蝕刻製程的選擇性和成本控制

從概念驗證 (POC) 到大批量製造 (HVM)

Bézard描述了蝕刻技術發展的三個階段：

1.確定蝕刻所需的蝕刻劑、氣體、輔助層。

2. 展示在指定範圍內完全去除薄膜並在晶圓上實現均勻性的能力。

3. 決定如何在大批量製造 (HVM) 中以高產量和低漂移的方式在數千個晶片上重複此過程。

通常，熟練的蝕刻和整合工程師負責開發的前兩個階段。第三階段需要工程專業知識，但機器學習可能會有所幫助。

「機器學習和數據分析通常只在第三階段有用，」貝札德說。 「它非常強大，因為它可以訪問大量數據並理解數以百萬計的微小而簡單的交互。因此，人腦很難理解，但電腦程式更容易管理。但是，在處理時隨著新的應用、新材料的蝕刻或新的整合場景，它並沒有表現出比人類有任何進步。

機器學習的使用也與製造成本有關，因為第三階段涉及數千個晶圓，這比第一階段和第二階段使用的數量大一個數量級。

Lam Research 蝕刻產品組高級總監 Barrett Finch 將新製程路徑描述為從標稱製程和佈局中獲得概念驗證，並在晶圓上開發一個或多個工作器件。然後，該概念驗證 (POC) 會被轉移到晶圓廠的產品開發團隊，以擴大製程規模並提高產量。

Finch 表示：「將名義上的概念驗證轉變為可獲利的創收產品所需的工作量常常被低估，從而導致盈利能力上的巨大差距。工藝窗口建模試圖透過在開發的早期階段引入晶圓廠變化來彌補這一差距。他建議可以使用虛擬實驗設計（DOE）和基於蒙特卡羅的多參數分析來模擬預期變化並測試POC。

Finch 補充說：“工藝窗口建模可以回答諸如‘我需要保持多少 CD 或可變性才能實現最低的器件性能和良率？’之類的問題。”我們在幾天內完成了超過一百萬個虛擬晶圓的模擬，以進行工藝窗口測試，這在現實生活中是不可能實現的。

多個參數會影響蝕刻速率、輪廓和選擇性。一個關鍵因素是溫度。 Lam Research 半導體製程和整合工程高級經理 Benjamin Vincent 表示，客戶可以觀察熱效應對蝕刻速度、選擇性和輪廓的影響。所有這些參數都會影響裝置良率和晶圓廠的生產率。他認為，當製程步驟具有多種可能的配置（較大的製程空間）或該步驟的下游結果高度無法預測時，模擬特別有用。

Lam Research子公司Esgee Technologies的產品行銷經理Alex Guermouche提到：「蝕刻過程取決於晶片的表面溫度，而晶片的表面溫度受到各種熱通量的影響，包括熱傳導、離子衝擊能、表面反應和等離子體體輻射熱通量。他進一步解釋：「因此，等離子體模型需要結合所有這些物理特性，以準確描述晶片表面的溫度變化。製程模擬軟體允許我們對一系列蝕刻屬性進行建模，使我們能夠更快、更準確地獲得更好的蝕刻結果。

在蝕刻過程中實現精確定時

對於更緊密的幾何形狀和更薄的薄膜，需要在蝕刻速率和對其他操作參數的良好控制之間取得平衡。

Finch 表示：“隨著設計規則的縮小，許多蝕刻製程正在轉變為非常快速的等離子蝕刻製程步驟，這需要對所有反應輸入進行高度精確的控制：功率、壓力、化學物質和溫度。”他指出，還有一種優化等離子體脈衝行為的趨勢，即產生特定的離子與中性比，然後清除副產物。 “這種情況的高級建模對於進一步擴大設備規模至關重要。”

一段時間以來，蝕刻系統製造商一直在使用建模軟體來加快下一個節點的開發或提高產量。考慮到這個過程的複雜性及其所有變量，這並不奇怪。

芬奇表示：“在開發下一個節點技術的過程中，根本沒有足夠的時間或足夠的晶圓來進行所有可能的製程實驗。” “蝕刻設備配置的數量可能達到數百萬甚至數十億，這使得具有所有製程可能性的完整晶圓開發變得不可能。”

當然，所有好的模型都是在實際晶片上進行驗證的。芬奇說，“一個好的模型應該具有預測性，並且應該解決用戶想要解決的特定問題。” 「每次基於模擬工作建議製程或設計變更時，實際晶圓廠資料都應反映推薦結果。在我們的案例中，我們能夠使用基於模型的結果準確預測製程變更的影響，並快速解決困難的工藝和技術開發問題。

工具供應商也在開發先進的蝕刻工藝，以更緊密地整合其生產線，將兩道掩模級工藝（兩個光刻步驟）轉變為一個工藝，從而簡化工藝並降低成本。

貝札德說：“公司並沒有對現有硬體進行改造以使瑞士軍刀變得更加複雜，而是引入了針對特定應用的技術，例如解決尖端問題的新系統。”目標是使彼此面對的兩條線更加靠近，目前需要先進行線路圖案化步驟，然後進行切割遮罩。 “應用材料公司和其他公司正在推出一種水平方向直接蝕刻的方法。”此工藝還可以擴大通孔。

未完待續...