Процессы травления способствуют повышению селективности и контролю затрат

Плазменное травление, пожалуй, самый важный процесс в производстве полупроводников и, возможно, самая сложная из всех производственных операций после фотолитографии. Почти половина всех производственных стадий опирается на плазму, энергичный ионизированный газ, выполняющий свою работу.

Несмотря на постоянное сокращение количества транзисторов и ячеек памяти, инженеры продолжают разрабатывать надежные процессы травления.

«Чтобы устойчиво создавать чипы с наноразмерной точностью и правильной структурой затрат, производителям оборудования для изготовления пластин необходимо расширить границы физики плазмы, материаловедения и науки о данных, чтобы предоставить необходимые решения для оборудования», — сказал Томас Бондур, корпоративный вице-президент по Маркетинг группы продуктов Etch в Lam Research. Нигде это не проявляется так очевидно, как в плазменном травлении, которое работает рука об руку с литографией для создания четких повторяющихся элементов на пластинах.

В этом отчете рассматриваются ключевые этапы травления в 3D NAND, DRAM, полевых транзисторах с нанолистами и межсоединениях с перспективным взглядом на 2D-устройства и малобюджетную внутреннюю обработку. Промышленность также ищет более устойчивые химические вещества для травления, чтобы уменьшить эквивалент CO.₂ выбросы от своих заводов.

Для многих производителей инструментов моделирование процесса играет ключевую роль в разработке процесса травления. Цель состоит в том, чтобы сократить время выхода на рынок при одновременном снижении затрат на пластины и маски.

«Оптимизация процесса травления на некоторых из самых сложных этапов может занять год или больше, — сказал Барретт Финч, старший директор по маркетингу Lam Research. «Недавно мы завершили некоторую работу по моделированию процесса за три недели, которая, как ожидалось, займет три месяца с использованием типичного тестирования и разработки на основе кремния».

Это может исчисляться сотнями тысяч или даже миллионами долларов только за стоимость маски и подложки для производителя устройства.

Основы травления
Процесс травления идет рука об руку с литографией. Травлению обычно предшествует осаждение пленки (путем эпитаксии, химического или физического осаждения из паровой фазы и т. д.). Как правило, CVD пленка покрыта фоторезиста а затем экспонируется через узорчатую сетка (маска) с помощью оптическая литография (248 нм или 193 нм УФ, 13.5 нм ЭУФ). Затем сопротивление развитию раскрывает закономерность. В камере плазменного травления с одной пластиной химические вещества и ионы травления обычно бомбардируют и удаляют CVD-пленку там, где отсутствует фоторезист (в резисте положительного тона). После травления необходимо удалить остатки с помощью противоозоления, влажной химической очистки и/или влажного травления.

Процессы плазменного травления можно грубо разделить на травление диэлектрика, кремния или проводника. Диэлектрики, такие как диоксид кремния и нитрид кремния, лучше всего травятся с использованием фторированных газов, в то время как слои кремния и металла лучше всего реагируют с хлором. По существу существует три режима сухого травления — реактивное ионное травление, плазменное травление и травление распылением (ионным пучком). Процессы травления связаны со сложными взаимодействиями между химическими реагентами, плазмой и материалами пластин. Когда РЧ-смещение применяется к реактивному газу, электроны и положительно заряженные ионы бомбардируют пластину, чтобы физически удалить (вытравить) материал, в то время как химические вещества и свободные радикалы реагируют с открытым материалом с образованием летучих побочных продуктов. Травление может быть изотропным (реагирующим одинаково по вертикали и горизонтали), анизотропным (только по вертикали) или где-то посередине.

Рис. 1. Переход от finFET к GAA предъявляет критические требования к селективному изотропному травлению. Источник: Лам Исследования

Инженеры по травлению больше всего заботятся о скорости травления, управлении профилем, однородности (по всей пластине) и селективности травления, поскольку они влияют на выход и производительность. Селективность травления — это просто отношение удаления материала, который вы хотите травить, к его нижнему слою, например, SiO.₂ на кремнии. Во время травления также желательно не снимать слишком много фоторезиста. Но в этом случае часто рисунок переносится на твердую маску (диоксид кремния, нитрид кремния, SiOC, TiN) до того, как он будет перенесен на основную пленку.

Характеристики селективности варьируются от 2:1 до 1,000:1 (высокоселективное травление). С каждым новым узлом эти спецификации ужесточаются. «Поскольку EUV с высокой числовой апертурой начинает заменять обычный EUV в течение следующих четырех лет, фокус становится намного ниже, поэтому вы больше не можете экспонировать толстый фоторезист — под толстым я подразумеваю 30 нанометров», — сказал Филипп Безар, инженер по исследованиям и разработкам по сухому травлению в имек. «Но вам все равно нужно нанести рисунок такой же толщины пленки ниже. Так что теперь вы просите о гораздо более высокой селективности в том смысле, что вместо 2:1 мы должны достичь 10:1, что является внезапным улучшением селективности в 4-5 раз».

От проверки концепции (POC) до крупносерийного производства (HVM)
Безар описывает три этапа развития процесса травления:

• Определение того, какой травитель, газы, вспомогательные слои и т. д. необходимы для выполнения травления;
• Демонстрация производительности при полном удалении пленки в соответствии со спецификациями при однородности процесса на одной пластине и
• Определение того, как этот процесс можно повторить на тысячах пластин в HVM с высокой производительностью и небольшим дрейфом.

Как правило, опытные инженеры по травлению и интеграции занимаются первыми двумя этапами разработки. Третий этап может снова использовать инженерный опыт, но может помочь машинное обучение.

«Машинное обучение и анализ данных в целом полезны только на третьем этапе», — сказал он. «Он очень мощный, потому что имеет доступ к тонне данных и может разобраться в миллионе крошечных, простых вещей, которые взаимодействуют друг с другом. Так что для человеческого мозга очень трудно понять это, но для компьютерной программы это более под силу. Но в тех случаях, когда у вас есть новое приложение, новый материал или новая интеграция, это не показывает никаких улучшений по сравнению с людьми».

Использование машинного обучения также влияет на стоимость производства, поскольку на третьем этапе используются тысячи пластин — по крайней мере, на порядок больше, чем на первом и втором этапах.

Барретт Финч, старший директор группы продуктов Etch в компании Lam Research, описывает поиск нового процесса как проверку концепции номинального технологического процесса и схемы и разработку одного или нескольких рабочих устройств на пластине. Затем этот POC передается команде разработчиков продукта на заводе для масштабирования процесса и повышения выхода продукции.

«Объем работы, необходимый для преобразования номинальной проверки концепции в жизнеспособный продукт, часто недооценивается, и это создает большой разрыв в прибыльности», — сказал Финч. «Моделирование окна процесса направлено на то, чтобы закрыть этот пробел, вводя потрясающие вариации на ранних этапах поиска пути НИОКР». Он предлагает, чтобы виртуальные DOE и анализ на основе Монте-Карло по ряду параметров процесса проверяли POC, моделируя ожидаемую изменчивость.

«Моделирование окна процесса может дать ответ на вопрос: «Какой CD или уровень изменчивости я должен поддерживать, чтобы достичь минимальной производительности и выхода устройства?» Мы завершили оконные тесты виртуального процесса с более чем 1 миллионом виртуальных пластин за несколько дней, что было бы невозможно выполнить в реальной жизни», — сказал он.

Несколько параметров влияют на скорость травления, профиль и селективность. Ключевым является температура. «Влияние термических эффектов при травлении видно нашим клиентам, поскольку они контролируют скорость травления, селективность и профили травления. Все эти параметры могут влиять как на производительность устройства, так и на производительность», — сказал Бенджамин Винсент, старший менеджер по полупроводниковым процессам и интеграции в Lam Research. Он утверждает, что моделирование может быть особенно полезным, когда шаг процесса имеет несколько возможных конфигураций (пространство процесса велико) или когда последующие результаты шага крайне непредсказуемы.

«Процесс травления зависит от температуры поверхности пластины, которая зависит от нескольких тепловых потоков, включая теплопроводность, энергию ионного удара, поверхностные реакции и радиационные тепловые потоки плазмы», — сказал Алекс Гермуш, менеджер по маркетингу продукции Esgee Technologies, Исследовательская компания Лам. «В результате модели плазмы должны включать все эти физические особенности, чтобы точно отображать изменения температуры на поверхности пластины. Программное обеспечение для моделирования процессов может моделировать ряд атрибутов травления, что позволяет нам быстрее получать лучшие результаты травления и ускорять возможности заказчика по наращиванию производства или оптимизации выхода продукции».

Точная синхронизация процесса травления
При более плотной геометрии и более тонких пленках необходимо сбалансировать скорость травления с большим контролем над другими рабочими параметрами.

«С сокращением правил проектирования многие процессы травления переходят к очень быстрым этапам процесса плазменного травления, которые требуют высокоточного контроля всех входных параметров реакции: мощности, давления, химии и температуры», — сказал Финч, отметив также тенденцию к оптимизации плазмы. пульсирующее поведение для создания определенного соотношения ионов и нейтрали, а затем удаление побочных продуктов. «Расширенное моделирование таких условий будет иметь решающее значение для обеспечения дальнейшего масштабирования устройства».

Производители систем травления в течение некоторого времени используют программное обеспечение для моделирования, чтобы ускорить разработку следующего узла или увеличение выхода продукции. Это неудивительно, учитывая сложность процесса и всех его переменных.

«Просто не хватает времени или достаточно пластин для проведения всех возможных технологических экспериментов при разработке технологий следующего узла», — сказал Финч. «Количество комбинаций настроек оборудования для травления может исчисляться миллионами или даже миллиардами, а разработка пластин методом грубой силы с использованием всех возможностей процесса просто невозможна».

Разумеется, все хорошие модели проверены на реальных чипах. «Точная модель должна быть прогнозирующей и решать целевую проблему, которую хочет решить пользователь», — сказал Финч. «Каждый раз, когда на основе моделирования рекомендуется изменение процесса или конструкции, фактические производственные данные должны отражать результаты рекомендации. В нашем случае мы смогли точно предсказать влияние изменений процесса, используя результаты, основанные на модели, и быстро решить сложные проблемы разработки процессов и технологий».

Поставщики инструментов также работают над передовыми процессами травления, чтобы более тесно интегрировать линии и преобразовать то, что когда-то было процессом на уровне двух масок (два этапа литографии), в один для упрощения процесса и снижения затрат.

«Вместо того, чтобы адаптировать существующее оборудование, чтобы сделать швейцарский армейский нож еще более оснащенным, компании внедряют технологии, ориентированные на конкретные приложения, такие как новые системы для решения проблем, связанных с острием», — сказал Безар. Цель состоит в том, чтобы сделать две линии, обращенные друг к другу, ближе друг к другу, что в настоящее время включает в себя этап построения рисунка линий, за которым следует маска вырезания. «Applied Materials и другие компании представляют способ прямого травления в горизонтальном направлении». Такие отростки также могут расширяться через отверстия.

Шаги травления для нанолистовых полевых транзисторов
Наиболее важные этапы травления в нанолист Технологические потоки включают травление холостого затвора, травление анизотропной опоры, травление изотропной прокладки и этап освобождения канала. [1] Травление профиля через чередующиеся слои кремния и SiGe является анизотропным и использует фторированную химию. Травление внутренней прокладки (вдавливание) и этап освобождения канала оптимизированы для удаления SiGe с чрезвычайно низкими потерями кремния.

Шаг освобождения канала имеет решающее значение. «Выпуск нанолиста требует чрезвычайно высокой селективности», — сказал Безар. «Большинство нанолистов — это кремний, затем кремний-германий и кремний. У вас есть чередующиеся слои, и вам нужно удалить один, вообще не изменяя другой». В некоторых публикациях обсуждалось выполнение многоэтапного травления SiGe для снижения нагрузки на структуру, вызванной одним этапом травления.

Далее в процессе идет формирование самовыравнивающихся контактов. «Здесь то, что мы пытаемся сделать, это в основном вытравить диоксид кремния, а не касаться нитрида кремния и не углублять его. Текущие характеристики, скажем, 3 нм углубления, но люди требуют нулевых потерь», — сказал Безар. «В данном случае мы даже не используем слово избирательность. Мы просто говорим об перерывах — и при этом никаких перерывов».

3D NAND
Что касается 3D NAND flash, количество уровней продолжает расти, что требует внедрения в будущем нескольких уровней, сложенных в стек, что в конечном итоге приведет к созданию вертикальных цепочек сложенных друг в друга устройств. «Кроме того, есть много стимулов для масштабирования шага строки слова или вертикального/Z-шага слоев по мере роста количества слоев, чтобы продолжать увеличивать плотность битов», — сказал Роберт Кларк, старший член технического персонала и технический директор в TEL. «С точки зрения процесса процессы травления и осаждения будут нуждаться в постоянном совершенствовании, чтобы приспособиться к все более высоким соотношениям сторон при все меньших критических размерах, которые требуются для постоянного масштабирования».

Кларк описал будущие изменения. «Глядя на усовершенствованные узлы устройств ловушки заряда с несколькими уровнями, потребуется проектирование стеков затворов для достижения более короткой длины затвора, большего количества уровней на ячейку и повышения эффективности программирования — возможно, за счет использования материалов с высоким значением k. Каналы с более высокой проводимостью, вероятно, также потребуются для замены поликремниевых каналов в будущем», — сказал он.

Одним из наиболее важных процессов травления в 3D NAND является глубокое травление отверстий диаметром около 100 нм через многослойные оксидно-нитридные пакеты (более 200 слоев), глубина которых может достигать 10 мкм. Безар из Imec сказал, что этот этап травления является особенно дорогим.

«У нас есть физическое явление, которое называется эффектом дифференциальной зарядки», — сказал он. «В плазме у нас есть электроны, ионы и нейтральные частицы, чтобы многое упростить. Электроны движутся во всех направлениях, но ионы ускоряются перпендикулярно поверхности. Таким образом, у вас есть положительный заряд на дне отверстия и отрицательный заряд наверху, и вы получаете электрическое поле, которое пытается отталкивать поступающие ионы».

В результате для полного протравливания траншеи необходимы высокие уровни мощности. «Мы пытаемся поддерживать мощность от 30 до 50 гигаватт без образования дуги, поэтому патрон должен быть очень хорошо отполирован и изготовлен», — сказал он.

Глубокое травление также вызывает напряжения, которые необходимо свести к минимуму, особенно потому, что многоуровневое производство NAND впоследствии требует утончения пластины, точного выравнивания и гибридного соединения со следующим уровнем.

Другие процессы
Не все производители микросхем производят передовые микросхемы, требующие литографии EUV. Многие фабрики расширяют свои процессы литографии и травления на 193 нм.

«У нас есть высокотемпературный материал SOC, который мы недавно начали внедрять, который расширяет возможности формирования рисунка и может выдерживать более высокие температуры, независимо от того, используется ли он в качестве подслоя для CVD-слоя или маски», — сказал Брайан Уилбур, директор по диверсификации полупроводниковой продукции в Наука пивовара.

beol ожидается, что для самых узких металлических линий произойдет резкий переход от схем интеграции двойного дамаскина к субтрактивному осаждению и травлению межсоединений, отличных от меди. Здесь наиболее тщательно разработаны два металла — рутений и молибден. Однако молибден с большей вероятностью окисляется во время травления, что делает его более совместимым со схемами двойного дамаскина. Рутений — это благородный металл, поэтому он не вызывает таких проблем с коррозией, но он более дорогой.

Структуры устройств также становятся нетерпимыми к ошибки размещения краев. По словам Кларка из TEL, потребуются новые схемы самовыравнивания от слоя к слою и между переходными отверстиями и линиями. «Первые реализации, вероятно, будут для таких вещей, как скрытые строки слов в DRAM и металлические слои MOL с малым шагом для логики, где есть потребность в более высокой термостойкости, а также в более низком удельном сопротивлении или металлах без вкладыша».

Разработки нового поколения
В долгосрочной перспективе отрасль в идеале перейдет на серверные процессы с более низким тепловым бюджетом (ближе к 300°C, чем 400°C), чтобы интегрировать устройства в серверные уровни межсоединений.

«У отрасли есть реальная потребность начать создавать устройства с большим количеством слоев, — сказал Кларк из TEL. «Это означает, что нам нужны память и логические устройства, встроенные в BEOL с тепловым балансом BEOL».

До сих пор устройства, изготовленные с использованием полупроводниковых оксидов, кажутся многообещающими как для интеграции устройств памяти в логический поток BEOL, так и для создания массивов CMOS поверх массива памяти в DRAM.

Еще один существенный сдвиг связан с интеграцией 2D-материалов, которые исследовательские центры и ведущие производители чипов уже начинают тестировать. Рассматриваются процессы травления таких материалов, как дисульфид вольфрама или дисульфид молибдена. Пленки состоят из одного монослоя материала, поэтому разработка производственных процессов для их интеграции является чрезвычайно сложной задачей.

Стабильность
Производители чипов и поставщики материалов ищут альтернативные химические вещества для сокращения выбросов углерода. При травлении основными виновниками являются фторсодержащие газы с высоким потенциалом глобального потепления.

«Причина, по которой у вас есть ПФОС (перфтороктановая сульфоновая кислота), что является проблематичным, заключается в том, что молекула настолько стабильна», — сказал Безар из imec. «Света или химических реакций в атмосфере недостаточно, чтобы разрушить его».

Он сказал, что ряд альтернативных газовых смесей с более высоким содержанием кислорода легче диссоциирует и имеет более низкий ПГП. «Однако для начала любой кандидат должен показать такую ​​же или даже более высокую производительность».

Но устойчивость не является проблемой травления или осаждения. Это целостная отраслевая задача, от литографии до упаковки, где воздействие нового материала влияет на всю обработку устройства.

Справка
1. К. Дербишир, «Чем отличаются транзисторы следующего поколения», Полупроводниковая техника, 20 октября 2022 г.

Связанные Истории
Высокоселективное травление для чипов следующего поколения
Производство трехмерных структур потребует контроля на атомарном уровне над тем, что удаляется, а что остается на пластине.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Покупайте и продавайте акции компаний PREIPO® с помощью PREIPO®. Доступ здесь.
• Источник: https://semiengineering.com/etch-processes-push-toward-higher-selectivity-cost-control/