selektywność i kontrola kosztów w procesach trawienia

Trawienie plazmowe może być najważniejszym procesem w produkcji półprzewodników, a także może być jedną z najbardziej złożonych operacji we wszystkich procesach wytwarzania płytek, ustępując jedynie litografii. Prawie połowa etapów produkcji płytek wykorzystuje do realizacji swoich zadań plazmę, zjonizowany gaz o wysokiej energii.

Pomimo ciągłego kurczenia się tranzystorów i jednostek pamięci inżynierowie wciąż pracują nad zapewnieniem niezawodnych procesów trawienia.

Thomas Bondur, wiceprezes ds. marketingu w grupie produktów Etch firmy Lam Research, stwierdził: „Aby w sposób zrównoważony produkować chipy z precyzją na poziomie nanometrów i prawidłową strukturą, producenci sprzętu do fabryk półprzewodników muszą przełamać granice fizyki plazmy, inżynierii materiałowej, i analityki danych w celu zapewnienia wymaganych rozwiązań sprzętowych. Jest to szczególnie widoczne w przypadku trawienia plazmowego, które współpracuje z litografią, aby stworzyć precyzyjne i powtarzalne cechy na płytkach.

W tym raporcie przeanalizowano kluczowe etapy wytrawiania 3D NAND, DRAM, nanoarkusza FET i połączeń wzajemnych, a także wybiegano w przyszłość w kierunku urządzeń 2D i przetwarzania zaplecza. Branża poszukuje również bardziej zrównoważonych metod trawienia, aby zmniejszyć równoważną emisję dwutlenku węgla z fabryk płytek.

Dla wielu producentów narzędzi modelowanie procesów odgrywa kluczową rolę w rozwoju procesu trawienia. Celem jest skrócenie czasu wprowadzenia produktu na rynek przy jednoczesnej redukcji kosztów płytek i masek.

Barrett Finch, starszy dyrektor ds. marketingu w Lam Research, powiedział: „Optymalizacja procesu wytrawiania w przypadku niektórych z najtrudniejszych etapów może zająć rok lub dłużej. Niedawno ukończyliśmy kilka symulacji procesów w ciągu trzech tygodni, które przy zastosowaniu typowych testów i prac rozwojowych na bazie krzemu miały zająć trzy miesiące.

Jeśli chodzi o same koszty masek i płytek, dla producentów sprzętu może to wynosić setki tysięcy, a nawet miliony dolarów.

Podstawy trawienia

W produkcji półprzewodników procesy trawienia i techniki litograficzne współdziałają ze sobą. Trawienie zwykle przeprowadza się przed osadzeniem cienkich warstw (poprzez epitaksję, chemiczne lub fizyczne osadzanie z fazy gazowej itp.). Ogólnie rzecz biorąc, folia CVD jest powlekana fotomaską, a następnie litografia optyczna (248 nm lub 193 nm UV, 13.5 nm EUV) jest wykorzystywana do naświetlania wzoru przez fotomaskę. Następnie rozwija się maskę, aby odsłonić wzór. W komorze do trawienia plazmowego z pojedynczą płytką do usuwania warstwy CVD za pomocą maski fotorezystu stosuje się zwykle chemikalia trawiące i bombardowanie jonowe (w przypadku materiałów o tonie dodatnim). Po wytrawieniu maska jest spopielana, a następnie poddawana jest czyszczeniu chemicznemu na mokro i/lub trawieniu na mokro w celu usunięcia pozostałości.

Procesy trawienia plazmowego można z grubsza podzielić na trawienie dielektryczne, krzemowe i przewodnikowe. Dielektryki, takie jak dwutlenek krzemu i azotek krzemu, najlepiej trawi się przy użyciu gazów na bazie fluoru, podczas gdy warstwy krzemu i metalu najlepiej reagują z chlorem. Zasadniczo istnieją trzy tryby trawienia na sucho – trawienie jonami reaktywnymi, trawienie plazmowe i trawienie przez napylanie (wiązką jonów). Procesy trawienia obejmują złożone interakcje między reaktywnymi formami, plazmą i materiałami chipowymi. Kiedy do gazu reaktywnego przykłada się polaryzację RF, elektrony i dodatnio naładowane jony fizycznie usuwają (trawią) materiał poprzez bombardowanie, podczas gdy związki chemiczne i rodniki reagują z odsłoniętymi materiałami, tworząc lotne produkty uboczne. Trawienie może być izotropowe (równe szybkości reakcji pionowej i bocznej), anizotropowe (tylko pionowe) lub pośrednie.

Rysunek 1: Przejście z finFET na GAA napędza krytyczną potrzebę izotropowego selektywnego trawienia. Źródło: Badania Lama.

Kluczowe wskaźniki, które najbardziej interesują inżynierów zajmujących się trawieniem, to szybkość trawienia, kontrola profilu, jednorodność (na całej płytce) i selektywność trawienia, ponieważ czynniki te wpływają na wydajność i produktywność. Selektywność trawienia odnosi się do szybkości usuwania trawionego materiału w porównaniu z warstwą leżącą pod spodem, taką jak SiO2 na krzemie. Korzystne jest również, aby nie usuwać nadmiaru fotomaski podczas procesu trawienia. Jednakże w takich przypadkach zazwyczaj przenosi się go na twardą maskę (dwutlenek krzemu, azotek krzemu, SiOC, TiN) przed przeniesieniem wzoru na znajdującą się pod spodem folię.
Specyfikacje selektywne wahają się od 2:1 do 1000:1 (wysoce selektywne trawienie). Z każdym nowym węzłem te specyfikacje stają się bardziej rygorystyczne. Philippe Bézard, inżynier ds. badań i rozwoju w dziedzinie suchego trawienia w firmie imec, powiedział: „W ciągu najbliższych czterech lat, wraz z zastąpieniem konwencjonalnego EUV przez EUV o wysokiej NA, ogniskowanie będzie znacznie niższe, co uniemożliwi naświetlanie grubych fotorezystów – kiedy mówię o grubych, mam na myśli 30 nanometrów”. „Ale nadal trzeba tworzyć wzory przy tej samej grubości warstwy pod spodem. Teraz wymagana jest wyższa selektywność, ponieważ musimy osiągnąć 10:1 zamiast 2:1, co oznacza nagły wzrost selektywności, 4 do 5 razy”.

Ciąg dalszy nastąpi...