selectiviteit en kostenbeheersing in etsprocessen

Plasma-etsen is misschien wel het meest kritische proces bij de productie van halfgeleiders, en het kan ook een van de meest complexe bewerkingen zijn in alle wafelfabricageprocessen, na lithografie. Bijna de helft van de productiestappen van wafers is voor het uitvoeren van hun taken afhankelijk van plasma, een geïoniseerd gas met hoge energie.

Ondanks het voortdurend krimpen van transistors en opslageenheden, werken ingenieurs nog steeds aan het leveren van betrouwbare etsprocessen.

Thomas Bondur, vice-president marketing van Lam Research's Etch Product Group, verklaarde: 'Om op duurzame wijze chips te produceren met precisie op nanometerniveau en correcte structuren, moeten fabrikanten van apparatuur voor halfgeleiderfabrieken de grenzen van plasmafysica, materiaaltechniek, technologie en technologie doorbreken. en data science om de benodigde apparatuuroplossingen te bieden.' Dit is vooral duidelijk bij plasma-etsen, dat hand in hand gaat met lithografie om nauwkeurige en herhaalbare kenmerken op wafers te creëren.

Dit rapport onderzoekt de belangrijkste etsstappen in 3D NAND, DRAM, nanosheet FET en interconnects, en kijkt ook vooruit naar 2D-apparaten en backend-verwerking. De industrie streeft ook naar duurzamere etschemie om de equivalente kooldioxide-uitstoot van hun wafelfabrieken te verminderen.

Voor veel gereedschapsfabrikanten speelt procesmodellering een cruciale rol bij de ontwikkeling van etsprocessen. Het doel is om de time-to-market te verkorten en tegelijkertijd de wafer- en maskerkosten te verlagen.

Barrett Finch, Senior Director Marketing bij Lam Research, zei: 'Het optimaliseren van het etsproces voor enkele van de meest uitdagende stappen kan een jaar of langer duren. Onlangs hebben we binnen drie weken een aantal processimulaties afgerond, die naar verwachting drie maanden zouden duren bij gebruik van typische op silicium gebaseerde tests en ontwikkelingen.'

Alleen al in termen van masker- en waferkosten kan dit voor fabrikanten van apparatuur honderdduizenden of zelfs miljoenen dollars bedragen.

Basisprincipes van etsen

Etsprocessen en lithografietechnieken werken samen bij de productie van halfgeleiders. Het etsen wordt doorgaans uitgevoerd vóór de afzetting van dunne films (via epitaxie, chemische of fysische dampafzetting, enz.). Over het algemeen wordt een CVD-film bedekt met een fotoresist, en vervolgens wordt optische lithografie (248 nm of 193 nm UV, 13.5 nm EUV) gebruikt om het patroon via een fotomasker te belichten. De resist wordt vervolgens ontwikkeld om het patroon zichtbaar te maken. In een plasma-etskamer met één wafer worden doorgaans etschemicaliën en ionenbombardement gebruikt om de CVD-film te verwijderen met het fotoresistmasker als leidraad (in positieve toonresists). Na het etsen wordt de resist verast, gevolgd door nat chemisch reinigen en/of nat etsen om resten te verwijderen.

Plasma-etsprocessen kunnen grofweg worden onderverdeeld in diëlektrisch, silicium- of geleideretsen. Diëlektrica zoals siliciumdioxide en siliciumnitride kunnen het beste worden geëtst met op fluor gebaseerde gassen, terwijl silicium- en metaallagen het beste reageren met chloor. Er zijn in principe drie droogetsmodi: reactief ionenetsen, plasma-etsen en sputteretsen (ionenbundel). Etsprocessen omvatten complexe interacties tussen de reactieve soorten, plasma en chipmaterialen. Wanneer een RF-voorspanning wordt toegepast op het reactieve gas, verwijderen elektronen en positief geladen ionen fysiek materiaal door middel van bombardementen, terwijl de chemische soorten en radicalen reageren met blootgestelde materialen om vluchtige bijproducten te vormen. Het etsen kan isotroop zijn (gelijke verticale en laterale reactiesnelheden), anisotroop (alleen verticaal) of iets daartussenin.

Figuur 1: De overgang van finFET naar GAA stimuleert de cruciale behoefte aan isotroop selectief etsen. Bron: Lam Research.

De belangrijkste meetgegevens waar etsingenieurs zich het meest zorgen over maken zijn de etssnelheid, profielcontrole, uniformiteit (over de gehele wafer) en etsselectiviteit, aangezien deze factoren van invloed zijn op de opbrengst en productiviteit. Etsselectiviteit heeft betrekking op de verwijderingssnelheid van het materiaal dat wordt geëtst vergeleken met de onderliggende laag, zoals SiO2 op silicium. Het is ook voordelig om tijdens het etsproces geen overmatige fotoresist te verwijderen. In dergelijke gevallen wordt het echter doorgaans overgebracht naar een hard masker (siliciumdioxide, siliciumnitride, SiOC, TiN) voordat het patroon op de onderliggende film wordt overgebracht.
Selectieve specificaties variëren van 2:1 tot 1000:1 (zeer selectief etsen). Met elke nieuwe node worden deze specificaties strenger. Philippe Bézard, R&D-ingenieur voor droog etsen bij imec, zei: "Nu EUV met hoge NA conventionele EUV binnen vier jaar vervangt, zal de focus veel lager liggen, waardoor je geen dikke fotoresists meer kunt belichten – met dik bedoel ik 30 nanometer." "Maar je moet nog steeds patronen maken met dezelfde filmdikte eronder. Dus nu heb je een hogere selectiviteit nodig, omdat we 10:1 in plaats van 2:1 moeten bereiken, wat een plotselinge toename van de selectiviteit met een factor 4 tot 5 betekent."

Wordt vervolgd...