等離子體蝕刻可能是半導(dǎo)體制造中最重要的工藝，也可能是僅次于光刻的所有晶圓廠操作中最復(fù)雜的。幾乎一半的晶圓制造步驟都依賴于等離子體，一種高能電離氣體來(lái)完成它們的工作。

盡管晶體管和存儲(chǔ)單元不斷縮小，工程師們?nèi)栽诶^續(xù)提供可靠的蝕刻工藝。

Lam Research負(fù)責(zé)蝕刻產(chǎn)品集團(tuán)營(yíng)銷的公司副總裁Thomas Bondur表示：“為了可持續(xù)地制造出具有納米級(jí)精度和正確結(jié)構(gòu)的芯片，晶圓廠設(shè)備制造商需要突破等離子體物理、材料工程和數(shù)據(jù)科學(xué)的界限，提供所需的設(shè)備解決方案?！薄＿@一點(diǎn)在等離子體蝕刻中最為明顯，等離子體蝕刻與光刻技術(shù)攜手合作，在晶圓上創(chuàng)造出精確、可重復(fù)的特征。

本報(bào)告研究了3D NAND、DRAM、納米片F(xiàn)ET和互連中的關(guān)鍵蝕刻步驟，并展望了2D器件和后端處理。該行業(yè)也在追求更可持續(xù)的蝕刻化學(xué)，以減少其晶圓廠的等效二氧化碳排放。

對(duì)于許多工具制造商來(lái)說(shuō)，工藝建模在蝕刻工藝開發(fā)中起著關(guān)鍵作用。目標(biāo)是縮短上市時(shí)間，同時(shí)降低晶圓和掩模成本。

Lam Research高級(jí)營(yíng)銷總監(jiān)Barrett Finch表示：“一些最棘手的步驟的蝕刻工藝優(yōu)化可能需要一年或更長(zhǎng)時(shí)間才能完成?！??！拔覀冏罱谌軆?nèi)完成了一些過(guò)程模擬工作，預(yù)計(jì)需要三個(gè)月的時(shí)間，使用典型的硅基測(cè)試和開發(fā)。”

僅就設(shè)備制造商的掩模和晶圓成本而言，這可能高達(dá)數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)美元。

蝕刻基礎(chǔ)

蝕刻工藝與光刻技術(shù)協(xié)同工作。蝕刻通常在沉積薄膜之前（通過(guò)外延、化學(xué)或物理氣相沉積等）。通常，CVD薄膜涂有光刻膠，然后使用光學(xué)光刻（248nm或193nm UV，13.5nm EUV）通過(guò)圖案化掩模版（掩模）曝光。抵抗發(fā)展然后揭示模式。在單晶片等離子體蝕刻室中，通常蝕刻化學(xué)物質(zhì)和離子轟擊并去除光致抗蝕劑缺失的CVD膜（在正色調(diào)抗蝕劑中）。蝕刻后，抗蝕劑灰化、濕式化學(xué)清洗和/或濕式蝕刻去除殘留物。

等離子體蝕刻工藝可以大致分為電介質(zhì)、硅或?qū)w蝕刻。二氧化硅和氮化硅等電介質(zhì)最好使用氟化氣體蝕刻，而硅和金屬層與氯化學(xué)反應(yīng)最好?；旧嫌腥N干法蝕刻模式——反應(yīng)離子蝕刻、等離子體蝕刻和濺射蝕刻（離子束）。蝕刻工藝都是關(guān)于化學(xué)反應(yīng)物、等離子體和晶片材料之間的復(fù)雜相互作用。當(dāng)RF偏壓施加到反應(yīng)性氣體時(shí)，電子和帶正電的離子轟擊晶片以物理地去除（蝕刻）材料，而化學(xué)物質(zhì)和自由基與暴露的材料反應(yīng)以形成揮發(fā)性副產(chǎn)物。蝕刻可以是各向同性（垂直和水平反應(yīng)相等）、各向異性（僅垂直）或介于兩者之間。

 

圖1：從finFET到GAA的轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)了關(guān)鍵的各向同性選擇性蝕刻要求。資料來(lái)源：Lam Research

蝕刻工程師最關(guān)心的指標(biāo)是蝕刻速率、輪廓控制、均勻性（整個(gè)晶片）和蝕刻選擇性，因?yàn)檫@些都會(huì)影響產(chǎn)量和生產(chǎn)率。蝕刻選擇性只是要蝕刻的材料相對(duì)于其底層的去除率，例如硅上的SiO2。在蝕刻期間，不去除過(guò)多的光致抗蝕劑也是有利的。但在這種情況下，通常在將圖案轉(zhuǎn)移到下面的膜之前，將其轉(zhuǎn)移到硬掩模（二氧化硅、氮化硅、SiOC、TiN）。

選擇性規(guī)格從2:1到1000:1不等（高度選擇性蝕刻）。隨著每個(gè)新節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)，這些規(guī)范變得更加嚴(yán)格。imec的干蝕刻研發(fā)工程師Philippe Bézard說(shuō)：“隨著高NA EUV在未來(lái)四年內(nèi)開始取代常規(guī)EUV，焦點(diǎn)要低得多，所以你不能再暴露厚的光刻膠——我所說(shuō)的厚是指30納米?！?。“但你仍然需要在下面對(duì)相同的膜厚度進(jìn)行構(gòu)圖。所以現(xiàn)在你要求更高的選擇性，因?yàn)槲覀儽仨氝_(dá)到10:1，而不是2:1，這是選擇性的突然提高了4到5倍?！?/p>

從概念驗(yàn)證（POC）到大批量制造（HVM）

Bézard描述了蝕刻工藝發(fā)展的三個(gè)階段：

1、確定需要什么蝕刻劑、氣體、輔助層等來(lái)執(zhí)行蝕刻；

2、演示在規(guī)格范圍內(nèi)完全去除薄膜的性能，并在一片晶圓上實(shí)現(xiàn)勻 性，       以及

3、確定如何在HVM中以高產(chǎn)量和小漂移的方式在數(shù)千個(gè)晶片上重復(fù)該過(guò)      程。

通常，熟練的蝕刻和集成工程師處理開發(fā)的前兩個(gè)階段。第三階段將再次利用工程專業(yè)知識(shí)，但機(jī)器學(xué)習(xí)可能會(huì)有所幫助。

“機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析通常只在第三階段有用，”Bézard說(shuō)?！八浅?qiáng)大，因?yàn)樗梢栽L問(wèn)大量數(shù)據(jù)，并且可以理解一百萬(wàn)個(gè)相互作用的微小而簡(jiǎn)單的東西。因此，對(duì)于人腦來(lái)說(shuō)，試圖弄清楚這一點(diǎn)非常困難，但對(duì)于計(jì)算機(jī)程序來(lái)說(shuō)，它更容易管理。但在你有了新的應(yīng)用程序、新的材料被蝕刻或新的集成的情況下，它并沒(méi)有顯示出比人類有任何改進(jìn)。”

ML的使用也與制造成本有關(guān)，因?yàn)榈谌A段使用了數(shù)千片晶圓——至少比第一階段和第二階段使用的晶圓大一個(gè)數(shù)量級(jí)。

Lam Research蝕刻產(chǎn)品組高級(jí)總監(jiān)Barrett Finch將新工藝尋路描述為從標(biāo)稱工藝流程和布局中獲得概念驗(yàn)證，并在晶圓上開發(fā)一個(gè)或多個(gè)工作裝置。然后將該P(yáng)OC轉(zhuǎn)移到晶圓廠的產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)，以擴(kuò)大流程并提高產(chǎn)量。

芬奇表示：“將名義上的概念驗(yàn)證轉(zhuǎn)化為可行的收益產(chǎn)品所需的工作量往往被低估，這與盈利能力產(chǎn)生了巨大差距?！??！肮に嚧翱诮Ｔ噲D通過(guò)將晶圓廠的變化引入研發(fā)尋路的早期階段來(lái)縮小這一差距?！彼ㄗh，虛擬DOE和基于蒙特卡洛的多個(gè)工藝參數(shù)分析通過(guò)模擬預(yù)期的變化來(lái)測(cè)試POC。

他說(shuō)：“工藝窗口建?？梢曰卮疬@樣一個(gè)問(wèn)題，‘我必須保持多大的CD或可變性才能達(dá)到最低的設(shè)備性能和產(chǎn)量？’我們?cè)趲滋靸?nèi)完成了100多萬(wàn)個(gè)虛擬晶圓的虛擬工藝窗口測(cè)試，這在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能實(shí)現(xiàn)的?！?。

多個(gè)參數(shù)影響蝕刻速率、輪廓和選擇性。一個(gè)關(guān)鍵是溫度。Lam Research半導(dǎo)體工藝和集成工程高級(jí)經(jīng)理Benjamin Vincent表示：“我們的客戶在控制蝕刻速率、選擇性和蝕刻輪廓時(shí)，可以看到蝕刻工藝中熱效應(yīng)的影響。所有這些參數(shù)都會(huì)影響器件產(chǎn)量和晶圓廠生產(chǎn)率。”。他認(rèn)為，當(dāng)一個(gè)工藝步驟有多種可能的配置（工藝空間很大），或者該步驟的下游結(jié)果高度不可預(yù)測(cè)時(shí)，模擬可能特別有用。

Lam研究公司Esgee Technologies的產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Alex Guermouche說(shuō)：“蝕刻過(guò)程取決于晶片的表面溫度，這取決于幾種熱通量，包括熱傳導(dǎo)、離子沖擊能、表面反應(yīng)和等離子體輻射熱通量?！?。“因此，等離子體模型需要結(jié)合所有這些物理特征，以準(zhǔn)確描述晶片表面的溫度變化。工藝模擬軟件可以對(duì)一系列蝕刻屬性進(jìn)行建模，使我們能夠更快地獲得更好的蝕刻結(jié)果，并加快客戶提高產(chǎn)量或優(yōu)化產(chǎn)量的能力?！?/p>

蝕刻工藝的精確定時(shí)

對(duì)于更緊密的幾何形狀和更薄的膜，需要平衡蝕刻速率和對(duì)其他操作參數(shù)的良好控制。

芬奇說(shuō)：“隨著設(shè)計(jì)規(guī)則的縮小，許多蝕刻工藝都轉(zhuǎn)向了非?？焖俚牡入x子體蝕刻工藝步驟，這些步驟需要對(duì)所有反應(yīng)輸入進(jìn)行高度精確的控制：功率、壓力、化學(xué)和溫度?！彼赋?，優(yōu)化等離子體脈沖行為也有一種趨勢(shì)，即產(chǎn)生特定的離子與中性比，然后清除副產(chǎn)物?！斑@種情況的高級(jí)建模對(duì)于進(jìn)一步擴(kuò)大設(shè)備規(guī)模至關(guān)重要?！?/p>

一段時(shí)間以來(lái)，蝕刻系統(tǒng)的制造商一直在使用建模軟件來(lái)加快下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的開發(fā)或斜坡產(chǎn)量。考慮到這個(gè)過(guò)程及其所有變量的復(fù)雜性，這并不奇怪。

芬奇說(shuō)：“在開發(fā)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)技術(shù)時(shí)，根本沒(méi)有足夠的時(shí)間或足夠的晶圓來(lái)執(zhí)行所有可能的工藝實(shí)驗(yàn)。”?！拔g刻設(shè)備設(shè)置組合的數(shù)量可能達(dá)到數(shù)百萬(wàn)，甚至數(shù)十億，使用所有工藝可能性進(jìn)行強(qiáng)力晶圓開發(fā)根本不可能。”

當(dāng)然，所有好的模型都是在實(shí)際芯片上驗(yàn)證的。芬奇說(shuō)：“一個(gè)準(zhǔn)確的模型應(yīng)該是預(yù)測(cè)性的，它應(yīng)該解決用戶想要解決的有針對(duì)性的問(wèn)題?！?。“每次根據(jù)模擬工作推薦工藝或設(shè)計(jì)變更時(shí)，實(shí)際的晶圓廠數(shù)據(jù)都應(yīng)該反映推薦的結(jié)果。在我們的案例中，我們能夠使用基于模型的結(jié)果準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工藝變更的影響，并快速解決困難的工藝和技術(shù)開發(fā)問(wèn)題。”

工具供應(yīng)商也在開發(fā)先進(jìn)的蝕刻工藝，以更緊密地集成生產(chǎn)線，并將曾經(jīng)的兩個(gè)掩模級(jí)工藝（兩個(gè)光刻步驟）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)工藝，從而簡(jiǎn)化工藝并降低成本。

Bézard說(shuō)：“公司沒(méi)有對(duì)現(xiàn)有硬件進(jìn)行改造，使瑞士軍刀裝備更加精良，而是引入了針對(duì)特定應(yīng)用的技術(shù)，例如解決尖端問(wèn)題的新系統(tǒng)。”。其目的是使彼此面對(duì)的兩條線更緊密地結(jié)合在一起，目前需要先進(jìn)行線圖案化步驟，然后進(jìn)行切割掩模?！皯?yīng)用材料公司和其他公司正在引入的是一種在水平方向上直接蝕刻的方法?！边@種工藝也可以擴(kuò)大通孔。

納米片F(xiàn)ET的蝕刻步驟

納米片工藝流程中最關(guān)鍵的蝕刻步驟包括偽柵極蝕刻、各向異性柱蝕刻、各向同性間隔物蝕刻和溝道釋放步驟。[1] 通過(guò)硅和SiGe交替層的輪廓蝕刻是各向異性的，并且使用氟化化學(xué)。內(nèi)部間隔物蝕刻（壓痕）和溝道釋放步驟被優(yōu)化以去除硅損失極低的SiGe。

渠道發(fā)布步驟至關(guān)重要?！凹{米片的釋放要求極高的選擇性，”Bézard說(shuō)?！按蠖鄶?shù)納米片都是硅，然后是硅鍺和硅。你有交替的層，你需要在不修改另一層的情況下去除一層。”一些出版物討論了進(jìn)行多步驟SiGe蝕刻，以減少單個(gè)蝕刻步驟對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力。

該工藝的下一步是形成自對(duì)準(zhǔn)接觸?！霸谶@里，我們?cè)噲D做的基本上是蝕刻二氧化硅，而不是接觸或凹陷氮化硅。比方說(shuō)，目前的規(guī)格是3毫米的凹陷，但人們要求零損失，”Bézard說(shuō)?！霸谶@種情況下，我們甚至沒(méi)有使用選擇性這個(gè)詞。我們只是談?wù)撔輹?huì)——以及零休會(huì)?！?img src="https://img.ruilang.cn/psmplasma.com/uploadfile/202310/79bf0e82b7d1cac.png" />
 

3D NAND

對(duì)于3D NAND閃存，層的數(shù)量繼續(xù)增長(zhǎng)，未來(lái)需要采用多個(gè)堆疊層，最終形成堆疊設(shè)備的垂直串。Robert Clark說(shuō)：“此外，隨著層數(shù)的增長(zhǎng)，為了繼續(xù)增加比特密度，有很大的動(dòng)力來(lái)縮放層的字線間距或垂直/Z間距?！保琓EL技術(shù)人員和技術(shù)總監(jiān)的高級(jí)成員?！皬墓に嚱嵌葋?lái)看，蝕刻和沉積工藝需要不斷改進(jìn)，以適應(yīng)不斷擴(kuò)大規(guī)模所需的越來(lái)越小的臨界尺寸下越來(lái)越高的縱橫比?！?/p>

克拉克描述了未來(lái)的變化。他說(shuō)：“著眼于多層電荷陷阱器件的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)，將需要對(duì)柵極堆疊進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更短的柵極長(zhǎng)度、每個(gè)單元更多的能級(jí)和提高編程效率，這可能是通過(guò)采用高k材料實(shí)現(xiàn)的。未來(lái)也可能需要更高導(dǎo)電率的溝道來(lái)取代多晶硅溝道?！薄?/p>

3D NAND中最關(guān)鍵的蝕刻之一涉及通過(guò)多層氧化物-氮化物堆疊（200+層）深度蝕刻約100nm的孔，深度可達(dá)10µm。Imec的Bézard表示，這一蝕刻步驟特別昂貴。

“我們有一種物理現(xiàn)象，稱為差分充電效應(yīng)，”他說(shuō)?！霸诘入x子體中，我們有電子、離子和中性物種來(lái)簡(jiǎn)化很多。電子向各個(gè)方向移動(dòng)，但離子垂直于表面加速。所以空穴底部有正電荷，頂部有負(fù)電荷，你會(huì)得到一個(gè)試圖排斥入射離子的電場(chǎng)?！?/p>

因此，需要高功率電平來(lái)完全蝕刻溝槽。他說(shuō)：“我們正努力在不產(chǎn)生電弧的情況下維持30至50千瓦的功率，因此卡盤必須經(jīng)過(guò)非常好的拋光和制造。”。

深蝕刻也會(huì)產(chǎn)生需要最小化的應(yīng)力，特別是因?yàn)槎鄬覰AND制造隨后需要晶片薄化、精確對(duì)準(zhǔn)和與下一層的混合結(jié)合。

 

其他流程

并非所有芯片制造商都生產(chǎn)需要EUV光刻的尖端芯片。許多晶圓廠正在擴(kuò)展其193nm光刻和蝕刻工藝。

布魯爾科學(xué)公司半導(dǎo)體產(chǎn)品多元化主管Brian Wilbur表示：“我們最近開始推出一種高溫SOC材料，它擴(kuò)展了其圖案化能力，可以承受更高的溫度，無(wú)論是用作CVD層的底層還是掩模?！薄?/p>

用于最緊金屬線的BEOL預(yù)計(jì)將經(jīng)歷從雙鑲嵌集成方案到除銅以外的互連的減法沉積和蝕刻的戲劇性轉(zhuǎn)變。在這里，釕和鉬這兩種金屬已經(jīng)得到了最徹底的發(fā)展。他們有不同的優(yōu)勢(shì)。鉬在蝕刻過(guò)程中更容易氧化，使其與雙鑲嵌方案更兼容，而且價(jià)格低廉。釕是一種貴金屬，因此沒(méi)有同樣的腐蝕問(wèn)題，但成本要高得多。

器件結(jié)構(gòu)也變得不能容忍邊緣放置誤差。TEL的Clark表示，將需要新的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)從一層到另一層以及過(guò)孔和線路之間的自對(duì)準(zhǔn)?！暗谝粋€(gè)實(shí)現(xiàn)可能是用于DRAM中的掩埋字線，以及用于邏輯的小間距MOL金屬層，其中需要更高的熱穩(wěn)定性以及更低的電阻率或無(wú)襯金屬。”

下一代發(fā)展

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，理想情況下，該行業(yè)將過(guò)渡到熱預(yù)算較低的后端工藝（接近300°C而不是400°C），以便將設(shè)備集成到后端互連層中。

TEL的Clark表示：“該行業(yè)確實(shí)需要開始將設(shè)備構(gòu)建成更多的層。”?！斑@意味著我們需要在BEOL內(nèi)部以BEOL熱預(yù)算構(gòu)建內(nèi)存和邏輯設(shè)備?！?/p>

克拉克說(shuō)，到目前為止，使用半導(dǎo)體氧化物制造的器件似乎很有前景，無(wú)論是將存儲(chǔ)器器件集成到邏輯BEOL流中，還是在DRAM中的存儲(chǔ)器陣列上構(gòu)建CMOS陣列。

另一個(gè)重大轉(zhuǎn)變涉及2D材料的集成，研究機(jī)構(gòu)和領(lǐng)先的芯片制造商已經(jīng)開始測(cè)試2D材料。正在考慮對(duì)二硫化鎢或二硫化鉬等材料進(jìn)行蝕刻處理。但由于這些薄膜只由一層單層材料組成，開發(fā)集成它們的晶圓制造工藝極具挑戰(zhàn)性。

可持續(xù)性

芯片制造商和材料供應(yīng)商正在尋求替代化學(xué)品來(lái)減少碳排放。在蝕刻中，罪魁禍?zhǔn)资蔷哂懈呷蜃兣瘽撃埽℅WP）的氟化氣體。

imec的Bézard說(shuō)：“PFAS之所以有問(wèn)題，是因?yàn)樗姆肿臃浅７€(wěn)定?！?。“大氣中的光或化學(xué)反應(yīng)不足以分解它?！?/p>

他說(shuō)，許多氧氣含量較高的替代氣體混合物更容易離解，全球升溫潛能值較低?！叭欢?，任何候選人都必須拿出同樣好甚至更高的表現(xiàn)才能開始?！?/p>

但可持續(xù)性并不是一個(gè)特別的蝕刻或沉積挑戰(zhàn)。從光刻到封裝，這是一個(gè)全面的行業(yè)挑戰(zhàn)，新材料的影響會(huì)影響整個(gè)器件加工。