Selectividad y control de costes en los procesos de grabado

El grabado con plasma puede ser el proceso más crítico en la fabricación de semiconductores y también puede ser una de las operaciones más complejas en todos los procesos de fabricación de obleas, solo superada por la litografía. Casi la mitad de los pasos de fabricación de obleas dependen del plasma, un gas ionizado de alta energía, para realizar sus tareas.

A pesar de la continua reducción de transistores y unidades de almacenamiento, los ingenieros todavía están trabajando para proporcionar procesos de grabado confiables.

Thomas Bondur, vicepresidente de marketing del grupo de productos Etch de Lam Research, afirmó: "Para fabricar de forma sostenible chips con precisión de nivel nanométrico y estructuras correctas, los fabricantes de equipos para fábricas de semiconductores deben traspasar los límites de la física del plasma, la ingeniería de materiales, y ciencia de datos para proporcionar las soluciones de equipos requeridas.' Esto es especialmente evidente en el grabado con plasma, que trabaja de la mano con la litografía para crear características precisas y repetibles en las obleas.

Este informe examina los pasos clave de grabado en 3D NAND, DRAM, nanosheet FET e interconexiones, y también analiza los dispositivos 2D y el procesamiento backend. La industria también está buscando químicos de grabado más sostenibles para reducir las emisiones equivalentes de dióxido de carbono de sus fábricas de obleas.

Para muchos fabricantes de herramientas, el modelado de procesos desempeña un papel fundamental en el desarrollo del proceso de grabado. El objetivo es acortar el tiempo de comercialización y al mismo tiempo reducir los costos de obleas y máscaras.

Barrett Finch, director sénior de marketing de Lam Research, afirmó: 'La optimización del proceso de grabado para algunos de los pasos más desafiantes puede tardar un año o más en completarse. Recientemente completamos algunas simulaciones de procesos en tres semanas, lo que se esperaba que llevara tres meses utilizando pruebas y desarrollo típicos basados en silicio.'

Solo en términos de costos de máscaras y obleas, esto puede ascender a cientos de miles o incluso millones de dólares para los fabricantes de equipos.

Conceptos básicos de grabado

Los procesos de grabado y las técnicas de litografía funcionan juntos en la fabricación de semiconductores. El grabado normalmente se realiza antes de la deposición de películas delgadas (mediante epitaxia, deposición de vapor química o física, etc.). Generalmente, una película CVD se recubre con un fotoprotector y luego se utiliza litografía óptica (248 nm o 193 nm UV, 13.5 nm EUV) para exponer el patrón a través de una fotomáscara. Luego se desarrolla la resistencia para revelar el patrón. En una cámara de grabado con plasma de una sola oblea, normalmente se utilizan productos químicos de grabado y bombardeo de iones para eliminar la película CVD con la máscara fotorresistente como guía (en resistencias de tono positivo). Después del grabado, la resistencia se quema, seguido de una limpieza química húmeda y/o un grabado húmedo para eliminar los residuos.

Los procesos de grabado con plasma se pueden clasificar a grandes rasgos en grabado dieléctrico, de silicio o de conductores. Los dieléctricos como el dióxido de silicio y el nitruro de silicio se graban mejor con gases a base de flúor, mientras que las capas de silicio y metal reaccionan mejor con cloro. Básicamente, existen tres modos de grabado en seco: grabado con iones reactivos, grabado con plasma y grabado por pulverización (haz de iones). Los procesos de grabado implican interacciones complejas entre las especies reactivas, el plasma y los materiales del chip. Cuando se aplica una polarización de RF al gas reactivo, los electrones y los iones cargados positivamente eliminan físicamente (graban) el material mediante bombardeo, mientras que las especies químicas y los radicales reaccionan con los materiales expuestos para formar subproductos volátiles. El grabado puede ser isotrópico (velocidad de reacción vertical y lateral igual), anisotrópico (solo vertical) o algo intermedio.

Figura 1: La transición de finFET a GAA impulsa la necesidad crítica de grabado selectivo isotrópico. Fuente: Investigación Lam.

Las métricas clave que más preocupan a los ingenieros de grabado son la tasa de grabado, el control del perfil, la uniformidad (en toda la oblea) y la selectividad del grabado, ya que estos factores afectan el rendimiento y la productividad. La selectividad del grabado se refiere a la tasa de eliminación del material que se está grabando en comparación con su capa subyacente, como el SiO2 sobre silicio. También es ventajoso no eliminar el exceso de fotorresistente durante el proceso de grabado. Sin embargo, en tales casos, normalmente se transfiere a una máscara dura (dióxido de silicio, nitruro de silicio, SiOC, TiN) antes de transferir el patrón a la película subyacente.
Las especificaciones selectivas varían de 2:1 a 1000:1 (grabado altamente selectivo). Con cada nuevo nodo, estas especificaciones se vuelven más estrictas. Philippe Bézard, ingeniero de I+D de grabado en seco en imec, afirmó: «Con la sustitución del EUV convencional por el EUV de alta apertura numérica en los próximos cuatro años, el enfoque será mucho menor, por lo que ya no se podrán exponer fotorresistentes gruesos; cuando digo gruesos, me refiero a 30 nanómetros». «Pero aún es necesario modelar con el mismo espesor de película subyacente. Por lo tanto, ahora se requiere una mayor selectividad, ya que debemos lograr 10:1 en lugar de 2:1, lo que supone un aumento repentino de la selectividad de 4 a 5 veces.

Continuará...