關(guān)于原子層蝕刻的分析和介紹

技術(shù)應(yīng)用雖然已經(jīng)開(kāi)始，但哪一種技術(shù)路徑最好、誰(shuí)家的最好仍不得而知。

經(jīng)過(guò)多年研發(fā)，幾家晶圓廠設(shè)備供應(yīng)商終于在去年推出了基于原子層刻蝕（ALE）的下一代蝕刻系統(tǒng)。

ALE雖指向16 / 14nm的技術(shù)方向，但其必將在10 / 7nm甚至更遠(yuǎn)的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮重要作用。業(yè)界也正致力于開(kāi)發(fā)應(yīng)用于先進(jìn)邏輯處理器和存儲(chǔ)器生產(chǎn)制造的新一代ALE技術(shù)。

傳統(tǒng)蝕刻設(shè)備連續(xù)的無(wú)選擇的蝕刻晶圓，該系統(tǒng)在芯片制造商中已應(yīng)用多年。新一代蝕刻技術(shù)ALE有選擇地去除原子尺度上的目標(biāo)材料，而不會(huì)損壞結(jié)構(gòu)的其他部分，可以蝕刻出具有10?~15? 或5個(gè)原子寬度間隙的溝槽。 （1?=0.1nm）

現(xiàn)在業(yè)界正開(kāi)發(fā)的幾種類(lèi)型的ALE，正變得讓人困惑?；径?，業(yè)界目前有以下方向發(fā)展：

1、ALE設(shè)備供應(yīng)商正在推出的蝕刻系統(tǒng)仍是基于各向異性等離子體蝕刻技術(shù)的ALE。

2、該行業(yè)現(xiàn)在專(zhuān)注于高溫ALE的開(kāi)發(fā)，這種ALE可以各向同性或單向的蝕刻。一些其他廠商也正使用一些不同的ALE方法進(jìn)行各向同性蝕刻。

3、一些正在開(kāi)發(fā)混合高溫等離子體ALE。

4、最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出有選擇性的ALE，可以有選擇性地去除表面上的單一類(lèi)型材料或原子。

總而言之，等離子體ALE正協(xié)助各種芯片制造商實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的生產(chǎn)制造。投資銀行Morningstar分析師Abhinav Davuluri表示：“目前，ALE仍處于早期階段。 我們優(yōu)先考慮在邏輯芯片領(lǐng)域和專(zhuān)業(yè)的代工廠里首先應(yīng)用，當(dāng)它逐漸發(fā)揮作用的時(shí)候，DRAM的性能就會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)提升?！?/p>

ALE無(wú)法取代很多傳統(tǒng)蝕刻步驟，因?yàn)樗诋a(chǎn)能方面相對(duì)而言算是慢的。不過(guò)，傳統(tǒng)蝕刻無(wú)法完成的工作領(lǐng)域，ALE正獲得應(yīng)用。應(yīng)用材料公司蝕刻和掩膜策略方面的副總裁Uday Mitra說(shuō)：“業(yè)界正在更多的向ALE過(guò)渡。隨著3D技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)蝕刻技術(shù)的限制越來(lái)越多。隨著更先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入，我們將看到ALE更快的增長(zhǎng)。”

Applied Materials, Hitachi High-Technologies, Lam Research , TEL是市場(chǎng)上ALE設(shè)備的主要供應(yīng)商。如今，ALE只占整個(gè)蝕刻設(shè)備市場(chǎng)的一小部分。研究機(jī)構(gòu)Gartner的數(shù)據(jù)顯示，全球干法蝕刻市場(chǎng)規(guī)模2017年將達(dá)到96億美元，高于2016年的72億美元。

ALE到底是什么？

蝕刻，從晶圓上去除材料以形成圖形特征的工藝步驟，分為濕法和干法兩大類(lèi)。濕法蝕刻使用液體化學(xué)物質(zhì)去除材料。干法蝕刻通過(guò)等離子體轟擊晶圓面上的物質(zhì)來(lái)去除材料，市場(chǎng)占比更大。

數(shù)十年來(lái)，芯片制造商在工廠中使用了被稱(chēng)為反應(yīng)離子刻蝕（RIE）的干法刻蝕技術(shù)。RIE中提到的等離子體(plasma)是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，尺度大于德拜長(zhǎng)度的宏觀電中性電離氣體，其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，利用經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)可以捕捉、移動(dòng)和加速等離子體。當(dāng)被加熱到足夠高的溫度或其他原因，外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，就像下課后的學(xué)生跑到操場(chǎng)上隨意玩耍一樣。電子離開(kāi)原子核，這個(gè)過(guò)程就叫做“電離”。這時(shí)，物質(zhì)就變成了由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的、一團(tuán)均勻的“漿糊”，因此人們戲稱(chēng)它為離子漿，這些離子漿中正負(fù)電荷總量相等，因此它是近似電中性的，所以就叫等離子體。

圖1：傳統(tǒng)等離子刻蝕工藝 來(lái)源：Lam Research

RIE設(shè)備雖快速可靠，但挑戰(zhàn)仍存。首先，芯片制造商必須處理那些很小甚至沒(méi)有空間的微小功能。如據(jù)Lam所說(shuō)，一個(gè)晶體管柵極結(jié)構(gòu)可能是10nm寬，制造中只允許在1nm范圍內(nèi)變化。

然后，傳統(tǒng)蝕刻設(shè)備中電極在高溫高壓下激發(fā)等離子體轟擊晶片，這對(duì)于微小的結(jié)構(gòu)制造很有效，但也有可能會(huì)損壞結(jié)構(gòu)。因此，不論是對(duì)于這種結(jié)構(gòu)還是其他某種結(jié)構(gòu)，需要有選擇性地去除目標(biāo)材料而不損壞其他部分。

那這就是ALE應(yīng)用的場(chǎng)景。應(yīng)用材料的Mitra認(rèn)為：“ALE有兩個(gè)基本條件：一是它以自我限制的方式去除單個(gè)原子層；二是它不會(huì)觸及和破壞底層和周?chē)牟牧稀！?/p>

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，ALE的研發(fā)一度停滯過(guò)幾年。它是一個(gè)一直在尋找適合應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)。但在過(guò)去的一兩年里，ALE市場(chǎng)開(kāi)始升溫。 Applied，Lam，TEL等設(shè)備制造商在市場(chǎng)上推出了第一批基于ALE的蝕刻系統(tǒng)。

最后，芯片制造商發(fā)現(xiàn)了未來(lái)生產(chǎn)對(duì)ALE的需求。 Lam Research高級(jí)副總裁兼技術(shù)研究員David Hemker在最近的一次活動(dòng)中表示：“ALE是使某些集成工藝步驟能夠在7nm和5nm進(jìn)行蝕刻的唯一方式，而且我們看到ALE將會(huì)越來(lái)越多地被應(yīng)用?！?/p>

ALE正在應(yīng)用于一些特定的領(lǐng)域。TEL公司技術(shù)開(kāi)發(fā)和工藝工程高級(jí)總監(jiān)Peter Biolsi說(shuō)：“目前ALE在兩個(gè)主要領(lǐng)域得到應(yīng)用，一是那些間距或者空間商非常緊密的可能發(fā)生孔洞“堵塞”的蝕刻，二是具有超高選擇性和均勻性應(yīng)用?！?/p>

在技術(shù)方面，ALE與原子層沉積（ALD）也有關(guān)系。ALD的原理是反應(yīng)物先被泵入腔室鋪滿表面，然后清除化學(xué)物質(zhì)并重復(fù)該過(guò)程，從而一次形成單原子層的單層材料。

ALD是一個(gè)緩慢的過(guò)程，但是技術(shù)應(yīng)用幾年前就已經(jīng)開(kāi)始。如今，ALD應(yīng)用于邏輯芯片制造中高K值金屬柵極的堆棧、DRAM中的電容成型及多重掩膜化。

相比之下，ALE與ALD相反。 ALE以一種自我限制且有序的方式在原子尺度逐層去除材料。

ALE可以匹配不同的應(yīng)用場(chǎng)景，可以是在現(xiàn)有蝕刻設(shè)備配備具有針對(duì)性的ALE腔室也可以是專(zhuān)用ALE系統(tǒng)。

但不管如何匹配，ALE過(guò)程都涉及到復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。在Lam提供的事例中，ALE腔內(nèi)注入氯氣，氯分子被吸收到表面形成氯化層，從腔室中除去未反應(yīng)的氯氣，然后注入氬離子轟擊晶圓，除去薄氯化層不需要的部分。

圖2：ALE工藝循環(huán) 來(lái)源：Lam Research

還有其他通過(guò)大量材料組合來(lái)實(shí)現(xiàn)ALE的方法。那么最好的是什么呢？

TEL的Biolsi說(shuō)：“我們覺(jué)得沒(méi)有最好的辦法，我們需要具備使用所有方法的能力，以最好地適應(yīng)所要蝕刻的材料和應(yīng)用場(chǎng)景?！?/p>

盡管可能有多種分類(lèi)方法，但根據(jù)科羅拉多大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系教授Steven George的說(shuō)法，ALE可分為兩大——等離子體ALE和高溫ALE。當(dāng)然也有試圖結(jié)合兩種技術(shù)的高溫等離子體ALE技術(shù)。

等離子ALE和高溫ALE適用于不同類(lèi)型的蝕刻，盡管在某些相同的過(guò)程中它們是一起使用的 。George說(shuō)：“ALE方面，等離子體ALE使用高能離子或中性物質(zhì)從表面上剔除物質(zhì)的方法來(lái)進(jìn)行蝕刻；而高溫ALE應(yīng)用于特定的高溫氣相反應(yīng)?！?/p>

長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，等離子體ALE一直在生產(chǎn)中應(yīng)用。通常是等離子體ALE進(jìn)行各向異性或定向蝕刻，相反的，高溫ALE執(zhí)行各向同性或單向蝕刻。

“等離子ALE是定向的。例如，如果您需要鉆一個(gè)孔，則需要等離子體來(lái)完成該操作。等離子體ALE或等離子體處理一般可以做到的事情，你無(wú)法用高溫ALE的方式來(lái)完成?！盙eorge說(shuō)。

等離子體ALE具有有限的各向同性能力。他解釋說(shuō)：“被加速的等離子體是有方向性的，而且等離子體也可以產(chǎn)生其他諸如自由基一類(lèi)的物質(zhì)。這些自由基也來(lái)自等離子體源，它們的運(yùn)動(dòng)有一定范圍，不會(huì)四處游走?！?/p>

相反，高溫ALE針對(duì)更具挑戰(zhàn)的各向同性蝕刻。高溫只是一種各向同性蝕刻方法，但并不唯一。有些廠家正在使用更加激進(jìn)的方法。

圖3：定向蝕刻（a）垂直方向的蝕刻速率遠(yuǎn)大于橫向的蝕刻速率，以及各向同性蝕刻（b），其在所有方向上以相同的速率蝕刻材料。來(lái)源：Lam Research。

對(duì)于各向同性蝕刻，ALE設(shè)備會(huì)發(fā)出可以在任何地方傳播的氣體分子。所以蝕刻發(fā)生在氣體分子存在的任何地方。 George說(shuō)“這些氣體分子對(duì)于原有體系來(lái)說(shuō)是活躍的新物質(zhì)，就像新闖入一個(gè)街區(qū)的小孩，吸引著所有人的注意，這就讓高溫ALE具備一些等離子體ALE所不具備的潛在能力。高溫ALE的互補(bǔ)性使它可以讓你決定如何蝕刻而不需要特定材料。這是一個(gè)大問(wèn)題?！?/p>

高溫ALE不會(huì)取代等離子體ALE，反之亦然。芯片制造商可以使用兩者來(lái)完成不同的任務(wù)。

同時(shí)，一些研究機(jī)構(gòu)正在開(kāi)發(fā)高溫等離子體ALE技術(shù)。“這樣就可以獲得一些高溫ALE的優(yōu)點(diǎn)和等離子體方向性上的優(yōu)勢(shì)。” George說(shuō)。

混合技術(shù)仍然在研發(fā)當(dāng)中。等離子ALE已經(jīng)應(yīng)用與生產(chǎn)中，但高溫ALE仍處于早期階段，必須在更廣泛的材料上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

然后，不管用何方法，對(duì)于ALE的各向異性和各向同性蝕刻都有一些挑戰(zhàn)。據(jù)埃因霍溫科技大學(xué)（EIT）應(yīng)用物理系教授Erwin Kessels介紹，對(duì)于各向異性的ALE，挑戰(zhàn)在于維持自我限制機(jī)制，這要求精確控制離子能量和工藝條件。

各向同性的ALE更具挑戰(zhàn)性。Kessels說(shuō)：“我一直在說(shuō)每個(gè)人都想要各向同性，但是還沒(méi)有人知道如何去做。開(kāi)發(fā)各向同性的ALE工藝是一個(gè)挑戰(zhàn)?！?/p>

通常，高溫ALE利用氣相反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各向同性的蝕刻。其他人正在使用不同的方法獲得相同的結(jié)果。

例如，利用其專(zhuān)用的ALE設(shè)備，應(yīng)用材料公司使用它所認(rèn)為的先進(jìn)工藝（radical-based）來(lái)進(jìn)行各向同性蝕刻，通過(guò)兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)，首先進(jìn)行表面特殊化處理，然后基于自由基的蝕刻方法去除目標(biāo)材料。

Applied的Mitra說(shuō)：“我們不需要繼續(xù)加熱，因?yàn)椋╮adical-based）工藝溫度更高，這種方法選擇性非常高。它可以蝕刻一種材料而不接觸另一個(gè)表面?！?/p>

EIT的Kessels在解釋這個(gè)特定的過(guò)程時(shí)說(shuō)：“這就是我們所說(shuō)的各向同性蝕刻過(guò)程，它是由自由基驅(qū)動(dòng)的。所以，你可以用它做各向同性的蝕刻工藝。根據(jù)晶圓上的材料組合，您可以以極佳的選擇性做到這一點(diǎn)。”

總之，ALE實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用。以下是各向異性和各向同性的一些對(duì)比：

1、晶體管結(jié)構(gòu)：目前，ALE正在生產(chǎn)中用于創(chuàng)建自我匹配的連接 （見(jiàn)下面圖3）

2、極紫外光刻：ALE將被用作平滑技術(shù)來(lái)解決由EUV掩膜版引起的線邊緣粗糙度問(wèn)題，ALE也是針對(duì)類(lèi)似應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。

3、全柵極FET：全柵極（GAA）是一種finFET，其側(cè)面上具有柵極纏繞的，未來(lái)可能出現(xiàn)在5nm工藝中。

圖4：自對(duì)準(zhǔn)接觸的ALE工藝。來(lái)源：Lam Research

GAA流程的第一步是制作由硅鍺（SiGe）和硅（Si）交替層組成的超晶格結(jié)構(gòu)。在工藝過(guò)程中，硅鍺層必須被去除而不接觸硅層。對(duì)于這個(gè)工藝流程，ALE是唯一的方法。

圖5：使用ALE的原因。資料來(lái)源：應(yīng)用材料

ALE的下一步是什么？

綜上，ALE正在生產(chǎn)中應(yīng)用。但是它未來(lái)仍會(huì)在業(yè)界取得什么重大的進(jìn)展？

現(xiàn)在得出討論還為時(shí)過(guò)早。ALE仍處于起步階段，邏輯芯片廠和代工廠是16nm / 14nm/ 10nm的首批采用者。晨星公司的Davuluri說(shuō)：“10nm工藝下，ALE主要用于形成接觸。未來(lái)最有可能的情況，是當(dāng)我們轉(zhuǎn)向7nm，5nm和3nm工藝時(shí)，它將主要應(yīng)用于晶體管成型。”

但是和以前一樣，ALE也有一些挑戰(zhàn) - 成本和產(chǎn)能。他說(shuō)：“與ALE提高的精確性和準(zhǔn)確性相伴，成本也是極高的，工藝流程中的工藝時(shí)間和步驟周期，都比一些更傳統(tǒng)的蝕刻方法要大得多。

這將限制英特爾，臺(tái)積電和三星采用ALE。他說(shuō)：“除了絕對(duì)必要的地方之外，他們會(huì)試圖限制使用AIE。那是一些需要絕對(duì)完美的蝕刻的地方?！?/p>

還有其他因素。例如，據(jù)報(bào)道英特爾在10納米的某些步驟使用ALE。最初英特爾的10nm工藝本來(lái)應(yīng)該在今年年底量產(chǎn)。他說(shuō)：“取代年底量產(chǎn)計(jì)劃的，是2018年全面實(shí)施?！?/p>

考慮到這些問(wèn)題，ALE市場(chǎng)的總體規(guī)模是一個(gè)動(dòng)態(tài)的目標(biāo)。根據(jù)晨星公司的數(shù)據(jù)，目前ALE的業(yè)務(wù)介于5000萬(wàn)美元到1億美元之間。他說(shuō)：“這是一個(gè)相當(dāng)樂(lè)觀的估計(jì)，到2020財(cái)年，包括ALE在內(nèi)的選擇性蝕刻將具有4.5億美元的市場(chǎng)。”

實(shí)際上，應(yīng)用材料公司銷(xiāo)售兩套ALE系統(tǒng)。第一個(gè)設(shè)備（Sym3）是一個(gè)通用的蝕刻系統(tǒng)。它可以匹配各向異性蝕刻的等離子體ALE，例如自對(duì)準(zhǔn)接觸和基底間隔物成型。

應(yīng)用材料的Mitra說(shuō)：“你可以在現(xiàn)有的反應(yīng)腔體里做ALE。通過(guò)正確的控制做快速切換和脈沖，升級(jí)現(xiàn)有的反應(yīng)腔體。ALE最大的缺點(diǎn)是很慢，關(guān)鍵是如何將反應(yīng)物快速移出。所以你需要一個(gè)電導(dǎo)率非常好的反應(yīng)腔體?！?/p>

第二個(gè)設(shè)備（Selectra）是專(zhuān)門(mén)用于各向同性應(yīng)用的ALE系統(tǒng)?！霸谶x擇性蝕刻領(lǐng)域，我們是唯一有設(shè)備能力的公司。”米特拉說(shuō)。

邏輯芯片是第一個(gè)應(yīng)用，但不是唯一的。 Mitra說(shuō)：“雖然各向異性現(xiàn)在有更多的應(yīng)用，但各向同性蝕刻適應(yīng)新的應(yīng)用和變化。它使客戶能夠解決新的問(wèn)題，特別是當(dāng)客戶正在越來(lái)越多的向3D制程進(jìn)軍時(shí)。如果你看一下3D NAND結(jié)構(gòu)，就知道為了深入到結(jié)構(gòu)中進(jìn)行蝕刻，就可能需要橫向蝕刻。這是傳統(tǒng)的蝕刻系統(tǒng)無(wú)法做到的一點(diǎn)。“

然后，在研發(fā)方面，應(yīng)用材料正在為ALE開(kāi)發(fā)下一代電子束等離子設(shè)備。電子束在腔室中產(chǎn)生等離子體，得到更低的電勢(shì)（0.3eV）和離子能量（<2eV）。Mitra說(shuō)：“這是才真正的原子控制，電子束是用來(lái)產(chǎn)生電勢(shì)很低的離子?！?/p>

電子束ALE仍處于尋路階段。 Mitra說(shuō)：“你可以用它來(lái)做一些奇特的事情。對(duì)于接下來(lái)的兩三個(gè)節(jié)點(diǎn)，我認(rèn)為你不需要像電子束源那樣的東西。”

所以公司當(dāng)前的ALE設(shè)備可以為未來(lái)的兩到三個(gè)節(jié)點(diǎn)做好工作。展望未來(lái)，目前設(shè)備的目標(biāo)是提高能力和產(chǎn)能。

與此同時(shí)，Lam Research發(fā)布了一個(gè)具有定向ALE功能的刻蝕系統(tǒng)?，F(xiàn)在，Lam正研究在最新的設(shè)備型號(hào)（Kiyo和Flex）中應(yīng)用新的定向ALE技術(shù)。

Lam公司蝕刻產(chǎn)品副總裁Thorsten Lill表示：“我們看到ALE可以應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不斷增加，大多數(shù)關(guān)鍵的蝕刻需要方向性，因此定向ALE值得被關(guān)注?！?/p>

像應(yīng)用材料一樣，Lam也看到了對(duì)各向同性ALE的需求。 Lill說(shuō)：“垂直器件集成驅(qū)動(dòng)了對(duì)各向同性蝕刻的需求，未來(lái)將有必要增加各向同性ALE蝕刻技術(shù)”。

同時(shí)，TEL銷(xiāo)售傳統(tǒng)的蝕刻產(chǎn)品以及ALE氣體化學(xué)蝕刻系統(tǒng)（Certas）。TEL的Biolsi說(shuō)：“TEL已經(jīng)采用各向異性和各向同性的ALE方法進(jìn)行硅的電介質(zhì)蝕刻和各向異性蝕刻。硅的各向同性ALE仍在改進(jìn)之中。

晶圓廠設(shè)備供應(yīng)商正在忙于研究不同的ALE方法。該技術(shù)正在被用于有針對(duì)性的場(chǎng)景，但是隨著時(shí)間的推移，該技術(shù)還將與ALD技術(shù)一起應(yīng)用。

ALE也將在一個(gè)名為選擇性沉積的新興領(lǐng)域發(fā)揮作用。將新型化學(xué)品與ALD相結(jié)合，選擇性沉積涉及在確切位置沉積材料和薄膜的工藝。

CU的George說(shuō)：“ALE將與原子層沉積相輔相成，你可以用ALD控制薄膜。然后使用ALE，就能夠以相輔相成的方式去除材料?！?/p>

選擇性ALE是另一項(xiàng)需要關(guān)注的技術(shù)。當(dāng)前的ALE技術(shù)條件下，設(shè)備可以去除目標(biāo)結(jié)構(gòu)。選擇性ALE更進(jìn)一步，仍然在研發(fā)中。George說(shuō)：“想象一下你有一個(gè)基板或設(shè)備，表面上有許多不同的材料。 當(dāng)你想蝕刻所有的氧化鉿或者蝕刻所有的硅。為了做到這一點(diǎn)，控制將是非常重要的?！?/p>

芯片制造商仍在探索ALE的所有可能性。這項(xiàng)技術(shù)還處于起步階段，目前正在整合中。 EIT公司的Kessels說(shuō)：“蝕刻，表面處理或者沉積技術(shù)的組合將會(huì)誕生許多混合工藝，我們正站在原子尺度制造工藝的開(kāi)端?！?/p>