A gravação por plasma pode ser o processo mais crítico na fabricação de semicondutores e também pode ser uma das operações mais complexas em todos os processos de fabricação de wafer, perdendo apenas para a litografia. Quase metade das etapas de fabricação de wafers dependem de plasma, um gás ionizado de alta energia, para realizar suas tarefas.

Apesar da redução contínua dos transistores e unidades de armazenamento, os engenheiros ainda estão trabalhando para fornecer processos de gravação confiáveis.

Thomas Bondur, vice-presidente de marketing do grupo de produtos de gravação da Lam Research, afirmou: "Para fabricar chips de forma sustentável com precisão em nível nanométrico e estruturas corretas, os fabricantes de equipamentos para fábricas de semicondutores precisam romper as barreiras da física de plasma, da engenharia de materiais e da ciência de dados para fornecer as soluções de equipamentos necessárias." Isso é especialmente evidente na gravação a plasma, que trabalha em conjunto com a litografia para criar características precisas e repetíveis em wafers.

Este relatório examina as principais etapas de gravação em 3D NAND, DRAM, nanosheet FET e interconexões, e também analisa dispositivos 2D e processamento de back-end. A indústria também está buscando produtos químicos de gravação mais sustentáveis para reduzir as emissões equivalentes de dióxido de carbono das suas fábricas de wafer.

Para muitos fabricantes de ferramentas, a modelagem de processos desempenha um papel crítico no desenvolvimento do processo de gravação. O objetivo é reduzir o tempo de lançamento no mercado e, ao mesmo tempo, reduzir os custos de wafers e máscaras.

Barrett Finch, Diretor Sênior de Marketing da Lam Research, disse: “A otimização do processo de gravação para algumas das etapas mais desafiadoras pode levar um ano ou mais para ser concluída. Recentemente, concluímos algumas simulações de processos em três semanas, que deveriam levar três meses, usando testes e desenvolvimento típicos baseados em silício”.

Somente em termos de custos de máscaras e wafers, isso pode chegar a centenas de milhares ou até milhões de dólares para os fabricantes de equipamentos.

Noções básicas de gravação

Processos de gravação e técnicas de litografia trabalham juntos na fabricação de semicondutores. A gravação é normalmente realizada antes da deposição de filmes finos (via epitaxia, deposição química ou física de vapor, etc.). Geralmente, um filme CVD é revestido com um fotorresistente e, em seguida, a litografia óptica (248nm ou 193nm UV, 13.5nm EUV) é usada para expor o padrão através de uma fotomáscara. A resistência é então desenvolvida para revelar o padrão. Em uma câmara de gravação de plasma de wafer único, produtos químicos de gravação e bombardeio de íons são normalmente usados para remover o filme CVD com a máscara fotorresistente como guia (em resistências de tom positivo). Após o ataque químico, o resiste é calcinado, seguido de limpeza química úmida e/ou ataque químico úmido para remoção de resíduos.

Os processos de gravação por plasma podem ser categorizados aproximadamente em gravação dielétrica, de silício ou de condutor. Dielétricos como dióxido de silício e nitreto de silício são melhor gravados usando gases à base de flúor, enquanto camadas de silício e metal reagem melhor com cloro. Existem basicamente três modos de gravação a seco - gravação de íons reativos, gravação de plasma e gravação por pulverização catódica (feixe de íons). Os processos de gravação envolvem interações complexas entre as espécies reativas, o plasma e os materiais do chip. Quando uma polarização de RF é aplicada ao gás reativo, os elétrons e os íons carregados positivamente removem fisicamente (gravam) o material por meio de bombardeio, enquanto as espécies químicas e os radicais reagem com os materiais expostos para formar subprodutos voláteis. A gravação pode ser isotrópica (taxas de reação vertical e lateral iguais), anisotrópica (somente vertical) ou algo intermediário.

Figura 1: A transição do finFET para o GAA impulsiona a necessidade crítica de gravação seletiva isotrópica. Fonte: Lam Research.

As principais métricas que mais preocupam os engenheiros de gravação são a taxa de gravação, o controle de perfil, a uniformidade (em todo o wafer) e a seletividade de gravação, pois esses fatores afetam o rendimento e a produtividade. A seletividade de ataque refere-se à taxa de remoção do material que está sendo gravado em comparação com sua camada subjacente, como SiO2 em silício. Também é vantajoso não remover o fotorresistente excessivo durante o processo de gravação. No entanto, nesses casos, normalmente é transferido para uma máscara dura (dióxido de silício, nitreto de silício, SiOC, TiN) antes de transferir o padrão para o filme subjacente.
As especificações seletivas variam de 2:1 a 1000:1 (gravação altamente seletiva). A cada novo nó, essas especificações se tornam mais rigorosas. Philippe Bézard, engenheiro de P&D de gravação a seco no imec, afirmou: "Com a EUV de alta NA substituindo a EUV convencional nos próximos quatro anos, o foco será muito menor, de modo que não será mais possível expor fotorresistentes espessos — quando digo espessos, quero dizer 30 nanômetros." "Mas ainda é necessário padronizar com a mesma espessura de filme por baixo. Portanto, agora é necessária uma seletividade maior, pois precisamos atingir 10:1 em vez de 2:1, o que representa um aumento repentino na seletividade de 4 a 5 vezes."

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