عادة ، أ CVD الفيلم مغلف مقاومة للضوء ثم يتعرض من خلال منقوشة شبكاني (قناع) باستخدام الطباعة الحجرية البصرية (248 نانومتر أو 193 نانومتر UV ، 13.5 نانومتر EUV). مقاومة التطور ثم تكشف عن النمط. في غرفة حفر بلازما واحدة ، عادةً ما تقصف المواد الكيميائية والأيونات المحفورة وتزيل فيلم CVD حيث يكون مقاوم الضوء مفقودًا (في مقاومة النغمة الإيجابية). بعد الحفر ، قم بمقاومة الرماد ، والتنظيف الكيميائي الرطب ، و / أو الحفر الرطب ، قم بإزالة البقايا.

يمكن تصنيف عمليات حفر البلازما تقريبًا على أنها حفر عازلة أو سيليكون أو موصل. من الأفضل حفر المواد العازلة مثل ثاني أكسيد السيليكون ونتريد السيليكون باستخدام الغازات المفلورة بينما تتفاعل طبقات السيليكون والمعدن بشكل أفضل مع كيمياء الكلور. هناك ثلاثة أنماط للحفر الجاف - نقش الأيونات التفاعلي ، وحفر البلازما ، وحفر الأيونات (شعاع الأيونات). تتمحور عمليات النقش حول التفاعلات المعقدة بين المواد الكيميائية المتفاعلة والبلازما والرقائق. عندما يتم تطبيق تحيز الترددات الراديوية على الغاز التفاعلي ، تقصف الإلكترونات والأيونات الموجبة الشحنة الرقاقة لإزالة (حفر) المواد فعليًا بينما تتفاعل الأنواع الكيميائية والجذور الحرة مع المادة المكشوفة لتشكيل منتجات ثانوية متطايرة. يمكن أن يكون النقش إما خواص الخواص (يتفاعل عموديًا وأفقيًا بشكل متساوٍ) ، متباين الخواص (رأسيًا فقط) أو في مكان ما بينهما.

الشكل 1: يؤدي الانتقال من finFET إلى GAA إلى متطلبات الحفر الانتقائي الخواص الحرجة. المصدر: لام للبحوث

إن المقاييس التي يهتم بها مهندسو الحفر هي معدل الحفر ، والتحكم في الملف الشخصي ، والتوحيد (عبر الرقاقة) ، وانتقائية الحفر ، لأن هذه تؤثر على العائد والإنتاجية. انتقائية الحفر هي ببساطة نسبة إزالة المادة التي تريد حفرها بالنسبة لطبقتها السفلية - على سبيل المثال ، SiO₂ على السيليكون. أثناء الحفر ، من المفيد أيضًا عدم إزالة الكثير من مقاومات الضوء. ولكن عندما يكون الأمر كذلك ، غالبًا ما يتم نقل النمط إلى قناع صلب (ثاني أكسيد السيليكون ، نيتريد السيليكون ، SiOC ، TiN) قبل نقله إلى الفيلم الأساسي.

تختلف مواصفات الانتقائية من 2: 1 حتى 1,000: 1 (حفر انتقائي للغاية). مع كل عقدة جديدة ، تصبح هذه المواصفات أكثر إحكامًا. قال فيليب بيزارد ، مهندس البحث والتطوير بالحفر الجاف في IMEC. "ولكن ما زلت بحاجة إلى نقش نفس سمك الفيلم أدناه. لذا أنت الآن تطلب انتقائية أعلى بكثير بمعنى أنه بدلاً من 30: 2 علينا أن نصل إلى ما يشبه 1: 10 ، وهو تحسن انتقائي مفاجئ 1X إلى 4X. "

من إثبات المفهوم (POC) إلى التصنيع عالي الحجم (HVM)
يصف بيزارد ثلاث مراحل من تطوير عملية الحفر:

• تحديد ما هو الحفر ، والغازات ، والطبقات المساعدة ، وما إلى ذلك ، اللازمة لأداء الحفر ؛
• إظهار الأداء عند إزالة الفيلم بالكامل ضمن المواصفات مع توحيد العملية عبر رقاقة واحدة ، و
• تحديد كيف يمكن تكرار العملية عبر آلاف الرقائق في HVM ذات الإنتاجية العالية والانجراف القليل.

عادةً ما يتعامل مهندسو الحفر والتكامل المهرة مع أول مرحلتين من التطوير. قد تستخدم المرحلة الثالثة الخبرة الهندسية مرة أخرى ، لكن التعلم الآلي يمكن أن يساعد.

قال "التعلم الآلي وتحليل البيانات بشكل عام مفيد فقط في المرحلة الثالثة". "إنه قوي للغاية لأنه يمكنه الوصول إلى الكثير من البيانات ويمكنه فهم مليون شيء صغير وبسيط تتفاعل جميعها. لذا فإن محاولة العقل البشري لمعرفة هذا أمر صعب للغاية ، لكنه أكثر قابلية للإدارة من قبل برنامج كمبيوتر. ولكن في الحالات التي يكون لديك فيها تطبيق جديد أو مادة جديدة يتم نقشها أو تكامل جديد ، فإنه لا يظهر أي تحسن على البشر ".

يرتبط استخدام ML أيضًا بتكلفة التصنيع لأنه يتم استخدام آلاف الرقائق في المرحلة الثالثة - على الأقل بترتيب أكبر من الحجم المستخدم في المرحلتين الأولى والثانية.

يصف باريت فينش ، كبير مديري مجموعة Etch Product Group في Lam Research ، عملية تحديد المسار الجديدة بأنها تأخذ إثباتًا للمفهوم من تدفق وتخطيط العملية الاسمي وتطوير جهاز عمل واحد أو أكثر على رقاقة. ثم يتم نقل POC هذا إلى فريق تطوير المنتج في fab لتوسيع نطاق العملية وتحسين العائد.

قال فينش: "غالبًا ما يتم التقليل من حجم العمل المطلوب لتحويل إثبات المفهوم الاسمي إلى منتج ذي عائد قابل للتطبيق ، وهذا يخلق فجوة كبيرة في الربحية". "تسعى نمذجة نافذة العملية إلى سد هذه الفجوة من خلال إدخال تنوع فاب في المراحل الأولى من البحث والتطوير." يقترح أن كيانات التشغيل الافتراضية والتحليل القائم على مونت كارلو عبر عدد من معلمات العملية يختبر نقطة الوصول عن طريق محاكاة التباين المتوقع.

"يمكن أن تجيب نمذجة نافذة العملية على السؤال ،" ما هو القرص المضغوط أو مستوى التباين الذي يتعين علي الاحتفاظ به للوصول إلى الحد الأدنى من أداء الجهاز والعائد؟ " لقد أكملنا اختبارات نافذة العملية الافتراضية مع ما يزيد عن مليون رقاقة افتراضية في غضون أيام قليلة ، وهو ما سيكون من المستحيل تحقيقه في الحياة الواقعية ".

تؤثر المعلمات المتعددة على معدل الحفر والملف الشخصي والانتقائية. المفتاح الأول هو درجة الحرارة. "يلاحظ عملاؤنا تأثير التأثيرات الحرارية في معالجة الحفر حيث يتحكمون في معدلات الحفر والانتقائية والملفات الشخصية المحفورة. قال بنجامين فينسينت ، المدير الأول لعمليات أشباه الموصلات وهندسة التكامل في لام ريسيرش ، "كل هذه المعلمات يمكن أن تؤثر على كل من إنتاجية الجهاز وإنتاجية التصنيع السريع". ويؤكد أن المحاكاة قد تكون مفيدة بشكل خاص عندما تحتوي خطوة العملية على تكوينات متعددة محتملة (مساحة العملية كبيرة) ، أو عندما تكون النتائج النهائية من الخطوة غير متوقعة إلى حد كبير.

قال Alex Guermouche ، مدير تسويق المنتجات في Esgee Technologies: "تعتمد عملية الحفر على درجة حرارة سطح الرقاقة ، والتي تعتمد على العديد من التدفقات الحرارية - بما في ذلك التوصيل الحراري ، وطاقات تأثير الأيونات ، والتفاعلات السطحية ، وتدفق الحرارة الإشعاعي بالبلازما". شركة لام للأبحاث. ونتيجة لذلك ، تحتاج نماذج البلازما إلى دمج كل هذه الميزات الفيزيائية لتصوير التغيرات في درجات الحرارة بدقة على سطح الرقاقة. يمكن لبرنامج محاكاة العمليات أن يصمم مجموعة من سمات الحفر ، مما يسمح لنا بالحصول على نتيجة حفر أفضل بشكل أسرع وتسريع قدرة العميل على زيادة الإنتاج أو تحسين العائد ".

التوقيت الدقيق لعملية الحفر
مع الأشكال الهندسية الأكثر إحكامًا والأغشية الرقيقة ، هناك حاجة لتحقيق التوازن بين معدل الحفر والتحكم الكبير في معلمات التشغيل الأخرى.

قال فينش: "مع تقلص قواعد التصميم ، تنتقل العديد من عمليات الحفر إلى خطوات عملية حفر البلازما السريعة جدًا التي تتطلب تحكمًا دقيقًا للغاية في جميع مدخلات التفاعل: الطاقة والضغط والكيمياء ودرجة الحرارة" ، مشيرًا إلى وجود اتجاه نحو البلازما المحسنة سلوك نابض لتوليد نسبة أيون إلى محايدة معينة ، ثم كنس المنتجات الثانوية. "النمذجة المتقدمة لمثل هذه الظروف ستكون حاسمة لتمكين توسيع نطاق الجهاز."

يستخدم مصنعو أنظمة النقش برامج النمذجة لبعض الوقت لتسريع تطوير العقدة التالية أو غلة المنحدرات. هذا ليس مفاجئًا ، نظرًا للتعقيد الهائل للعملية وجميع متغيراتها.

قال فينش: "ببساطة لا يوجد وقت كافٍ أو رقائق كافية لتنفيذ جميع تجارب العمليات الممكنة عند تطوير تقنيات العقدة التالية". "يمكن أن يصل عدد مجموعات إعدادات معدات الحفر إلى الملايين أو حتى المليارات ، كما أن تطوير الرقاقات بالقوة الغاشمة باستخدام جميع إمكانيات العملية أمر مستحيل."

بالطبع ، يتم التحقق من جميع النماذج الجيدة على الرقائق الفعلية. قال فينش: "يجب أن يكون النموذج الدقيق تنبؤيًا ، ويجب أن يحل المشكلة المستهدفة التي يريد المستخدم حلها". "في كل مرة يُوصى بإجراء تغيير في التصميم أو العملية بناءً على أعمال المحاكاة ، يجب أن تعكس بيانات fab الفعلية نتائج التوصية. في حالتنا ، تمكنا من التنبؤ بدقة بتأثير تغييرات العملية باستخدام النتائج المستندة إلى النموذج ، وحل المشكلات الصعبة في العملية وتطوير التكنولوجيا بسرعة ".

يعمل موردو الأدوات أيضًا على عمليات حفر متقدمة لدمج الخطوط بشكل أوثق وتحويل ما كان سابقًا عملية ذات مستوى ثنائي القناع (خطوتان للطباعة الحجرية) إلى عملية واحدة لتبسيط العملية وخفض التكلفة.

قال بيزارد: "بدلاً من تكييف الأجهزة الموجودة لجعل سكين الجيش السويسري أكثر تجهيزًا ، تقدم الشركات تقنيات خاصة بالتطبيق ، مثل الأنظمة الجديدة لمعالجة المشكلات الشاملة". الهدف هو جعل سطرين متقاربين لبعضهما البعض ، والذي يتضمن حاليًا خطوة نقش الخط متبوعة بقناع القطع. "ما تقدمه المواد التطبيقية وغيرها هو طريقة للحفر المباشر في الاتجاه الأفقي." يمكن أن تتسع هذه العمليات أيضًا عبر الثقوب.

حفر الخطوات لـ nanosheet FETs
أهم خطوات الحفر في ورقة نانوية تتضمن تدفقات العملية حفر البوابة الوهمية ، وحفر العمود متباين الخواص ، وحفر مباعد الخواص ، وخطوة تحرير القناة. [1] المظهر الجانبي الذي يتم حفره من خلال طبقات متناوبة من السيليكون و SiGe متباين الخواص ويستخدم كيمياء مفلورة. تم تحسين خطوة حفر المباعد الداخلية (المسافة البادئة) وخطوة تحرير القناة لإزالة SiGe مع فقدان السيليكون المنخفض للغاية.

خطوة إطلاق القناة أمر بالغ الأهمية. قال بيزارد: "يتطلب إصدار ورقة النانو انتقائية عالية للغاية". "معظم الصفائح النانوية عبارة عن السيليكون ، ثم السيليكون والجرمانيوم والسيليكون. لديك طبقات بديلة ، وتحتاج إلى إزالة واحدة دون تعديل الأخرى على الإطلاق. " ناقشت بعض المنشورات إجراء حفر SiGe متعدد الخطوات لتقليل الضغط على الهيكل الناجم عن خطوة حفر واحدة.

التالي في العملية هو تشكيل جهات اتصال ذاتية الانحياز. "هنا ما نحاول القيام به هو في الأساس حفر ثاني أكسيد السيليكون وعدم لمس أو توقف نيتريد السيليكون. المواصفات الحالية ، دعنا نقول ، 3 نانومتر من العطلة ، لكن الناس يطلبون صفر خسارة ، "قال بيزارد. في هذه الحالة نحن لا نستخدم كلمة انتقائية. نحن نتحدث فقط عن العطلة - وعدم الاستراحة في ذلك الوقت ".

3D NAND
في حالة 3D NAND فلاش ، يستمر عدد الطبقات في النمو ويتطلب اعتماد طبقات متعددة مكدسة في المستقبل ، مما يؤدي في النهاية إلى إنشاء سلاسل رأسية من الأجهزة المكدسة. قال روبرت كلارك ، عضو بارز في فريق العمل التقني و مدير التكنولوجيا في TEL. "من منظور العملية ، ستحتاج عمليات الحفر والترسيب إلى تحسين مستمر لاستيعاب نسب العرض إلى الارتفاع المتزايدة باستمرار في الأبعاد الحرجة الأصغر التي تتطلب التوسع المستمر."

وصف كلارك التغييرات المستقبلية. "بالنظر إلى العقد المتقدمة لأجهزة فخ الشحن ذات المستويات المتعددة ، ستكون هندسة مجموعات البوابة مطلوبة لتحقيق أطوال بوابة أقصر ، ومستويات أكثر لكل خلية ، وكفاءة برمجة محسنة - ربما من خلال اعتماد مواد عالية k. من المحتمل أن تكون هناك حاجة إلى قنوات توصيل أعلى لتحل محل قنوات بولي سي في المستقبل أيضًا ".

تتضمن إحدى أهم عمليات الحفر في 3D NAND حفرًا عميقًا لحوالي 100 نانومتر من الثقوب من خلال أكوام أكسيد نيتريد متعددة الطبقات (200+ طبقة) ، والتي يمكن أن يصل عمقها إلى 10 ميكرون. قال بيزارد من Imec إن هذه الخطوة المحفورة هي خطوة باهظة الثمن بشكل خاص.

قال: "لدينا ظاهرة فيزيائية تحدث ، تسمى تأثير الشحن التفاضلي". "في البلازما لدينا إلكترونات وأيونات وأنواع محايدة لتبسيط الكثير. تتحرك الإلكترونات في كل اتجاه ، بينما تتسارع الأيونات بشكل عمودي على السطح. إذن ، لديك شحنة موجبة في أسفل الحفرة وشحنات سالبة في الجزء العلوي ، وتحصل على مجال كهربائي يحاول صد الأيونات الواردة ".

نتيجة لذلك ، هناك حاجة إلى مستويات طاقة عالية لحفر الخندق بالكامل. قال: "نحاول الحفاظ على 30 إلى 50 جيجاوات من الطاقة دون انحناء ، وبالتالي يجب أن يكون تشاك مصقولًا جيدًا ومصنعًا جيدًا".

تؤدي الحفر العميقة أيضًا إلى ضغوط تحتاج إلى تقليلها ، خاصةً لأن تصنيع NAND متعدد المستويات يتطلب لاحقًا ترققًا للرقائق ومحاذاة دقيقة وترابطًا هجينًا إلى المستوى التالي.

عمليات أخرى
لا ينتج جميع صانعي الرقائق رقائق متطورة تتطلب الطباعة الحجرية EUV. تعمل العديد من القوات المسلحة البوروندية على توسيع عملياتها الحجرية والحفر التي يبلغ قطرها 193 نانومتر.

قال بريان ويلبر ، مدير تنويع منتجات أشباه الموصلات في علوم البيرة.

beol بالنسبة لأشد الخطوط المعدنية ، من المتوقع أن تخضع لانتقال مثير من مخططات التكامل الدمشقي المزدوج إلى الترسيب الطرحي وحفر الوصلات البينية بخلاف النحاس. هنا ، كان معدنان - الروثينيوم والموليبدينوم - هما الأكثر تطورًا. ومع ذلك ، من المرجح أن يتأكسد الموليبدينوم أثناء الحفر ، مما يجعله أكثر توافقًا مع المخططات الدمشقية المزدوجة. يعتبر الروثينيوم معدنًا نبيلًا ، لذا لا يعاني من نفس مشكلات التآكل ، ولكنه أكثر تكلفة.

أصبحت هياكل الأجهزة أيضًا غير متسامحة مع أخطاء وضع الحافة. ستكون هناك حاجة إلى مخططات جديدة للمحاذاة الذاتية من طبقة إلى أخرى وبين الخطوط والخطوط ، وفقًا لكلارك من TEL. "من المحتمل أن تكون التطبيقات الأولى لأشياء مثل سطور الكلمات المدفونة في DRAM ، وطبقات MOL المعدنية ذات الملعب الصغير للمنطق حيث توجد احتياجات لاستقرار حراري أعلى بالإضافة إلى مقاومة أقل أو معادن أقل."

تطورات الجيل القادم
على المدى الطويل ، ستنتقل الصناعة بشكل مثالي إلى عمليات خلفية منخفضة للميزانية الحرارية (أقرب إلى 300 درجة مئوية من 400 درجة مئوية) من أجل دمج الأجهزة في طبقات الربط الخلفية.

قال كلارك من TEL: "الصناعة لديها حاجة حقيقية لبدء بناء الأجهزة في طبقات أكثر". "هذا يعني أننا بحاجة إلى أجهزة ذاكرة ومنطق مبنية داخل BEOL في الميزانيات الحرارية BEOL."

حتى الآن ، تبدو الأجهزة المصنوعة باستخدام أكاسيد أشباه الموصلات واعدة ، سواء لدمج أجهزة الذاكرة في تدفق BEOL المنطقي ، أو لبناء مصفوفات CMOS فوق مصفوفة الذاكرة في DRAMs.

يتضمن التحول الجوهري الآخر دمج المواد ثنائية الأبعاد ، والتي بدأت بالفعل دور الأبحاث وكبار صانعي الرقائق في اختبارها. يجري النظر في عمليات الحفر لمواد مثل ثاني كبريتيد التنجستن أو ثاني كبريتيد الموليبدينوم. تتكون الأفلام من طبقة واحدة من مادة واحدة ، لذا فإن تطوير عمليات التصنيع السريع لدمجها يعد أمرًا صعبًا للغاية.

الاستدامة
يسعى صانعو الرقائق وموردو المواد إلى إيجاد كيميائيات بديلة لتقليل انبعاثات الكربون. في الحفر ، الجاني الرئيسي هو الغازات المفلورة ذات القدرة العالية على إحداث الاحترار العالمي.

قال بيزارد من شركة imec: "أحد أسباب وجود حامض السلفونيك البيرفلوروكتاني (PFOS) ، والذي يمثل مشكلة ، هو أن الجزيء مستقر للغاية". "التفاعلات الخفيفة أو الكيميائية في الغلاف الجوي ليست كافية لتفتيته."

وقال إن عددًا من مخاليط الغاز البديلة ذات المحتوى الأعلى من الأكسجين يمكن فصلها بسهولة أكبر ولها قدرة أقل على إحداث الاحترار العالمي. "ومع ذلك ، يجب على أي مرشح تقديم أداء جيد أو أعلى حتى يبدأ."

لكن الاستدامة لا تمثل تحديًا في الحفر أو الترسب. إنه تحد شامل للصناعة بدءًا من الطباعة الحجرية وحتى التغليف ، حيث يؤثر تأثير مادة جديدة على معالجة الجهاز بالكامل.

الرقم المرجعي
1. K. Derbyshire ، "ما هو المختلف في الجيل التالي من الترانزستورات"، هندسة أشباه الموصلات ، 20 أكتوبر 2022.

قصص ذات الصلة
يتم طرح النقش الانتقائي للغاية لرقائق الجيل التالي
سيتطلب تصنيع الهياكل ثلاثية الأبعاد تحكمًا ذريًا في ما تمت إزالته وما يبقى على رقاقة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• أفلاطونايستريم. ذكاء بيانات Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• سك المستقبل مع أدرين أشلي. الوصول هنا.
• شراء وبيع الأسهم في شركات ما قبل الاكتتاب مع PREIPO®. الوصول هنا.
• المصدر https://semiengineering.com/etch-processes-push-toward-higher-selectivity-cost-control/