Процеси травлення сприяють вищій вибірковості та контролю витрат

Плазмове травлення є, мабуть, найважливішим процесом у виробництві напівпровідників і, можливо, найскладнішою з усіх виробничих операцій після фотолітографії. Майже половина всіх технологічних кроків покладається на плазму, енергійний іонізований газ, щоб виконувати свою роботу.

Незважаючи на постійне зменшення кількості транзисторів і елементів пам’яті, інженери продовжують забезпечувати надійні процеси травлення.

«Щоб стабільно створювати чіпи з нанорозмірною точністю та правильною структурою витрат, виробникам обладнання для виробництва пластин необхідно розширити межі фізики плазми, матеріалознавства та науки про дані, щоб надати необхідні рішення для обладнання», — сказав Томас Бондур, корпоративний віце-президент компанії Etch Product Group marketing at Лам Дослідження. Ніде це не так очевидно, як у плазмовому травленні, яке працює рука об руку з літографією для створення точних повторюваних деталей на пластинах.

У цьому звіті розглядаються ключові етапи травлення в 3D NAND, DRAM, нанолистових польових транзисторах і з’єднаннях, з перспективним поглядом на 2D-пристрої та низькобюджетну серверну обробку. Промисловість також шукає більш стійкі хімічні засоби для травлення, щоб зменшити еквівалент CO₂ викиди з його заводів.

Для багатьох виробників інструментів моделювання процесу відіграє ключову роль у розробці процесу травлення. Мета полягає в тому, щоб скоротити час виходу на ринок, одночасно зменшивши витрати на пластини та маски.

«На виконання деяких найскладніших етапів оптимізації процесу Etch може знадобитися рік або більше», — сказав Баррет Фінч, старший директор з маркетингу Lam Research. «Нещодавно ми завершили деяку роботу з моделювання процесу за три тижні, яка, як очікувалося, тривала три місяці, використовуючи типове тестування та розробку на основі кремнію».

Це може сягати сотень тисяч або навіть мільйонів доларів лише на маску та пластину для виробника пристрою.

Основи офорту
Процес травлення працює рука об руку з літографією. Травленню зазвичай передує осадження плівки (шляхом епітаксії, хімічного або фізичного осадження з парової фази тощо). Як правило, a CVD плівка покрита фоторезист а потім виставляється через візерунковий сітка (маска) використовуючи оптична літографія (248 нм або 193 нм УФ, 13.5 нм EUV). Тоді розвиток опору розкриває закономірність. У одній камері для плазмового травлення пластин травильні хімікати та іони, як правило, бомбардують і видаляють плівку CVD, де відсутній фоторезист (резист позитивного тону). Після травлення, стійкого озолення, вологого хімічного очищення та/або вологого травлення видаліть залишки.

Процеси плазмового травлення можна приблизно згрупувати як травлення діелектрика, кремнію або провідника. Такі діелектрики, як діоксид кремнію та нітрид кремнію, найкраще травляться за допомогою фторованих газів, тоді як шари кремнію та металу найкраще реагують із хімічними речовинами хлору. По суті існує три режими сухого травлення — реактивне іонне травлення, плазмове травлення та розпилення (іонний промінь). Процеси травлення — це складна взаємодія між хімічними реагентами, плазмою та пластинами. Коли радіочастотне зміщення застосовується до реактивного газу, електрони та позитивно заряджені іони бомбардують пластину, щоб фізично видалити (протравити) матеріал, тоді як хімічні речовини та вільні радикали реагують з відкритим матеріалом, утворюючи летючі побічні продукти. Травлення може бути ізотропним (реагує однаково вертикально і горизонтально), анізотропним (тільки вертикально) або десь посередині.

Рис. 1: Перехід від finFET до GAA викликає критичні вимоги до ізотропного селективного травлення. Джерело: Lam Research

Метрики, які найбільше цікавлять інженерів травлення, це швидкість травлення, контроль профілю, рівномірність (по пластині) і вибірковість травлення, оскільки вони впливають на вихід і продуктивність. Селективність травлення – це просто співвідношення видалення матеріалу, який ви хочете травити, відносно його нижнього шару – наприклад, SiO₂ на кремнії. Під час травлення також бажано не видаляти занадто багато фоторезисту. Але коли це так, малюнок часто переноситься на тверду маску (діоксид кремнію, нітрид кремнію, SiOC, TiN), перш ніж він переноситься на плівку, що лежить під ним.

Характеристики селективності варіюються від 2:1 до 1,000:1 (високоселективне травлення). З кожним новим вузлом ці характеристики стають жорсткішими. «Оскільки EUV з високою NA почне замінювати звичайний EUV протягом наступних чотирьох років, фокус буде значно нижчим, тому ви більше не зможете виставити товстий фоторезист, а під товстим я маю на увазі 30 нанометрів», — сказав Філіп Безард, інженер з досліджень і розробок сухого травлення. imec. «Але вам все одно потрібно намалювати таку ж товщину плівки внизу. Отже, тепер ви просите набагато вищу селективність у тому сенсі, що замість 2:1 ми маємо досягти скоріше 10:1, що є раптовим підвищенням селективності в 4-5 разів».

Від перевірки концепції (POC) до великосерійного виробництва (HVM)
Безард описує три фази розвитку процесу травлення:

• Визначення травника, газів, допоміжних шарів тощо, необхідних для травлення;
• Демонстрація ефективності повного видалення плівки в межах специфікацій з рівномірністю процесу на одній пластині та
• Визначення того, як процес можна повторити на тисячах пластин у HVM з високою продуктивністю та невеликим дрейфом.

Як правило, кваліфіковані інженери травлення та інтеграції займаються першими двома фазами розробки. Третя фаза знову може використовувати інженерний досвід, але машинне навчання може допомогти.

«Машинне навчання та аналіз даних загалом корисні лише на третьому етапі», — сказав він. «Він дуже потужний, тому що має доступ до маси даних і може зрозуміти мільйон крихітних простих речей, які взаємодіють між собою. Тому для людського мозку дуже важко спробувати зрозуміти це, але це легше для комп’ютерної програми. Але у випадках, коли у вас є нова програма, новий матеріал, що гравірується, або нова інтеграція, це не демонструє жодних покращень порівняно з людьми».

Використання ML також стосується виробничих витрат, оскільки на третьому етапі використовуються тисячі пластин — принаймні на порядок більше, ніж на першому та другому етапах.

Барретт Фінч, старший директор групи продуктів Etch у Lam Research, описує пошук нових процесів як перевірку концепції номінального потоку процесу та макета та розробку одного або кількох робочих пристроїв на пластині. Потім цей POC передається групі розробки продукту на фабриці, щоб розширити процес і підвищити врожайність.

«Обсяг роботи, необхідний для перетворення номінального підтвердження концепції в життєздатний продуктивний продукт, часто недооцінюється, і це створює великий розрив у прибутковості», — сказав Фінч. «Моделювання вікон процесу прагне усунути цю прогалину, вводячи варіації фабів на ранніх етапах пошуку шляхів дослідження та розробки». Він припускає, що віртуальні DOE та аналіз на основі Монте-Карло за низкою параметрів процесу тестують POC шляхом моделювання очікуваної мінливості.

«Моделювання вікна процесу може відповісти на запитання: «Який компакт-диск або рівень змінності мені потрібно підтримувати, щоб досягти мінімальної продуктивності та продуктивності пристрою?» Ми завершили тестування віртуального вікна процесу з понад 1 мільйоном віртуальних пластин за кілька днів, що було б неможливо здійснити в реальному житті», – сказав він.

Кілька параметрів впливають на швидкість травлення, профіль і вибірковість. Ключовим є температура. «Наші клієнти бачать вплив термічних ефектів на обробку травлення, оскільки вони контролюють швидкість травлення, селективність і профілі травлення. Усі ці параметри можуть вплинути як на продуктивність пристрою, так і на високу продуктивність», — сказав Бенджамін Вінсент, старший менеджер із розробки процесів напівпровідників та інтеграції Lam Research. Він стверджує, що симуляція може бути особливо корисною, коли крок процесу має кілька можливих конфігурацій (простір процесу великий) або коли результати, що виходять за крок, є дуже непередбачуваними.

«Процес травлення залежить від температури поверхні пластини, яка залежить від кількох теплових потоків, зокрема від теплопровідності, енергії удару іонів, поверхневих реакцій і теплових потоків випромінювання плазми», — сказав Алекс Гермуш, менеджер з маркетингу продуктів Esgee Technologies, a Дослідницька компанія Lam. «У результаті плазмові моделі повинні включати всі ці фізичні особливості, щоб точно відобразити зміни температури на поверхні пластини. Програмне забезпечення для моделювання процесів може моделювати ряд атрибутів травлення, що дозволяє нам швидше отримувати кращий результат травлення та прискорювати здатність замовника нарощувати виробництво або оптимізувати вихід».

Точний час процесу травлення
З більш вузькими геометріями та тоншими плівками необхідно збалансувати швидкість травлення з чудовим контролем інших робочих параметрів.

«Зі скороченням правил проектування багато процесів травлення переходять до дуже швидких етапів процесу плазмового травлення, які вимагають високоточного контролю всіх вхідних реакцій: потужності, тиску, хімії та температури», — сказав Фінч, зазначивши, що існує також тенденція до оптимізованої плазми. пульсуюча поведінка, щоб створити певне співвідношення іонів до нейтрального, а потім змітати побічні продукти. «Розширене моделювання таких умов буде критично важливим для подальшого масштабування пристрою».

Виробники систем травлення вже деякий час використовують програмне забезпечення для моделювання, щоб пришвидшити розробку наступного вузла або підвищення продуктивності. Це не дивно, враховуючи абсолютну складність процесу та всіх його змінних.

«Просто не вистачає часу або пластин для виконання всіх можливих експериментів з процесом під час розробки технологій наступних вузлів», — сказав Фінч. «Кількість комбінацій налаштувань обладнання для травлення може досягати мільйонів або навіть мільярдів, а розробка пластин грубою силою з використанням усіх можливостей процесу просто неможлива».

Звичайно, всі хороші моделі перевіряються на реальних мікросхемах. «Точна модель має бути передбачуваною та вирішувати цільову проблему, яку хоче вирішити користувач», — сказав Фінч. «Кожного разу, коли на основі моделювання було рекомендовано змінити процес або конструкцію, фактичні дані заводу повинні відображати результати рекомендації. У нашому випадку ми змогли точно передбачити вплив змін процесу, використовуючи результати на основі моделі, і швидко вирішити складні проблеми процесу та розробки технологій».

Постачальники інструментів також працюють над вдосконаленими процесами травлення, щоб тісніше інтегрувати лінії та перетворити те, що колись було процесом із двома масками (два кроки літографії), в один для спрощення процесу та зниження витрат.

«Замість того, щоб адаптувати існуюче обладнання, щоб зробити швейцарський армійський ніж ще більш оснащеним, компанії впроваджують технології, які залежать від конкретного застосування, наприклад нові системи для вирішення проблем «від кінчика до кінчика», — сказав Безард. Мета полягає в тому, щоб зробити дві лінії, звернені одна до одної, ближче одна до одної, що наразі включає етап створення візерунка лінії, за яким слід маска вирізу. «Applied Materials та інші запроваджують спосіб прямого травлення в горизонтальному напрямку». Такі процеси також можуть розширюватися через отвори.

Етапи травлення для нанолистових польових транзисторів
Найважливіший гравець входить нанолист Потоки процесу включають травлення фіктивного затвора, травлення анізотропного стовпа, ізотропне травлення спейсера та етап випуску каналу. [1] Травлення профілю через чергування шарів кремнію та SiGe є анізотропним і використовує фторовану хімію. Травлення внутрішньої прокладки (вдавлення) і етап вивільнення каналу оптимізовані для видалення SiGe з надзвичайно низькими втратами кремнію.

Етап випуску каналу є критичним. «Випуск нанолистів вимагає надзвичайно високої селективності», — сказав Безард. «Більшість нанолистів — це кремній, потім кремній-германій і кремній. У вас є шари, що чергуються, і вам потрібно видалити один, взагалі не змінюючи інший». У деяких публікаціях обговорювалося виконання багатоетапного травлення SiGe для зменшення напруги в структурі, спричиненого одним етапом травлення.

Далі в процесі відбувається формування самовирівняних контактів. «Тут ми намагаємося зробити, по суті, травлення діоксиду кремнію, а не торкатися нітриду кремнію і не робити поглиблень у ньому. Поточні характеристики становлять, скажімо, 3 нм виїмки, але люди вимагають нульових втрат», — сказав Безард. «У цьому випадку ми навіть не використовуємо слово вибірковість. Ми просто говоримо про перерву – і при цьому нульову перерву».

3D NAND
для 3D NAND flash, кількість шарів продовжує зростати, що потребує прийняття кількох рівнів стека в майбутньому, зрештою створюючи вертикальні ланцюжки пристроїв стосу. «Крім того, у міру збільшення кількості шарів є багато прагнення до масштабування кроку рядка слова або вертикального/Z-кроку шарів, щоб продовжувати збільшувати щільність бітів», — сказав Роберт Кларк, старший член технічного персоналу та технічний директор в TEL. «З точки зору процесу, процеси травлення та осадження потребуватимуть постійного вдосконалення, щоб пристосуватись до дедалі вищих пропорцій при дедалі менших критичних розмірах, що вимагає постійного масштабування».

Кларк описав майбутні зміни. «Дивлячись на передові вузли пристроїв-уловлювачів заряду з декількома рівнями, розробка стеків воріт буде потрібно для досягнення меншої довжини воріт, більшої кількості рівнів на комірку та покращеної ефективності програмування — потенційно за рахунок використання матеріалів з високим k-сигналом. Ймовірно, для заміни каналів з полікремнію в майбутньому також знадобляться канали з більш високою провідністю», — сказав він.

Одне з найбільш критичних травлень у 3D NAND включає глибоке травлення приблизно 100 нм отворів через багатошарові оксидно-нітридні стеки (200+ шарів), які можуть мати глибину до 10 мкм. Безард з Imec сказав, що цей етап травлення є особливо дорогим.

«У нас є фізичне явище, яке називається ефектом диференціального заряду», — сказав він. «У плазмі є електрони, іони та нейтральні види, щоб багато чого спростити. Електрони рухаються в усіх напрямках, але іони прискорюються перпендикулярно до поверхні. Таким чином, у вас є позитивний заряд на дні отвору і негативні заряди вгорі, і ви отримуєте електричне поле, яке намагається відштовхнути вхідні іони».

Як наслідок, для повного травлення траншеї потрібні високі рівні потужності. «Ми намагаємося підтримувати потужність від 30 до 50 гігават без утворення дуги, тому патрон має бути надзвичайно добре відшліфованим і добре виготовленим», — сказав він.

Глибоке травлення також викликає стреси, які потрібно мінімізувати, особливо тому, що багаторівневе виготовлення NAND згодом потребує потоншення пластини, точного вирівнювання та гібридного з’єднання з наступним рівнем.

Інші процеси
Не всі виробники мікросхем виробляють передові мікросхеми, які вимагають літографії EUV. Багато фабрик розширюють свої 193-нм процеси літографії та травлення.

«У нас є високотемпературний SOC-матеріал, який ми нещодавно почали впроваджувати, який розширює свої можливості формування візерунків і може витримувати вищі температури, незалежно від того, чи використовується він як нижній шар для CVD-шару чи маски», — сказав Брайан Вілбур, директор з диверсифікації напівпровідникової продукції компанії Пивоварна наука.

ЗАЧИНЕНО для найщільніших металевих ліній очікується драматичний перехід від схем подвійної інтеграції дамаску до субтрактивного осадження та травлення інших з’єднань, окрім міді. Тут найбільш ґрунтовно розроблено два метали — рутеній і молібден. Однак молібден, швидше за все, окислюється під час травлення, що робить його більш сумісним із схемами подвійного дамаску. Рутеній є благородним металом, тому він не має тих самих проблем з корозією, але він дорожчий.

Конструкції пристрою також стають нестерпними помилки розміщення країв. За словами Кларка з TEL, будуть потрібні нові схеми для самовирівнювання від шару до шару та між отворами та лініями. «Перші впровадження, ймовірно, стосуватимуться таких речей, як приховані рядки слів у DRAM, і металеві шари MOL з малим кроком для логіки, де є потреба у вищій термічній стабільності, а також меншому питомому опорі або металах без вкладишів».

Розробки нового покоління
У довгостроковій перспективі галузь в ідеалі перейде до базових процесів з нижчим тепловим бюджетом (ближче до 300 °C, ніж 400 °C), щоб інтегрувати пристрої у внутрішні рівні з’єднання.

«Індустрія має справжню потребу в створенні пристроїв на більшій кількості рівнів», — сказав Кларк з TEL. «Це означає, що нам потрібні пристрої пам’яті та логічні пристрої, побудовані в рамках BEOL за тепловими бюджетами BEOL».

Поки що пристрої, виготовлені з використанням напівпровідникових оксидів, здаються багатообіцяючими як для інтеграції пристроїв пам’яті в логічний потік BEOL, так і для створення масивів CMOS поверх масиву пам’яті в DRAM.

Ще один суттєвий зрушення стосується інтеграції 2D-матеріалів, які дослідницькі будинки та провідні виробники мікросхем уже починають тестувати. Розглядаються процеси травлення для таких матеріалів, як дисульфід вольфраму або дисульфід молібдену. Плівки складаються з одного моношару матеріалу, тому розробка виробничих процесів для їх інтеграції надзвичайно складна.

Sustainability
Виробники мікросхем і постачальники матеріалів шукають альтернативні хімічні засоби для зменшення викидів вуглецю. У травленні головними винуватцями є фторовані гази з високим потенціалом глобального потепління.

«Причина, чому у вас є ПФОС (перфтороктансульфонова кислота), яка є проблематичною, полягає в тому, що молекула дуже стабільна», — сказав Безард з imec. «Світла чи хімічних реакцій в атмосфері недостатньо, щоб її зруйнувати».

Він сказав, що ряд альтернативних газових сумішей з більшим вмістом кисню легше дисоціюють і мають нижчий GWP. «Однак будь-який кандидат повинен продемонструвати такі ж хороші або навіть вищі результати, щоб почати».

Але стійкість не є особливою проблемою травлення чи осадження. Це цілісний галузевий виклик від літографії до упаковки, де вплив нового матеріалу впливає на всю обробку пристрою.

Посилання
1. К. Дербішир, «Чим відрізняються транзистори наступного покоління», Напівпровідникова техніка, 20 жовтня 2022 р.

пов'язані Історії
Високоселективне травлення розгортається для мікросхем нового покоління
Виготовлення 3D-конструкцій вимагатиме контролю на атомарному рівні того, що видаляється, а що залишається на пластині.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• Купуйте та продавайте акції компаній, які вийшли на IPO, за допомогою PREIPO®. Доступ тут.
• джерело: https://semiengineering.com/etch-processes-push-toward-higher-selectivity-cost-control/