Selettività e controllo dei costi nei processi di incisione

L'incisione al plasma può essere il processo più critico nella produzione di semiconduttori e può anche essere una delle operazioni più complesse in tutti i processi di fabbricazione dei wafer, seconda solo alla litografia. Quasi la metà delle fasi di produzione dei wafer si affida al plasma, un gas ionizzato ad alta energia, per svolgere le proprie attività.

Nonostante la continua riduzione dei transistor e delle unità di memorizzazione, gli ingegneri stanno ancora lavorando per fornire processi di incisione affidabili.

Thomas Bondur, vicepresidente del marketing per il gruppo di prodotti Etch di Lam Research, ha dichiarato: "Per produrre in modo sostenibile chip con precisione a livello nanometrico e strutture corrette, i produttori di apparecchiature per le fabbriche di semiconduttori devono superare i confini della fisica del plasma, dell'ingegneria dei materiali, della e scienza dei dati per fornire le soluzioni apparecchiature necessarie.' Ciò è particolarmente evidente nell'incisione al plasma, che funziona fianco a fianco con la litografia per creare caratteristiche precise e ripetibili sui wafer.

Questo rapporto esamina le fasi chiave dell'incisione in NAND 3D, DRAM, FET nanosheet e interconnessioni e guarda anche ai dispositivi 2D e all'elaborazione backend. L’industria sta inoltre perseguendo processi chimici di incisione più sostenibili per ridurre le emissioni equivalenti di anidride carbonica provenienti dalle fabbriche di wafer.

Per molti produttori di utensili, la modellazione del processo svolge un ruolo fondamentale nello sviluppo del processo di incisione. L’obiettivo è ridurre il time-to-market riducendo al contempo i costi di wafer e maschere.

Barrett Finch, direttore senior del marketing presso Lam Research, ha affermato: “L'ottimizzazione del processo di incisione per alcuni dei passaggi più impegnativi può richiedere un anno o più per essere completata. Recentemente abbiamo completato alcune simulazioni di processo in tre settimane, che avrebbero dovuto durare tre mesi utilizzando i tipici test e sviluppo basati sul silicio.'

Solo in termini di costi di maschere e wafer, ciò può ammontare a centinaia di migliaia o addirittura milioni di dollari per i produttori di apparecchiature.

Nozioni di base sull'acquaforte

I processi di incisione e le tecniche litografiche interagiscono nella produzione di semiconduttori. L'incisione viene in genere eseguita prima della deposizione di film sottili (tramite epitassia, deposizione chimica o fisica da vapore, ecc.). Generalmente, un film CVD viene rivestito con un fotoresist e quindi si utilizza la litografia ottica (248 nm o 193 nm UV, 13.5 nm EUV) per esporre il pattern attraverso una fotomaschera. Il resist viene quindi sviluppato per rivelare il pattern. In una camera di incisione al plasma a wafer singolo, si utilizzano in genere prodotti chimici di incisione e bombardamento ionico per rimuovere il film CVD, utilizzando la maschera del fotoresist come guida (nei resist a tono positivo). Dopo l'incisione, il resist viene incenerito, seguito da una pulizia chimica a umido e/o da un'incisione a umido per la rimozione dei residui.

I processi di incisione al plasma possono essere suddivisi in incisione dielettrica, al silicio o conduttiva. I dielettrici come il biossido di silicio e il nitruro di silicio vengono incisi al meglio utilizzando gas a base di fluoro, mentre gli strati di silicio e metallo reagiscono meglio con il cloro. Esistono fondamentalmente tre modalità di incisione a secco: incisione con ioni reattivi, incisione al plasma e incisione a sputtering (fascio ionico). I processi di incisione implicano interazioni complesse tra le specie reattive, il plasma e i materiali del chip. Quando una polarizzazione RF viene applicata al gas reattivo, elettroni e ioni carichi positivamente rimuovono fisicamente (incidono) il materiale tramite bombardamento, mentre le specie chimiche e i radicali reagiscono con i materiali esposti formando sottoprodotti volatili. L'incisione può essere isotropa (velocità di reazione verticale e laterale uguali), anisotropa (solo verticale) o una via di mezzo.

Figura 1: La transizione da finFET a GAA determina la necessità critica di attacco selettivo isotropico. Fonte: Lam Research.

I parametri chiave che preoccupano maggiormente gli ingegneri dell'incisione sono la velocità di incisione, il controllo del profilo, l'uniformità (sull'intero wafer) e la selettività dell'incisione, poiché questi fattori influiscono sulla resa e sulla produttività. La selettività dell'attacco si riferisce alla velocità di rimozione del materiale da incidere rispetto al suo strato sottostante, come SiO2 sul silicio. È inoltre vantaggioso non rimuovere una quantità eccessiva di fotoresist durante il processo di attacco. Tuttavia, in questi casi, viene tipicamente trasferito su una maschera dura (biossido di silicio, nitruro di silicio, SiOC, TiN) prima di trasferire il disegno sulla pellicola sottostante.
Le specifiche selettive vanno da 2:1 a 1000:1 (incisione altamente selettiva). Con ogni nuovo nodo, queste specifiche diventano più rigorose. Philippe Bézard, ingegnere di ricerca e sviluppo per l'incisione a secco presso imec, ha affermato: "Con l'EUV ad alta NA che sostituirà l'EUV convenzionale entro i prossimi quattro anni, la messa a fuoco sarà molto più bassa, quindi non sarà più possibile esporre fotoresist spessi: quando dico spessi, intendo 30 nanometri". "Ma è comunque necessario modellare con lo stesso spessore del film sottostante. Quindi ora è necessaria una selettività maggiore perché dobbiamo raggiungere 10:1 invece di 2:1, il che rappresenta un improvviso aumento della selettività da 4 a 5 volte.

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