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原子层腐蚀的下一步是什么?

技术开始运输,但哪种方法最有效,在哪里,仍然不清楚。

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经过多年的研发,几家晶圆工具供应商去年终于开始出货基于下一代技术原子层蚀刻(ALE)的系统。

啤酒Is正在向16/14纳米方向发展,但它将在10/7纳米和更远的领域发挥重要作用。该行业还在致力于下一波用于先进逻辑和存储生产的ALE技术。

传统的蚀刻系统已被芯片制造商使用多年,在设备中可以连续地去除材料。ALE被认为是一种下一代蚀刻技术,在原子尺度上选择性地去除目标材料,而不会破坏结构的其他部分。例如,ALE可以用来去除结构中的材料,形成沟槽,沟槽的间隙约为10到15埃或5个原子宽。(1埃等于0.1nm。)

如今,该行业正在研究几种类型的ALE,而这一领域正变得令人困惑。就基本而言,该行业正朝着以下方向发展:

  • ALE工具供应商是基于等离子体ALE的运输系统,它可以选择性地以各向异性或定向方式去除材料。
  • 目前,该行业正专注于开发热ALE,它可以在各向同性或单向的基础上去除材料。其他人则使用不同的ALE方法进行各向同性腐蚀。
  • 一些公司正在开发混合等离子热ALE。
  • 其最终目标是开发选择性ALE,即有选择地去除表面上单一类型的材料或原子。

总之,各种芯片制造商都在生产等离子ALE,更先进的版本正在向制造业进军。投资银行晨星公司(Morningstar)的分析师阿比纳夫•达乌卢里(Abhinav Davuluri)表示:“目前,(ALE)仍处于早期阶段。”“当我们考虑采用时,首先是逻辑和铸造。从那里开始,当它起飞的时候,你会看到一个小小的上升动态随机存取记忆体”。

ALE不能在许多步骤上取代传统的蚀刻,因为该技术在吞吐量方面是缓慢的。但ALE在今天的蚀刻技术有限或不能完成这项工作的应用中正在获得动力。“你正在过渡到更多的ALE,”Uday Mitra说,蚀刻和图案战略副总裁应用材料。“随着3D技术的发展,(传统)蚀刻技术的局限性也越来越大。随着更先进的节点的加入,ALE将看到更快的增长。”

Applied Materials、Hitachi high technologies、Lam Research和TEL都是ALE工具市场上的供应商。如今,ALE只占整个蚀刻市场的一小部分。根据Gartner的数据,2017年全球干蚀刻业务的总规模预计将达到96亿美元,高于2016年的72亿美元。

啤酒是什么?
蚀刻是一种从晶圆中去除材料以创造器件特征的工艺步骤,它分为两类——湿法和干法。湿式蚀刻使用液体化学品去除材料。干蚀刻是两种市场中最大的一种,它通过轰击表面上的离子来去除材料。

几十年来,芯片制造商一直在晶圆厂使用一种叫做反应离子蚀刻(RIE)的干蚀刻技术。根据Lam Research的研究,RIE涉及到产生等离子体,这是一种基于带电粒子(离子)和自由基(中性)的带电气体。等离子体是通过向气体施加射频能量而产生的。


图1:传统的等离子刻蚀工艺。来源:林的研究

RIE工具是快速和可靠的,但也有一些挑战。首先,芯片制造商在处理微小特性时必须几乎没有出错的余地。例如,一个晶体管栅极结构可能是10nm宽,但在制造过程中的变化公差是1nm, Lam说。

然后,在传统的蚀刻工具中,等离子源用离子轰击晶圆。这可能对微小的结构有效,但也有可能破坏结构。因此,对于这种结构和其他结构,有必要在不损害其他部分的情况下选择性地去除目标材料。

这就是ALE适合的地方。“ALE有两个基本条件。它删除了单个原子层,但以一种自我限制的方式。其次,它不会接触或损坏底层和周围的材料,”Applied的Mitra说。

自上世纪80年代以来,ALE一直在研发方面停滞了好几年。它一直是一种寻找应用的技术。但在过去一两年,啤酒市场开始升温。Applied, Lam, TEL等公司推出了市场上的第一波ALE系统。

最后,芯片制造商看到了它的需求。该公司高级副总裁兼技术研究员David Hemker表示:“ALE显然是让一些集成流程适用于7nm和5nm的唯一途径。林的研究在最近的一次活动中。“我们看到它将被越来越多地使用。”

ALE正在一些但不是所有的应用中取得进展。“ALE目前被用于两个主要的应用领域,”Peter Biolsi说,他是技术开发和过程工程的高级总监电话。“(这适用于)可能发生蚀刻‘堵塞’的非常致密的沥青/空间应用,以及超高选择性/均匀性应用。”

与此同时,在技术方面,ALE与原子层沉积(ALD)。在ALD中,反应物被泵入一个腔室,它使表面饱和。然后,化学过程被清除,并重复,从而形成一层单一的材料,一次一个原子层。

ALD是一个缓慢的过程,但这项技术在几年前就已经起步了。今天,ALD被用于逻辑中的高k/金属栅极堆栈,DRAM中的电容形成过程,以及多个模式

相比之下,ALE是ALD的反面。通过使用一个顺序的、自限制的过程,ALE在原子尺度上逐层去除材料。

ALE有不同的配置。该过程可以在现有的刻蚀工具中进行,有一个特殊的ALE室或专用的ALE系统。

但不管构型如何,它都涉及到一个复杂的化学反应。在Lam的一个例子中,氯气被注入ALE室,分子被吸收到表面。这就产生了一个氯化层。将未使用的氯从腔室中除去。Lam说,然后注入氩离子,轰击晶圆,去除薄氯化层中不需要的部分。


图2:ALE过程循环。来源:林的研究

还有其他的方法来做ALE与许多材料的组合。那么最好的方法是什么呢?

“我们觉得没有最好的方法,”TEL的Biolsi说。“我们需要有能力采用各种方法,以最适合要蚀刻的材料和应用程序的要求。”

根据科罗拉多大学(CU)化学和生物化学系教授Steven George的说法,尽管有多种可能的方法,但ALE可以分为两大类——等离子ALE和热ALE。混合技术也在其中。

等离子体和热ALE可以进行不同类型的蚀刻,尽管它们可以在同一过程中一起使用。George说:“在ALE的一侧,有等离子ALE,你可以使用高能离子或中性物质将表面的物质敲掉来完成蚀刻。”“热反应是使用常规的气相热反应。”

等离子体ALE已经在生产车间运行了一段时间。一般而言,等离子体ALE进行各向异性或定向腐蚀。相比之下,热ALE进行各向同性或单向腐蚀。

“等离子体ALE是定向的。例如,如果你需要钻一个洞,你需要离子来做这件事。肯定有一些事情是等离子ALE或等离子加工一般可以做到的,你不能用热加工,”他说。

等离子体ALE的各向同性能力有限。“等离子体,在某种程度上,你使用的离子在基片上被加速,是有方向性的,”他解释说。“但是血浆也可以产生其他物种,比如自由基。自由基,在某种程度上,让我们有一点各向同性。它不会是完美的。自由基也来自等离子体源它们有一条视线。他们不会轻易转弯。”

相比之下,热ALE的目标是各向同性腐蚀,这是更具挑战性的。热法是各向同性腐蚀的一种方法,但不是唯一的方法。一些人正在使用一种激进的方法。


图3:方向蚀刻(a),显示了更大的材料去除速率垂直而不是横向,以及各向同性蚀刻(b),材料在所有方向上以相同的速率去除。来源:林的研究。

对于各向同性的应用,ALE工具可以喷射到任何地方的气体分子。所以腐蚀发生在气体分子去的任何地方。“每个人都对热风感兴趣,因为它是新领域。它可以做血浆ALE不能做的事情,”乔治说。“热ALE的互补性是,它允许你选择如何做蚀刻,而不需要定向物种。这是一件大事。”

热ALE不能取代等离子ALE,反之亦然。芯片制造商可以利用这两种技术来完成不同的任务。

与此同时,一些人正在研究混合等离子热ALE方法。他说:“这样一来,你就可以获得热能的一些优势,以及等离子体的一些方向性优势。”

这种混合方法仍在研发中。等离子式ALE已经开始生产,但热式ALE还处于早期阶段,必须在更多种材料上进行演示。

然后,在各种不同的方法下,对ALE的各向异性和各向同性腐蚀都存在一些挑战。据埃因霍温理工大学(EIT)应用物理系教授Erwin Kessels称,对于各向异性ALE来说,挑战在于维持自限制状态,这需要精确控制离子能量和过程条件。

各向同性ALE则更具挑战性。“我一直在说,每个人都想要各向同性,但没有人知道如何做到这一点,”Kessels说。“挑战在于开发一种各向同性的ALE过程。”

通常,热ALE利用气相反应来实现各向同性腐蚀。其他人正在使用不同的方法来达到同样的结果。

例如,应用材料公司使用其专用的ALE工具,对各向同性腐蚀采用了所谓的基于自由基的方法。在两个步骤的过程中,表面被处理,然后一个自由基基蚀刻过程去除目标材料。

Applied公司的Mitra说:“我们没有使用热工技术,因为温度更高。(激进的方法)给予极高的选择性。它可以蚀刻一种材料而不触及另一种表面。”

EIT的Kessels解释了这个特殊的过程:“这就是我们所说的各向同性腐蚀过程,它是由自由基驱动的。所以你可以用它做各向同性的蚀刻过程。根据晶圆上材料的组合,你可以有很好的选择性。”

总而言之,ALE可以得到广泛的应用。下面是一些各向异性和各向同性的例子:

  • 晶体管的结构。今天,ALE被用于生产中创建自对齐的联系人。(见下图3)
  • 极端的紫外线光刻技术。ALE将被用作平滑技术,以修复由EUV模式。ALE也被用于类似的应用与微型接触与EUV图案。
  • Gate-all-around场效应晶体管。Gate-all-around(GAA)可能出现在5nm处,它是一个侧面有栅极包围的finFET。


图4:自对准触点的ALE过程。来源:林的研究

GAA流的第一步是制造超晶格结构,它由硅锗(SiGe)和硅交替层组成。在流中,SiGe层必须在不接触硅层的情况下被移除。对于这个应用程序,ALE是实现这一壮举的唯一途径。


图5:使用ALE的原因。来源:应用材料

ALE的下一步是什么?
ALE已经开始生产了。但它会在行业中取得重大进展吗?

现在下结论还为时过早。ALE仍处于起步阶段,逻辑学和代工供应商是16nm/14nm和10nm的第一批使用者。“在10nm波长下,它主要用于形成触点。展望未来,就用例而言,这是最有可能出现的情况。“当我们转向7nm、5nm和3nm时,它将主要坚持晶体管成型应用。”

不过,和以前一样,ALE也面临着一些挑战——成本和吞吐量。他说:“(使用ALE)增加了精度和准确性,你将获得相当大的成本。”“对于ALE来说,实际的工艺时间和工艺步骤的循环时间要比一些传统的蚀刻方法大得多。”

这将限制英特尔、台积电和三星采用ALE技术。“他们会尽量限制自己的用例,除非绝对必要。这是你需要一个完美的蚀刻,无论是多重图案或相关应用,”他说。

还有其他因素。例如,据报道,英特尔在10nm的一些步骤中使用ALE。最初,英特尔的10nm制程计划在年底前增加产量。他表示:“这一增长趋势似乎将在2018年全面展开,而不是在今年年底获得产品。”

考虑到这些问题,ALE市场的总体规模是一个不断变化的目标。据晨星公司(Morningstar)的数据,如今,ALE的业务规模在5,000万美元至1亿美元之间。“这是一个相当乐观的估计,”他说。Applied公司表示,到2020财政年度,包括ALE在内的选择性取消将成为一个价值4.5亿美元的潜在市场。”

实际上,Applied Materials为ALE销售两套系统。第一个工具(Sym3)是一个通用蚀刻系统。它可以配置为处理各向异性蚀刻应用的等离子体ALE,如自对准接触和基于间隔的图案。

“你可以在现有的房间上做ALE。您可以放入正确的控制,这使您能够做快速切换和脉冲。你可以升级现有的舱室,”Applied的Mitra说。“最大的缺点是(ALE)发展缓慢。诀窍是快速地除去反应物。所以你需要一个电导率很好的房间。”

第二个工具(Selectra)是针对各向同性应用的专用ALE系统。“在选择性的情况下,我们是唯一拥有工具的人,”Mitra说。

逻辑是第一个应用,但不是唯一的。“各向异性现在有更多的应用。各向同性适用于新的应用和弯曲。它使客户能够解决更新类型的问题,特别是当客户越来越多地转向3D。”例如,如果你看一个3 d与非结构,你需要深入到结构的深处,你可能需要横向蚀刻。传统的蚀刻反应器无法做到这一点。”

然后,在研发方面,Applied公司正在为ALE研发下一代电子束等离子体工具。电子束在室内产生等离子体,使电子温度(0.3eV)和离子能量(<2eV)较低。“这是为了真正的原子控制,”他说。电子束用来产生电子温度很低的离子。

电子束ALE还处于寻径阶段。“你可以用它来做一些奇异的东西,”他说。“对于接下来的两三个节点,我认为你不需要电子束源之类的东西。”

因此,该公司目前的ALE工具可以为接下来的2到3个节点完成工作。不过,当前工具的目标是提高性能和吞吐量。

不久前,Lam Research推出了一款能够进行定向ALE的蚀刻系统。现在,Lam正在其最新的醚类(Kiyo和Flex)中研究新的定向ALE应用。

Lam的蚀刻产品副总裁Thorsten Lill表示:“我们看到ALE应用的数量在不断增加。“大多数关键的蚀刻应用需要方向性,因此专注于方向性ALE。”

和Applied一样,Lam也认为需要各向同性ALE。Lill说:“垂直设备集成推动了各向同性腐蚀的需求。“将需要用各向同性ALE来增强现有的蚀刻技术。”

同时,TEL销售传统的蚀刻产品以及ALE的气体化学蚀刻系统(Certas)。“TEL已经采用各向异性和各向同性ALE方法对硅的介质蚀刻和各向异性蚀刻。硅的各向同性ALE仍在改进中,”TEL的Biolsi说。

在幕后,fab工具供应商正忙于不同的ALE方法。该技术被用于有针对性的应用,但随着时间的推移,它也将更多地与半导体器件中的ALD合作。

ALE还将在选择性沉积这一新兴领域发挥作用。选择沉积是将新化学方法与ALD相结合,在精确的位置沉积材料和薄膜的过程。

“ALE将以一种与原子层沉积相补充的方式工作,”CU的George说。“你可以用ALD控制胶片。有了ALE,你就能以一种互补的方式去除材料。”

选择性ALE是另一种值得关注的技术。在今天的ALE中,该工具删除了一个目标结构。仍处于研发阶段的选择性ALE在这方面更进一步。“假设你有一个基片或设备,它的表面有许多不同的材料,”乔治说。“现在,你想蚀刻所有的氧化铪或硅。能够在控制的情况下做到这一点非常重要。”

芯片制造商仍在探索与ALE合作的所有可能性。这项技术仍处于起步阶段,目前正在研究中。EIT的Kessels表示:“将会出现许多混合工艺,包括蚀刻、表面处理和/或沉积。”“我们才刚刚开始原子尺度的处理。”

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