エッチングプロセスにおける選択性とコスト管理

ナノシートFETのエッチング工程

ナノリボン製造プロセスで最も重要なエッチング ステップには、擬似ゲート エッチング、異方性ピラー エッチング、等方性スペーサー エッチング、およびチャネル解放ステップが含まれます。シリコンと SiGe の交互層の輪郭エッチングは異方性であり、フッ素ベースの化学反応を使用します。内部スペーサー (くぼみ) のエッチングとチャネル解放ステップは、SiGe でのシリコン損失を最小限に抑えるために最適化されています。

チャネルのリリース手順は非常に重要です。 「ナノリボンの放出には高い選択性が必要です」とベザール氏は言う。 「ほとんどのナノリボンはシリコン、次にSiGe、そして再びシリコンで構成されています。交互の層があり、一方の層を変更せずにもう一方の層を除去する必要があります。」いくつかの出版物では、単一のエッチング ステップによって構造に生じる応力を軽減するために、複数ステップの SiGe エッチングを実行することについて説明しています。

プロセスの次のステップは、自己整合コンタクトの形成です。 「ここで私たちがやろうとしているのは、窒化物に接触したり窒化物を凹ませたりするのではなく、基本的に酸化物をエッチングすることです。たとえば、現在の仕様は3マイクロメートルの凹みですが、人々は損失ゼロを求めています」とベザール氏は語った。 「この場合、選択性という言葉さえ使用しません。単に停止、そしてゼロストップについて話しているだけです。」

3D NAND

3D NAND フラッシュの場合、層の数が増加し続けるため、複数の積層層を採用して垂直方向の積層デバイス列を形成する必要があります。 Robert Clark 氏は、「さらに、層の増加に伴い、ビット密度をさらに高めるためにワード線のピッチや層の垂直/Z 間隔を拡大しようとする強い傾向が見られます。」と述べています。これは、TEL の技術スタッフおよび技術ディレクターの上級メンバーからの意見です。プロセスの観点から見ると、スケーリングに必要な最小限界寸法とより高いアスペクト比に対応するために、エッチングおよび堆積プロセスは継続的な改善が必要です。

Clark 氏は将来の変化について次のように説明しています。「多層電荷トラップ デバイスの先進的なノードに注目すると、より短いゲート長、より多くのセルあたりのエネルギー レベル、およびプログラミング効率の向上を実現するには、ゲート スタックを設計する必要があります。これは、潜在的には、 High-k 材料の採用。ポリ Si チャネルに代わる、より高い導電率のチャネルも必要になる可能性があります。」

3D NANDにおいて最も重要なエッチング工程の一つは、100層以上の酸化膜と窒化膜の積層に約200nmの穴を深くエッチングすることであり、その深さは10μmに達します。imecのBézard氏は、このエッチング工程は特にコストがかかると述べています。

「帯電差効果と呼ばれる物理現象があります」と彼は言います。 「プラズマには、物事を単純化するために電子、イオン、中性種があります。電子はあらゆる方向に移動しますが、イオンは表面に垂直に加速します。つまり、穴の底には正の電荷があり、穴の上部にはマイナス電荷が発生し、入ってくるイオンを反発しようとする電場が生成されます。」

その結果、トレンチを完全にエッチングするには高い電力レベルが必要になります。さらに、「私たちはアークを発生させずに 30 ～ 50 キロワットの電力レベルを維持することに取り組んでいます。そのため、チャックは非常によく研磨され、製造されている必要があります。」と付け加えました。

また、深いエッチングはストレスを最小限に抑える必要があり、特に多層 NAND 製造の後続のステップにはチップの薄化、正確な位置合わせ、次の層とのハイブリッド ボンディングが含まれるためです。

その他のプロセス

すべてのチップ メーカーが EUV リソグラフィーを必要とする最先端のチップを製造しているわけではありません。多くのファブが 193nm リソグラフィーおよびエッチング プロセスを拡張しています。

Bruel Science Corporation の半導体製品多様化担当ディレクター、Brian Wilbur 氏は次のように述べています。「当社は最近、CVD 層の下層として使用する場合でも、マスクとして使用する場合でも、パターニング能力を拡張し、高温に耐えることができる高温 SOC 材料を導入しました。 。」

最も緻密な金属配線に使用される BEOL (Back-End-of-Line) は、デュアルダマシン集積スキームから、銅以外の配線のサブトラクティブ堆積およびエッチングへの劇的な移行が予想されます。この点において、レニウムとモリブデンは最も重要な発展を遂げています。それらにはさまざまな利点があります。モリブデンはエッチング中に酸化しやすいため、デュアルダマシン方式との互換性が高く、価格も安くなります。レニウムは貴金属であるため、同様の腐食の問題はありませんが、コストははるかに高くなります。

デバイス構造もエッジ配置エラーに対する耐性が低下しています。 TEL の Clark 氏は、層間およびビアと相互接続間の自己整合を実現するには、新しいアプローチが必要になると述べています。 「最初の実装は、より高い熱安定性とより低い抵抗率または非線形金属が必要とされる、DRAM 用の埋め込みワード線とロジック用の MOL 内の狭い間隔の金属層になる可能性があります。」

次世代開発

長期的に将来を見据えると、理想的には、業界はより低い熱バジェット (300 ℃ ではなく 400 ℃ に近い) のバックエンド プロセスに移行し、デバイスをバックエンドの相互接続層に統合できるようになります。

TEL の Clark 氏は、「業界は、より多くの層でデバイスの構築を開始する必要があります。つまり、バックエンド オブ ライン (BEOL) の熱バジェット内でメモリとロジック デバイスを構築する必要があることを意味します。」と述べました。

Clark氏はまた、メモリデバイスをロジックBEOLフローに統合する場合でも、DRAMのストレージアレイ上にCMOSアレイを構築する場合でも、半導体酸化物を使用して製造されるデバイスはこれまでのところ有望であるように見えるとも述べた。

もう 2 つの重要な変化には、研究機関や大手チップ メーカーがテストを開始した XNUMXD 材料の統合が含まれます。二硫化タングステンや二硫化モリブデンなどのエッチング材料が考慮されます。しかし、材料の単一層のみからなるこれらの薄膜を統合するウェーハ製造プロセスの開発には、重大な課題が生じます。

サスティナビリティ

チップメーカーや材料サプライヤーは、炭素排出量を削減するための代替化学物質を模索しています。エッチングプロセスにおける主な原因は、地球温暖化係数 (GWP) の高いフッ素化ガスです。

imec の Bézard 氏は、「PFAS の問題は、その分子が非常に安定していることです。大気中の光や化学反応では、PFAS を分解するには十分ではありません。」と述べました。

同氏は、酸素含有量が高い多くの代替ガス混合物は解離しやすく、地球温暖化係数の値が低いと述べました。ただし、候補者が考慮されるには、同等以上のパフォーマンスを証明する必要があります。

しかし、持続可能性はエッチングや蒸着に特有の課題だけではありません。リソグラフィーからパッケージングに至るまで、これは包括的な業界の課題であり、新しい材料の影響がデバイス製造全体に影響を及ぼします。