Плазменное травление может быть наиболее важным процессом в производстве полупроводников, а также одной из самых сложных операций во всех процессах изготовления пластин, уступающей только литографии. Почти половина этапов производства пластин опирается на плазму, ионизированный газ высокой энергии, для выполнения своих задач.

Несмотря на постоянное сокращение размеров транзисторов и запоминающих устройств, инженеры все еще работают над обеспечением надежных процессов травления.

Томас Бондур, вице-президент по маркетингу группы продуктов Etch компании Lam Research, заявил: «Чтобы устойчиво производить чипы с нанометровой точностью и правильной структурой, производителям оборудования для полупроводниковых заводов необходимо выйти за рамки физики плазмы, материаловедения, и наука о данных, чтобы предоставить необходимые решения для оборудования». Это особенно очевидно при плазменном травлении, которое работает рука об руку с литографией для создания точных и повторяемых элементов на пластинах.

В этом отчете рассматриваются ключевые этапы разработки 3D NAND, DRAM, нанолистовых полевых транзисторов и межсоединений, а также рассматриваются 2D-устройства и серверная обработка. Промышленность также стремится использовать более экологичные методы травления, чтобы сократить эквивалентные выбросы углекислого газа на своих заводах по производству пластин.

Для многих производителей инструментов моделирование процесса играет решающую роль в разработке процесса травления. Цель состоит в том, чтобы сократить время выхода на рынок и одновременно снизить затраты на пластины и маски.

Барретт Финч, старший директор по маркетингу компании Lam Research, сказал: «Оптимизация процесса травления для некоторых наиболее сложных этапов может занять год или больше. Недавно мы завершили моделирование некоторых процессов за три недели, хотя ожидалось, что это займет три месяца с использованием типичных испытаний и разработок на основе кремния».

Если говорить только о затратах на маски и пластины, то для производителей оборудования это может составлять сотни тысяч или даже миллионы долларов.

Основы травления

Процессы травления и методы литографии работают вместе в производстве полупроводников. Травление обычно выполняется перед осаждением тонких пленок (путем эпитаксии, химического или физического осаждения из паровой фазы и т. д.). Обычно пленка CVD покрывается фоторезистом, а затем используется оптическая литография (УФ 248 или 193 нм, EUV 13.5 нм) для экспонирования рисунка через фотомаску. Затем резист проявляют, чтобы выявить рисунок. В камере плазменного травления с одной пластиной для удаления CVD-пленки обычно используются травильные химикаты и ионная бомбардировка с использованием маски фоторезиста в качестве направляющей (в резистах позитивного тона). После травления резист озоляют с последующей влажной химической очисткой и/или мокрым травлением для удаления остатков.

Процессы плазменного травления можно грубо разделить на травление диэлектрика, кремния или проводника. Диэлектрики, такие как диоксид кремния и нитрид кремния, лучше всего травятся газами на основе фтора, а слои кремния и металла лучше всего реагируют с хлором. В основном существует три режима сухого травления: реактивное ионное травление, плазменное травление и травление распылением (ионно-лучевой). Процессы травления включают сложные взаимодействия между химически активными веществами, плазмой и материалами чипа. Когда к реактивному газу применяется радиочастотное смещение, электроны и положительно заряженные ионы физически удаляют (травят) материал посредством бомбардировки, в то время как химические частицы и радикалы реагируют с открытыми материалами, образуя летучие побочные продукты. Травление может быть изотропным (равные скорости вертикальной и латеральной реакции), анизотропным (только вертикальным) или чем-то средним.

Рисунок 1. Переход от finFET к GAA вызывает острую потребность в изотропном селективном травлении. Источник: Исследование Лама.

Ключевые показатели, которые больше всего беспокоят инженеров по травлению, — это скорость травления, контроль профиля, однородность (по всей пластине) и селективность травления, поскольку эти факторы влияют на выход и производительность. Селективность травления относится к скорости удаления травящегося материала по сравнению с его нижележащим слоем, например, SiO2 на кремнии. Также выгодно не удалять излишки фоторезиста в процессе травления. Однако в таких случаях его обычно переносят на твердую маску (диоксид кремния, нитрид кремния, SiOC, TiN) перед переносом рисунка на подлежащую пленку.
Спецификации селективности варьируются от 2:1 до 1000:1 (высокоселективное травление). С каждым новым узлом эти спецификации становятся всё более строгими. Филипп Безар, инженер по сухому травлению в imec, отметил: «С заменой традиционного EUV на высокочисловое EUV в течение следующих четырёх лет, фокусировка значительно снизится, поэтому больше нельзя будет экспонировать толстые фоторезисты — когда я говорю «толстые», я имею в виду 30 нанометров». «Но вам всё равно нужно наносить рисунок на подложку той же толщины. Поэтому теперь требуется более высокая селективность, поскольку нам нужно достичь 10:1 вместо 2:1, что означает резкое увеличение селективности в 4–5 раз».

Продолжение следует...