Das Plasmaätzen ist möglicherweise der kritischste Prozess in der Halbleiterherstellung und kann nach der Lithographie auch einer der komplexesten Vorgänge in allen Waferherstellungsprozessen sein. Fast die Hälfte der Wafer-Herstellungsschritte beruht zur Erfüllung ihrer Aufgaben auf Plasma, einem hochenergetischen ionisierten Gas.

Trotz der kontinuierlichen Schrumpfung von Transistoren und Speichereinheiten arbeiten Ingenieure immer noch daran, zuverlässige Ätzprozesse bereitzustellen.

Thomas Bondur, Vizepräsident für Marketing der Etch-Produktgruppe von Lam Research, erklärte: „Um Chips mit Präzision im Nanometerbereich und korrekten Strukturen nachhaltig herzustellen, müssen Gerätehersteller für Halbleiterfabriken die Grenzen der Plasmaphysik, Materialtechnik und Technologie durchbrechen. und Datenwissenschaft, um die erforderlichen Ausrüstungslösungen bereitzustellen.' Dies zeigt sich besonders deutlich beim Plasmaätzen, das Hand in Hand mit der Lithographie arbeitet, um präzise und wiederholbare Merkmale auf Wafern zu erzeugen.

Dieser Bericht untersucht die wichtigsten Ätzschritte in 3D-NAND, DRAM, Nanosheet-FET und Verbindungen und wirft auch einen Blick in die Zukunft auf 2D-Geräte und Backend-Verarbeitung. Die Branche strebt auch nach nachhaltigeren Ätzchemikalien, um die entsprechenden Kohlendioxidemissionen ihrer Waferfabriken zu reduzieren.

Für viele Werkzeughersteller spielt die Prozessmodellierung eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Ätzprozessen. Ziel ist es, die Markteinführungszeit zu verkürzen und gleichzeitig die Wafer- und Maskenkosten zu senken.

Barrett Finch, Senior Director of Marketing bei Lam Research, sagte: „Die Optimierung des Ätzprozesses für einige der anspruchsvollsten Schritte kann ein Jahr oder länger dauern.“ „Wir haben kürzlich einige Prozesssimulationen innerhalb von drei Wochen abgeschlossen, was bei typischen Tests und Entwicklungen auf Siliziumbasis voraussichtlich drei Monate dauern würde.“

Allein im Hinblick auf die Masken- und Waferkosten können sich diese für Gerätehersteller auf Hunderttausende oder sogar Millionen Dollar belaufen.

Grundlagen des Radierens

Bei der Halbleiterfertigung wirken Ätzverfahren und Lithografietechniken zusammen. Das Ätzen wird typischerweise vor der Abscheidung dünner Filme durchgeführt (durch Epitaxie, chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung usw.). Im Allgemeinen wird ein CVD-Film mit einem Fotolack beschichtet und dann wird optische Lithographie (248 nm oder 193 nm UV, 13.5 nm EUV) verwendet, um das Muster durch eine Fotomaske zu belichten. Anschließend wird der Resist entwickelt, um das Muster sichtbar zu machen. In einer Einzelwafer-Plasmaätzkammer werden typischerweise Ätzchemikalien und Ionenbeschuss verwendet, um den CVD-Film zu entfernen, wobei die Fotolackmaske als Führung dient (bei Positivlacken). Nach dem Ätzen wird der Resist verascht, gefolgt von einer nasschemischen Reinigung und/oder Nassätzung zur Entfernung von Rückständen.

Plasmaätzverfahren können grob in Dielektrikum-, Silizium- oder Leiterätzen eingeteilt werden. Dielektrika wie Siliziumdioxid und Siliziumnitrid lassen sich am besten mit Gasen auf Fluorbasis ätzen, während Silizium- und Metallschichten am besten mit Chlor reagieren. Grundsätzlich gibt es drei Trockenätzmodi: reaktives Ionenätzen, Plasmaätzen und Sputterätzen (Ionenstrahl). Ätzprozesse beinhalten komplexe Wechselwirkungen zwischen den reaktiven Spezies, dem Plasma und den Chipmaterialien. Wenn eine HF-Vorspannung an das reaktive Gas angelegt wird, entfernen (ätzen) Elektronen und positiv geladene Ionen physikalisch Material durch Bombardierung, während die chemischen Spezies und Radikale mit freiliegenden Materialien reagieren und flüchtige Nebenprodukte bilden. Das Ätzen kann isotrop (gleiche vertikale und laterale Reaktionsraten), anisotrop (nur vertikal) oder etwas dazwischen erfolgen.

Abbildung 1: Der Übergang von FinFET zu GAA führt zu einem dringenden Bedarf an isotropem selektivem Ätzen. Quelle: Lam Research.

Die wichtigsten Kennzahlen, die den Ätzingenieuren am meisten am Herzen liegen, sind Ätzrate, Profilkontrolle, Gleichmäßigkeit (über den gesamten Wafer) und Ätzselektivität, da diese Faktoren Ausbeute und Produktivität beeinflussen. Die Ätzselektivität bezieht sich auf die Abtragsrate des zu ätzenden Materials im Vergleich zu seiner darunter liegenden Schicht, wie z. B. SiO2 auf Silizium. Es ist außerdem vorteilhaft, während des Ätzvorgangs nicht zu viel Fotolack zu entfernen. In solchen Fällen wird es jedoch typischerweise auf eine Hartmaske (Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, SiOC, TiN) übertragen, bevor das Muster auf den darunter liegenden Film übertragen wird.
Die selektiven Spezifikationen reichen von 2:1 bis 1000:1 (hochselektives Ätzen). Mit jedem neuen Knoten werden diese Spezifikationen strenger. Philippe Bézard, Forschungs- und Entwicklungsingenieur für Trockenätzen bei imec, sagte: „Wenn EUV mit hoher numerischer Apertur in den nächsten vier Jahren das konventionelle EUV ersetzt, wird der Fokus viel niedriger sein, sodass dicke Fotolacke – mit dick meine ich 30 Nanometer – nicht mehr belichtet werden können.“ „Aber Sie müssen immer noch die gleiche Schichtdicke darunter strukturieren. Daher ist jetzt eine höhere Selektivität erforderlich, da wir 10:1 statt 2:1 erreichen müssen, was einer plötzlichen Steigerung der Selektivität um das Vier- bis Fünffache entspricht.“

Fortsetzung folgt...