Selektivität und Kostenkontrolle bei Ätzprozessen

Vom Proof of Concept (POC) zur High Volume Manufacturing (HVM)

Bézard beschrieb drei Phasen der Entwicklung der Ätztechnik:

1. Bestimmung des zum Ätzen benötigten Ätzmittels, Gases und Hilfsschichten.

2. Nachweis der Fähigkeit, Filme innerhalb des angegebenen Bereichs vollständig zu entfernen und eine Gleichmäßigkeit auf einem Wafer zu erreichen.

3. Bestimmen, wie der Prozess bei Tausenden von Chips in der Großserienfertigung (HVM) mit hoher Ausbeute und geringer Drift wiederholt werden kann.

Normalerweise kümmern sich erfahrene Ätz- und Integrationsingenieure um die ersten beiden Entwicklungsphasen. Die dritte Stufe erfordert technisches Fachwissen, maschinelles Lernen kann jedoch hilfreich sein.

„Maschinelles Lernen und Datenanalyse sind typischerweise erst in der dritten Stufe nützlich“, sagte Bézard. „Es ist sehr leistungsfähig, weil es auf große Datenmengen zugreifen und Millionen winziger und einfacher Interaktionen verstehen kann. Daher ist es für das menschliche Gehirn sehr schwer zu verstehen, für Computerprogramme jedoch einfacher zu verwalten Bei neuen Anwendungen, dem Ätzen neuer Materialien oder neuen Integrationsszenarien hat es keine Verbesserung gegenüber Menschen gezeigt.“

Der Einsatz von maschinellem Lernen hängt auch mit den Herstellungskosten zusammen, da die dritte Stufe Tausende von Wafern umfasst, was eine Größenordnung mehr ist als die Anzahl, die in der ersten und zweiten Stufe verwendet wurde.

Barrett Finch, Senior Director der Etch Product Group bei Lam Research, beschrieb den neuen Prozesspfad als die Erlangung einer Konzeptvalidierung anhand des nominalen Prozessablaufs und -layouts sowie die Entwicklung eines oder mehrerer Arbeitsgeräte auf einem Wafer. Dieser Proof of Concept (POC) wird dann an das Produktentwicklungsteam in der Waferfabrik übertragen, um den Prozess zu skalieren und die Ausbeute zu steigern.

Finch sagte: „Der Arbeitsaufwand, der erforderlich ist, um die nominale Konzeptverifizierung in profitable, umsatzgenerierende Produkte umzuwandeln, wird oft unterschätzt, was zu einer erheblichen Rentabilitätslücke führt. Die Prozessfenstermodellierung versucht, diese Lücke zu schließen, indem sie Fab-Variationen in den frühen Entwicklungsstadien einführt.“ Wegfindung." Er schlug vor, dass virtuelle Versuchsplanung (DOE) und Monte-Carlo-basierte Multiparameteranalyse verwendet werden können, um erwartete Änderungen zu simulieren und den POC zu testen.

Finch fügte hinzu: „Die Prozessfenstermodellierung kann Fragen beantworten wie: ‚Wie viel CD oder Variabilität muss ich einhalten, um die niedrigste Geräteleistung und -ausbeute zu erzielen?‘ Wir haben innerhalb weniger Tage Simulationen von über einer Million virtuellen Wafern für Prozessfenstertests abgeschlossen, was im wirklichen Leben unmöglich zu erreichen ist.“

Mehrere Parameter beeinflussen Ätzrate, Profil und Selektivität. Ein Schlüsselfaktor ist die Temperatur. Benjamin Vincent, Senior Manager of Semiconductor Process and Integration Engineering bei Lam Research, erklärte, dass Kunden die Auswirkungen thermischer Effekte auf Ätzgeschwindigkeit, Selektivität und Profil beobachten können. Alle diese Parameter wirken sich auf die Geräteausbeute und die Produktivität der Waferfertigung aus. Er glaubt, dass Simulation besonders nützlich sein kann, wenn ein Prozessschritt mehrere mögliche Konfigurationen hat (ein großer Prozessraum) oder wenn nachgelagerte Ergebnisse dieses Schritts höchst unvorhersehbar sind.

Alex Guermouche, Produktmarketingmanager bei Esgee Technologies, einer Tochtergesellschaft von Lam Research, sagte: „Der Ätzprozess hängt von der Oberflächentemperatur des Chips ab, die durch verschiedene Wärmeströme beeinflusst wird, darunter Wärmeleitung, Ionenaufprallenergie, Oberflächenreaktionen und Plasmastrahlung.“ Wärmefluss." Er erklärte weiter: „Daher muss ein Plasmamodell alle diese physikalischen Eigenschaften berücksichtigen, um die Temperaturschwankung auf der Chipoberfläche genau zu beschreiben.“ Prozesssimulationssoftware ermöglicht es uns, eine Reihe von Ätzattributen zu modellieren, sodass wir schneller und besser bessere Ätzergebnisse erzielen können Wir beschleunigen die Fähigkeit unserer Kunden, den Produktionsertrag zu steigern oder zu optimieren.“

Erzielung eines präzisen Timings im Ätzprozess

Für engere Geometrien und dünnere Filme ist ein Gleichgewicht zwischen Ätzrate und guter Kontrolle über andere Betriebsparameter erforderlich.

Finch erklärte: „Da die Designregeln schrumpfen, gehen viele Ätzprozesse zu sehr schnellen Plasmaätzprozessschritten über, die eine hochpräzise Steuerung aller Reaktionseingänge erfordern: Leistung, Druck, Chemie und Temperatur.“ Er stellte fest, dass es auch einen Trend zur Optimierung des Plasmapulsverhaltens gibt, bei dem bestimmte Ionen-zu-Neutral-Verhältnisse erzeugt und dann die Nebenprodukte entfernt werden. „Eine fortgeschrittene Modellierung dieses Szenarios ist für die weitere Skalierung der Ausrüstung von entscheidender Bedeutung.“

Hersteller von Ätzsystemen nutzen bereits seit einiger Zeit Modellierungssoftware, um die Entwicklung des nächsten Knotens zu beschleunigen oder die Produktionsausbeute zu steigern. Angesichts der Komplexität dieses Prozesses und all seiner Variablen ist dies nicht überraschend.

Finch sagte: „Während der Entwicklung der Next-Node-Technologie gibt es einfach nicht genug Zeit oder genügend Wafer, um alle möglichen Prozessexperimente durchzuführen.“ „Die Anzahl der Ätzgerätekonfigurationen kann Millionen oder sogar Milliarden betragen, was eine vollständige Waferentwicklung mit allen Prozessmöglichkeiten unmöglich macht.“

Natürlich werden alle guten Modelle auf tatsächlichen Chips validiert. Finch sagte: „Ein gutes Modell sollte prädiktiv sein und spezifische Probleme ansprechen, die Benutzer gelöst haben möchten.“ „Tatsächliche Fabrikdaten sollten jedes Mal empfohlene Ergebnisse widerspiegeln, wenn eine Prozess- oder Designänderung auf der Grundlage simulierter Arbeiten empfohlen wird. In unserem Fall konnten wir die Auswirkungen von Prozessänderungen mithilfe modellbasierter Ergebnisse genau vorhersagen und schwierige Prozess- und Technologieentwicklungen schnell lösen.“ Probleme."

Auch Werkzeuglieferanten entwickeln fortschrittliche Ätzprozesse, um ihre Produktionslinien enger zu integrieren und Zwei-Masken-Level-Prozesse (zwei Lithographieschritte) in einen Prozess umzuwandeln, wodurch der Prozess vereinfacht und die Kosten gesenkt werden.

Bézard sagte: „Unternehmen haben nicht bestehende Hardware nachgerüstet, um Schweizer Taschenmesser anspruchsvoller zu machen, sondern haben Technologien eingeführt, die auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind, wie zum Beispiel neue Systeme zur Lösung modernster Probleme.“ Ziel ist es, die beiden einander zugewandten Linien näher zusammenzubringen, was derzeit einen Schritt zur Linienmusterung und anschließend eine Schnittmaske erfordert. „Was Applied Materials und andere einführen, ist eine Methode des direkten Ätzens in horizontaler Richtung.“ Durch diesen Vorgang können auch Durchgangslöcher vergrößert werden.

Fortsetzung folgt...