Selektivitas dan Pengendalian Biaya dalam Proses Etching

Pengetsaan plasma mungkin merupakan proses paling penting dalam pembuatan semikonduktor, dan juga dapat menjadi salah satu operasi paling rumit dalam semua proses fabrikasi wafer, nomor dua setelah litografi. Hampir separuh langkah pembuatan wafer bergantung pada plasma, gas terionisasi berenergi tinggi, untuk melakukan tugasnya.

Meskipun transistor dan unit penyimpanan terus menyusut, para insinyur masih berupaya menyediakan proses etsa yang andal.

Thomas Bondur, Wakil Presiden Pemasaran Grup Produk Etch Lam Research, menyatakan, 'Untuk memproduksi chip secara berkelanjutan dengan presisi tingkat nanometer dan struktur yang benar, produsen peralatan untuk pabrik semikonduktor perlu menerobos batas-batas fisika plasma, teknik material, dan ilmu data untuk menyediakan solusi peralatan yang dibutuhkan.' Hal ini terutama terlihat pada etsa plasma, yang bekerja sama dengan litografi untuk menciptakan fitur yang presisi dan berulang pada wafer.

Laporan ini membahas langkah-langkah pengetsaan utama dalam 3D NAND, DRAM, nanosheet FET, dan interkoneksi, serta melihat ke depan pada perangkat 2D dan pemrosesan backend. Industri ini juga mengupayakan kimia etsa yang lebih berkelanjutan untuk mengurangi emisi karbon dioksida yang setara dari pabrik wafer mereka.

Bagi banyak produsen alat, pemodelan proses memainkan peran penting dalam pengembangan proses etsa. Tujuannya adalah mempersingkat waktu pemasaran sekaligus mengurangi biaya wafer dan masker.

Barrett Finch, Direktur Senior Pemasaran di Lam Research, mengatakan, 'Mengoptimalkan proses etsa untuk beberapa langkah yang paling menantang dapat memerlukan waktu satu tahun atau lebih untuk diselesaikan. Kami baru-baru ini menyelesaikan beberapa simulasi proses dalam waktu tiga minggu, yang diperkirakan memakan waktu tiga bulan dengan menggunakan pengujian dan pengembangan berbasis silikon.'

Dari segi biaya masker dan wafer saja, biayanya bisa mencapai ratusan ribu atau bahkan jutaan dolar bagi produsen peralatan.

Dasar-dasar Pengetsaan

Proses etsa dan teknik litografi bekerja sama dalam pembuatan semikonduktor. Etsa biasanya dilakukan sebelum deposisi film tipis (melalui epitaksi, deposisi uap kimia atau fisik, dll.). Umumnya, film CVD dilapisi dengan photoresist, dan kemudian litografi optik (248nm atau 193nm UV, 13.5nm EUV) digunakan untuk mengekspos pola melalui photomask. Resistansi tersebut kemudian dikembangkan untuk mengungkap polanya. Dalam ruang etsa plasma wafer tunggal, bahan kimia etsa dan bombardir ion biasanya digunakan untuk menghilangkan film CVD dengan masker photoresist sebagai panduan (dalam resistan nada positif). Setelah etsa, bahan tahan tersebut dijadikan abu, diikuti dengan pembersihan kimia basah dan/atau etsa basah untuk menghilangkan residu.

Proses etsa plasma secara kasar dapat dikategorikan menjadi etsa dielektrik, silikon, atau konduktor. Dielektrik seperti silikon dioksida dan silikon nitrida paling baik digores menggunakan gas berbasis fluor, sedangkan lapisan silikon dan logam bereaksi paling baik dengan klorin. Pada dasarnya ada tiga mode etsa kering - etsa ion reaktif, etsa plasma, dan etsa sputter (berkas ion). Proses etsa melibatkan interaksi kompleks antara spesies reaktif, plasma, dan bahan chip. Ketika bias RF diterapkan pada gas reaktif, elektron dan ion bermuatan positif secara fisik menghilangkan (menggores) material melalui bombardir, sementara spesies kimia dan radikal bereaksi dengan material yang terpapar untuk membentuk produk sampingan yang mudah menguap. Pengetsaan dapat bersifat isotropik (kecepatan reaksi vertikal dan lateral sama), anisotropik (hanya vertikal), atau keduanya.

Gambar 1: Transisi dari finFET ke GAA mendorong kebutuhan kritis akan etsa selektif isotropik. Sumber: Penelitian Lam.

Metrik utama yang paling diperhatikan oleh para insinyur etsa adalah kecepatan etsa, kontrol profil, keseragaman (di seluruh wafer), dan selektivitas etsa, karena faktor-faktor ini memengaruhi hasil dan produktivitas. Selektivitas etsa mengacu pada laju penghilangan bahan yang akan digores dibandingkan dengan lapisan di bawahnya, seperti SiO2 pada silikon. Hal ini juga menguntungkan untuk tidak menghilangkan photoresist yang berlebihan selama proses etsa. Namun, dalam kasus seperti itu, biasanya ditransfer ke masker keras (silikon dioksida, silikon nitrida, SiOC, TiN) sebelum mentransfer polanya ke film di bawahnya.
Spesifikasi selektif berkisar antara 2:1 hingga 1000:1 (etsa sangat selektif). Dengan setiap node baru, spesifikasi ini menjadi lebih ketat. Philippe Bézard, seorang insinyur R&D etsa kering di imec, mengatakan, "Dengan EUV NA tinggi menggantikan EUV konvensional dalam empat tahun ke depan, fokusnya akan jauh lebih rendah, sehingga Anda tidak dapat lagi mengekspos fotoresis tebal -- ketika saya mengatakan tebal, maksud saya 30 nanometer." "Tetapi Anda masih perlu membuat pola dengan ketebalan film yang sama di bawahnya. Jadi sekarang Anda membutuhkan selektivitas yang lebih tinggi karena kita harus mencapai 10:1, bukan 2:1, yang merupakan peningkatan selektivitas secara tiba-tiba sebesar 4 hingga 5 kali lipat."

Bersambung...