淺談蝕刻工藝開發(fā)的三個階段

等離子蝕刻可能是半導體制造中最重要的工藝，也可能是僅次于光刻的所有晶圓廠操作中最復雜的工藝。將近一半的晶圓廠步驟依靠等離子體（一種高能電離氣體）來完成工作。

盡管晶體管和存儲單元不斷縮小，工程師們?nèi)栽诶^續(xù)提供可靠的蝕刻工藝。

“為了可持續(xù)地制造具有納米級精度和正確成本結構的芯片，晶圓廠設備制造商需要突破等離子體物理學、材料工程和數(shù)據(jù)科學的界限，以提供所需的設備解決方案，”Lam Research公司的蝕刻產(chǎn)品組營銷副總裁 Thomas Bondur 說。這一點在等離子蝕刻中表現(xiàn)得最為明顯，等離子蝕刻與光刻技術攜手合作，在晶圓上創(chuàng)建精確、可重復的特征。

本文談及了 3D NAND、DRAM、納米片 FET 和互連中的關鍵蝕刻步驟，并展望了 2D 設備和低預算后端處理。該行業(yè)還在尋求更具可持續(xù)性的蝕刻化學品，以減少其工廠的等效而養(yǎng)護毯排放量。

對于許多工具制造商來說，工藝建模在蝕刻工藝開發(fā)中起著舉足輕重的作用。目標是縮短上市時間，同時降低晶圓和掩模成本。

“對一些最棘手的步驟進行蝕刻工藝優(yōu)化可能需要一年或更長時間才能完成，”Lam Research 高級營銷總監(jiān) Barrett Finch 說。“我們最近在三周內(nèi)完成了一些過程模擬工作，如果使用典型的基于硅的測試和開發(fā)，預計需要三個月的時間?！?/p>

光是設備制造商的光罩和晶圓成本，就可能達到數(shù)十萬甚至數(shù)百萬美元。

蝕刻基礎

蝕刻工藝與光刻工藝密切相關。蝕刻之前通常先進行薄膜沉積（通過外延、化學或物理氣相沉積等）。通常，CVD薄膜涂有光刻膠，然后使用光刻（248nm 或 193nm UV、13.5nm EUV）通過圖案化的掩模版（掩模）曝光，光刻作用產(chǎn)生了圖層。在單晶圓等離子蝕刻室中，通常蝕刻化學品和離子轟擊并去除光刻膠沒有反應的CVD 薄膜（在正膠中）。蝕刻后，光刻膠灰化、濕法化學清洗和/或濕法蝕刻去除殘留物。

等離子蝕刻工藝可大致分為電介質(zhì)、硅或?qū)w蝕刻。二氧化硅和氮化硅等電介質(zhì)最好使用氟化氣體蝕刻，而硅和金屬層與氯化學反應最好?；旧洗嬖谌N干法蝕刻模式——反應離子蝕刻（reactive ion etching）、等離子蝕刻（plasma etching）和濺射蝕刻（ sputter etch：ion beam）。蝕刻工藝都是關于化學反應物、等離子體和晶圓材料之間復雜的相互作用。當 RF bias應用于反應性氣體時，電子和帶正電的離子轟擊晶圓以物理去除（蝕刻）材料，同時化學物質(zhì)和自由基與暴露的材料反應形成揮發(fā)性副產(chǎn)物。蝕刻可以是各向同性的（垂直和水平反應相等），

圖1：從 finFET 到 GAA 的過渡推動了關鍵的各向同性選擇性蝕刻要求

蝕刻工程師最關心的指標是蝕刻速率（etch rate）、輪廓控制（profile control）、均勻性（整個晶圓）和蝕刻選擇性（etch selectivity），因為這些會影響良率和生產(chǎn)率。蝕刻選擇性只是您要蝕刻的材料相對于其底層的去除率——例如，硅上的SiO 2 。在蝕刻過程中，不要去除過多的光致抗蝕劑也是有利的。但在這種情況下，通常會先將圖案轉(zhuǎn)移到硬掩模（二氧化硅、氮化硅、SiOC、TiN）上，然后再轉(zhuǎn)移到底層薄膜上。

選擇性規(guī)格從 2:1 到 1,000:1（高選擇性蝕刻）不等。隨著每個新節(jié)點的出現(xiàn)，這些規(guī)范變得更加嚴格?！半S著High NA EUV 在未來四年內(nèi)開始取代常規(guī) EUV，焦點要低得多，所以你不能再曝光厚光刻膠——我指的是 30 納米厚，” imec干法蝕刻研發(fā)工程師 Philippe Bézard 說?！暗闳匀恍枰谙旅鎴D案化相同的薄膜厚度。所以現(xiàn)在你要求更高的選擇性，而不是 2:1，我們必須達到更接近 10:1，這是選擇性突然提高 4 到 5 倍?！?/p>

從概念驗證 (POC：proof of concept) 到大批量制造 (HVM)

Bézard描述了蝕刻工藝開發(fā)的三個階段：

確定執(zhí)行蝕刻所需的蝕刻機、氣體、輔助層等；

展示在規(guī)格范圍內(nèi)完全去除薄膜的性能，并在一個晶圓上保持工藝均勻性；

確定如何在 HVM 中以高產(chǎn)量和小漂移在數(shù)千個晶圓上重復該過程；

通常，熟練的蝕刻和集成工程師會處理開發(fā)的前兩個階段。第三階段可能會再次利用工程專業(yè)知識，但機器學習可以提供幫助。

“一般來說，機器學習和數(shù)據(jù)分析只在第三階段有用，”他說?！八浅姶螅驗樗梢栽L問大量數(shù)據(jù)，并且可以理解一百萬個相互作用的微小、簡單的事物。因此，對于人腦來說，試圖解決這個問題非常困難，但對于計算機程序而言，它更易于管理。但如果你有一個新的應用程序、新的蝕刻材料或新的集成，它并沒有顯示出比人類有任何改進?！?/p>

ML 的使用還與制造成本有關，因為在第三階段使用了數(shù)千個晶圓——至少比第一和第二階段使用的晶圓大一個數(shù)量級。

Lam Research 蝕刻產(chǎn)品組高級總監(jiān) Barrett Finch 將新工藝探索描述為從標稱工藝流程和布局中進行概念驗證，并在晶圓上開發(fā)一個或多個工作設備。然后將該 POC 轉(zhuǎn)移到晶圓廠的產(chǎn)品開發(fā)團隊，以擴大流程并提高良率。

Finch說：“將名義上的概念驗證轉(zhuǎn)變?yōu)榭尚械母呤找娈a(chǎn)品所需的工作量往往被低估，這與盈利能力存在巨大差距?！薄肮に嚧翱诮Ｔ噲D通過在研發(fā)尋路的早期階段引入工廠變化來縮小這一差距?！?他建議虛擬 DOE 和基于 Monte Carlo 的分析跨多個過程參數(shù)，通過模擬預期的可變性來測試 POC。

“工藝窗口建模可以回答這個問題，我必須保持什么樣的 CD 或可變性水平才能達到最低設備性能和良率？'我們已經(jīng)在幾天內(nèi)完成了超過 100 萬個虛擬晶圓的虛擬工藝窗口測試，這在現(xiàn)實生活中是不可能完成的，”他說。

多個參數(shù)影響蝕刻速率（rate）、輪廓（profile）和選擇性（selectivity）。一個關鍵是溫度?！拔覀兊目蛻粼诳刂莆g刻速率、選擇性和蝕刻輪廓時看到了熱效應對蝕刻加工的影響。Lam Research 半導體工藝和集成工程高級經(jīng)理 Benjamin Vincent 表示，所有這些參數(shù)都會影響器件產(chǎn)量和晶圓廠生產(chǎn)率。他認為，當一個工藝步驟具有多種可能的配置（工藝空間很大），或者該步驟的下游結果高度不可預測時，模擬可能特別有用。

Esgee Technologies 的產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Alex Guermouche 表示：“蝕刻工藝依賴于晶圓的表面溫度，而這又取決于多種熱通量——包括熱傳導、離子碰撞能量、表面反應和等離子體輻射熱通量?！薄耙虼耍入x子體模型需要結合所有這些物理特征，以準確描述晶圓表面的溫度變化。工藝模擬軟件可以對一系列蝕刻屬性進行建模，使我們能夠更快地獲得更好的蝕刻結果，并加快客戶提高產(chǎn)量或優(yōu)化產(chǎn)量的能力。”

蝕刻工藝的精確計時

對于更緊密的幾何形狀和更薄的薄膜，需要在蝕刻速率與對其他操作參數(shù)的良好控制之間取得平衡。

“隨著設計規(guī)則的縮小，許多蝕刻工藝正在轉(zhuǎn)向非常快速的等離子體蝕刻工藝步驟，這需要對所有反應輸入進行高度精確的控制：功率、壓力、化學和溫度，”Finch 說，并指出優(yōu)化等離子體的趨勢脈沖行為產(chǎn)生特定的離子與中性比，然后清除副產(chǎn)物?！按祟悧l件的高級建模對于實現(xiàn)進一步的設備縮放至關重要?！?/p>

一段時間以來，蝕刻系統(tǒng)制造商一直在使用建模軟件來加快下一個節(jié)點的開發(fā)或提高產(chǎn)量。考慮到該過程及其所有變量的絕對復雜性，這并不奇怪。

“在開發(fā)下一節(jié)點技術時，根本沒有足夠的時間或足夠的晶圓來執(zhí)行所有可能的工藝實驗，”Finch 說。“蝕刻設備設置組合的數(shù)量可能達到數(shù)百萬，甚至數(shù)十億，使用所有工藝可能性的強力晶圓開發(fā)是根本不可能的。”

當然，所有好的模型都是在實際芯片上驗證的?！耙粋€準確的模型應該具有預測性，它應該解決用戶想要解決的目標問題，”Finch說?！懊看胃鶕?jù)模擬工作推薦工藝或設計變更時，實際的晶圓廠數(shù)據(jù)應該反映推薦的結果。在我們的案例中，我們已經(jīng)能夠使用基于模型的結果準確預測流程變化的影響，并快速解決困難的流程和技術開發(fā)問題?！?/p>

工具供應商還致力于先進的蝕刻工藝，以更緊密地集成生產(chǎn)線，并將曾經(jīng)的雙掩模級工藝（兩個光刻步驟）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€工藝，以簡化工藝并降低成本。

Bézard 說：“公司沒有采用現(xiàn)有的硬件來讓瑞士軍刀裝備得更好，而是引入了特定于應用程序的技術，例如解決尖端問題的新系統(tǒng)?！?目的是使彼此面對的兩條線靠得更近，目前這涉及線圖案化步驟，然后是切割掩模?！皯貌牧瞎竞推渌菊谕瞥龅氖且环N在水平方向上直接蝕刻的方法?！?這樣的過程也可以加寬通孔。

納米片 FET 的蝕刻步驟

納米片工藝流程中最關鍵的蝕刻步驟包括虛擬柵極蝕刻、各向異性柱蝕刻、各向同性間隔蝕刻和通道釋放步驟。通過硅和 SiGe 交替層的剖面蝕刻是各向異性的，并使用氟化化學。優(yōu)化內(nèi)部間隔蝕刻（壓痕）和通道釋放步驟，以極低的硅損失去除 SiGe。

溝道釋放步驟至關重要。“納米片的釋放需要極高的選擇性，”Bézard 說?！按蠖鄶?shù)納米片是硅，然后是硅鍺和硅。你有交替層，你需要刪除一個而不修改另一個。” 一些出版物已經(jīng)討論了執(zhí)行多步驟 SiGe 蝕刻以減少由單個蝕刻步驟引起的結構應力。

該制程的下一步是形成自對準觸點?！霸谶@里，我們試圖做的基本上是蝕刻二氧化硅，而不是接觸或凹陷氮化硅。比方說，目前的規(guī)格是 3nm 凹陷，但人們要求零損失，”Bézard 說?！霸谶@種情況下，我們甚至沒有使用選擇性這個詞。我們只是談論休會（recess）——而且是零休會（zero recess）。”

3D NAND

對于3D NAND閃存，層數(shù)不斷增加，未來需要采用多個堆疊層，最終創(chuàng)建堆疊設備的垂直串?！按送猓S著層數(shù)的增加，為了繼續(xù)增加位密度，有很大的動力來縮放層的字線間距或垂直/Z 間距，”TEL的技術總監(jiān)和高級技術人員 Robert Clark說?！皬墓に嚨慕嵌葋砜矗g刻和沉積工藝將需要不斷改進，以適應持續(xù)縮放所需的越來越小的關鍵尺寸和越來越高的縱橫比?！?/p>

Clark描述了未來的變化?！爸塾诙鄬与姾上葳迤骷南冗M節(jié)點，需要對柵極堆疊進行工程設計，以實現(xiàn)更短的柵極長度、每個單元更多的電平和更高的編程效率——可能通過采用高 k 材料。未來也可能需要更高導電率的通道來取代多晶硅通道，”他說。

3D NAND 中最關鍵的蝕刻之一涉及通過多層氧化物-氮化物堆棧（200 層以上）深度蝕刻約 100 納米的孔，深度可達 10 微米。Imec 的 Bézard 說這個蝕刻步驟特別昂貴。

“我們有一種物理現(xiàn)象發(fā)生，稱為差異充電效應（ differential charging effect），”他說?！霸诘入x子體中，我們有電子、離子和中性物質(zhì)可以簡化很多。電子向各個方向移動，但離子垂直于表面加速。所以你在孔的底部有正電荷，在頂部有負電荷，你會得到一個試圖排斥進入的離子的電場?！?/p>

結果，需要高功率水平來完全蝕刻溝槽?！拔覀冋噲D在沒有電弧的情況下維持 30 到 50 gigawatts的功率，因此卡盤必須經(jīng)過極好的拋光和制造，”他說。

深蝕刻還會產(chǎn)生需要最小化的應力，特別是因為多層 NAND 制造隨后需要晶圓減薄、精確對準和與下一層的混合鍵合。

其他工藝

并非所有芯片制造商都生產(chǎn)需要 EUV 光刻的尖端芯片。許多晶圓廠正在擴展其 193 納米光刻和蝕刻工藝。

“我們有一種最近開始推出的高溫 SOC 材料，它可以擴展其圖案化能力并能承受更高的溫度，無論它是用作 CVD 層還是掩模的底層，”Brewer Science半導體產(chǎn)品多元化總監(jiān) Brian Wilbur 說。

預計最緊密金屬線的BEOL將經(jīng)歷從雙鑲嵌集成方案到除銅以外互連的減法沉積和蝕刻的巨大轉(zhuǎn)變。在這里，兩種金屬——釕和鉬——得到了最徹底的開發(fā)。然而，鉬在蝕刻過程中更容易氧化，使其更適合雙鑲嵌方案。釕是一種貴金屬，因此不存在同樣的腐蝕問題，但成本更高。

設備結構也變得不能容忍邊緣放置錯誤。據(jù) TEL 的 Clark 稱，將需要新的層與層之間以及通孔和線路之間的自對準方案。“第一個實施可能是用于 DRAM 中的埋字線，以及用于邏輯的小間距 MOL 金屬層，這些地方需要更高的熱穩(wěn)定性以及更低的電阻率或無襯墊金屬。”

下一代發(fā)展

從長遠來看，該行業(yè)理想情況下將過渡到較低熱預算的后端工藝（接近 300°C 而不是 400°C），以便將設備集成到后端互連層中。

“該行業(yè)確實需要開始將設備構建到更多層中，”TEL 的Clark說。“這意味著我們需要在 BEOL 熱預算內(nèi)在 BEOL 內(nèi)構建內(nèi)存和邏輯設備?！?/p>

到目前為止，使用半導體氧化物制造的設備看起來很有前途，既可以用于將存儲設備集成到邏輯 BEOL 流程中，也可以用于在 DRAM 的存儲陣列之上構建 CMOS 陣列。

另一個重大轉(zhuǎn)變涉及二維材料的集成，研究機構和領先的芯片制造商已經(jīng)開始對其進行測試。正在考慮對二硫化鎢或二硫化鉬等材料進行蝕刻工藝。這些薄膜由單層材料組成，因此開發(fā)集成它們的制造工藝極具挑戰(zhàn)性。

可持續(xù)性

芯片制造商和材料供應商正在尋求替代化學品以減少碳排放。在蝕刻中，罪魁禍首是具有高全球變暖潛能值的氟化氣體。

“有問題的 PFOS（全氟辛烷磺酸）的一個原因是因為分子非常穩(wěn)定，”imec 的 Bézard 說?！按髿庵械墓饣蚧瘜W反應不足以分解它。”他說，許多含氧量較高的替代氣體混合物更容易分解，并且具有較低的 GWP。“然而，任何候選人都必須提供同樣好的甚至更高的表現(xiàn)才能開始?！?/p>

但可持續(xù)性并不是蝕刻或沉積的特別挑戰(zhàn)。這是從光刻到封裝的整體行業(yè)挑戰(zhàn)，其中新材料的影響影響整個設備處理。

編輯：黃飛