ความสามารถในการเลือกสรรและการควบคุมต้นทุนในกระบวนการกัดกรด

การกัดด้วยพลาสม่าอาจเป็นกระบวนการที่สำคัญที่สุดในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ และยังสามารถเป็นหนึ่งในการดำเนินการที่ซับซ้อนที่สุดในกระบวนการผลิตแผ่นเวเฟอร์ทั้งหมด รองจากการพิมพ์หินเท่านั้น เกือบครึ่งหนึ่งของขั้นตอนการผลิตแผ่นเวเฟอร์อาศัยพลาสมา ซึ่งเป็นก๊าซไอออไนซ์พลังงานสูงเพื่อดำเนินงาน

แม้ว่าทรานซิสเตอร์และหน่วยกักเก็บจะลดลงอย่างต่อเนื่อง แต่วิศวกรยังคงทำงานเพื่อจัดหากระบวนการแกะสลักที่เชื่อถือได้

Thomas Bondur รองประธานฝ่ายการตลาดของกลุ่มผลิตภัณฑ์ Etch ของ Lam Research กล่าวว่า "เพื่อการผลิตชิปที่มีความแม่นยำระดับนาโนเมตรและโครงสร้างที่ถูกต้องอย่างยั่งยืน ผู้ผลิตอุปกรณ์สำหรับโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์จำเป็นต้องก้าวข้ามขีดจำกัดของฟิสิกส์พลาสมา วิศวกรรมวัสดุ" และวิทยาศาสตร์ข้อมูลเพื่อจัดหาโซลูชั่นอุปกรณ์ที่จำเป็น สิ่งนี้เห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในการแกะสลักด้วยพลาสมา ซึ่งทำงานร่วมกับการพิมพ์หินเพื่อสร้างคุณสมบัติที่แม่นยำและทำซ้ำได้บนเวเฟอร์

รายงานนี้จะตรวจสอบขั้นตอนการแกะสลักที่สำคัญใน 3D NAND, DRAM, nanosheet FET และการเชื่อมต่อระหว่างกัน และยังพิจารณาถึงอุปกรณ์ 2D และการประมวลผลแบ็กเอนด์ล่วงหน้าอีกด้วย อุตสาหกรรมยังแสวงหาเคมีกัดกร่อนที่ยั่งยืนมากขึ้น เพื่อลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เทียบเท่าจากการผลิตแผ่นเวเฟอร์

สำหรับผู้ผลิตเครื่องมือหลายราย การสร้างแบบจำลองกระบวนการมีบทบาทสำคัญในการพัฒนากระบวนการกัดกรด เป้าหมายคือการลดระยะเวลาในการออกสู่ตลาดในขณะที่ลดต้นทุนเวเฟอร์และมาสก์

Barrett Finch ผู้อำนวยการอาวุโสฝ่ายการตลาดของ Lam Research กล่าวว่า "การปรับปรุงกระบวนการกัดกรดสำหรับขั้นตอนที่ท้าทายที่สุดบางขั้นตอนอาจใช้เวลาหนึ่งปีหรือมากกว่านั้นจึงจะเสร็จสมบูรณ์" เมื่อเร็วๆ นี้ เราเสร็จสิ้นการจำลองกระบวนการบางส่วนภายในสามสัปดาห์ ซึ่งคาดว่าจะใช้เวลาสามเดือนสำหรับการทดสอบและพัฒนาที่ใช้ซิลิคอนโดยทั่วไป

ในแง่ของต้นทุนหน้ากากและเวเฟอร์เพียงอย่างเดียว อาจมีมูลค่าหลายแสนหรือหลายล้านดอลลาร์สำหรับผู้ผลิตอุปกรณ์

พื้นฐานการแกะสลัก

กระบวนการแกะสลักและเทคนิคการพิมพ์หินทำงานร่วมกันในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ โดยทั่วไปการกัดจะเกิดขึ้นก่อนการสะสมของฟิล์มบาง (ผ่านการสะสมไอระเหยทางเคมีหรือกายภาพ ฯลฯ) โดยทั่วไป ฟิล์ม CVD จะถูกเคลือบด้วยโฟโตรีซิสต์ จากนั้นจึงใช้การพิมพ์หินแบบออพติคอล (248 นาโนเมตรหรือ 193 นาโนเมตร UV, 13.5 นาโนเมตร EUV) เพื่อแสดงรูปแบบผ่านโฟโตมาสก์ จากนั้นจึงพัฒนาแนวต้านให้เห็นลวดลาย ในห้องแกะสลักพลาสมาแบบเวเฟอร์เดี่ยว โดยทั่วไปจะใช้สารเคมีกัดกรดและการทิ้งไอออนเพื่อกำจัดฟิล์ม CVD โดยใช้หน้ากากโฟโตรีซิสต์เป็นตัวนำทาง (ในการต้านทานโทนบวก) หลังจากการกัดกรด ความต้านทานจะเกิดเป็นเถ้า ตามด้วยการทำความสะอาดด้วยสารเคมีแบบเปียก และ/หรือการกัดแบบเปียกเพื่อกำจัดสิ่งตกค้าง

กระบวนการแกะสลักด้วยพลาสมาสามารถแบ่งได้คร่าวๆ ออกเป็นอิเล็กทริก ซิลิคอน หรือการกัดด้วยตัวนำ ไดอิเล็กทริก เช่น ซิลิคอนไดออกไซด์และซิลิคอนไนไตรด์จะถูกกัดกร่อนได้ดีที่สุดโดยใช้ก๊าซที่มีฟลูออรีนเป็นส่วนประกอบ ในขณะที่ชั้นซิลิคอนและโลหะจะทำปฏิกิริยากับคลอรีนได้ดีที่สุด โดยทั่วไปมีโหมดการกัดแบบแห้งสามโหมด ได้แก่ การกัดด้วยไอออนปฏิกิริยา การกัดด้วยพลาสมา และการกัดด้วยสปัตเตอร์ (ลำแสงไอออน) กระบวนการกัดกรดเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่ซับซ้อนระหว่างสปีชีส์ที่เกิดปฏิกิริยา พลาสมา และวัสดุที่เป็นชิป เมื่อมีการใช้อคติ RF กับก๊าซที่เกิดปฏิกิริยา อิเล็กตรอนและไอออนที่มีประจุบวกจะกำจัด (กัดกรด) วัสดุทางกายภาพผ่านการทิ้งระเบิด ในขณะที่สายพันธุ์เคมีและอนุมูลจะทำปฏิกิริยากับวัสดุที่ถูกเปิดออกเพื่อสร้างผลพลอยได้ที่ระเหยได้ การแกะสลักอาจเป็นไอโซโทรปิก (อัตราการเกิดปฏิกิริยาในแนวตั้งและด้านข้างเท่ากัน), แอนไอโซทรอปิก (แนวตั้งเท่านั้น) หรืออะไรสักอย่างในระหว่างนั้น

รูปที่ 1: การเปลี่ยนจาก finFET ไปเป็น GAA ทำให้เกิดความต้องการที่สำคัญสำหรับการแกะสลักแบบเลือกสรรแบบไอโซโทรปิก ที่มา: แลมวิจัย

ตัวชี้วัดสำคัญที่วิศวกรการแกะสลักกังวลมากที่สุดคืออัตราการกัด การควบคุมโปรไฟล์ ความสม่ำเสมอ (ทั่วทั้งแผ่นเวเฟอร์) และการเลือกกัด เนื่องจากปัจจัยเหล่านี้ส่งผลต่อผลผลิตและผลผลิต การเลือกกัดกรดหมายถึงอัตราการกำจัดของวัสดุที่ถูกกัดเมื่อเปรียบเทียบกับชั้นที่อยู่ด้านล่าง เช่น SiO2 บนซิลิคอน นอกจากนี้ ยังเป็นประโยชน์ที่จะไม่กำจัดสารต้านทานแสงที่มากเกินไปในระหว่างกระบวนการกัดกรด อย่างไรก็ตาม ในกรณีเช่นนี้ โดยทั่วไปจะถูกถ่ายโอนไปยังฮาร์ดมาสก์ (ซิลิคอนไดออกไซด์, ซิลิคอนไนไตรด์, SiOC, TiN) ก่อนที่จะถ่ายโอนลวดลายลงบนฟิล์มที่อยู่ด้านล่าง
ข้อกำหนดเฉพาะแบบเลือกได้มีตั้งแต่ 2:1 ถึง 1000:1 (การกัดแบบเลือกได้สูง) ในแต่ละโหนดใหม่ ข้อกำหนดเหล่านี้จะเข้มงวดยิ่งขึ้น ฟิลิปป์ เบซาร์ด วิศวกรฝ่ายวิจัยและพัฒนาการกัดแบบแห้งที่ imec กล่าวว่า "เมื่อ EUV ที่มีค่า NA สูงมาแทนที่ EUV แบบเดิมภายในสี่ปีข้างหน้า จุดโฟกัสจะลดลงมาก ดังนั้นคุณจึงไม่สามารถเปิดรับแสงโฟโตเรซิสต์หนาๆ ได้อีกต่อไป -- ที่ผมบอกว่าหนา ผมหมายถึง 30 นาโนเมตร" "แต่คุณยังคงต้องใช้ความหนาฟิล์มเดิมที่อยู่ใต้ฟิล์มอยู่ ดังนั้นตอนนี้คุณจึงต้องการค่าการเลือกที่สูงกว่า เพราะเราต้องทำให้ได้ 10:1 แทนที่จะเป็น 2:1 ซึ่งเป็นการเพิ่มค่าการเลือกขึ้นอย่างกะทันหัน 4 ถึง 5 เท่า

ยังมีต่อ...