下一代蚀刻方法是必要和成熟的，但它仍然缓慢。
半导体行业正在开发下一波应用程序原子层蚀刻(ALE)，希望在一些新兴市场获得立足点。
ALE是一种下一代蚀刻技术，可以在原子尺度上去除材料，是用于在晶圆厂加工高级设备的几种工具之一。ALE在2016年左右开始针对特定应用进行生产，但由于过程缓慢，这项技术还没有得到广泛部署。现在业界正在寻找ALE在内存和逻辑方面的新应用，以及III-V材料和奇异金属。只要ALE能够克服一些挑战，它就有机会打入这些市场和其他市场。
ALE是市场上几种蚀刻技术中的一种。蚀刻本身与沉积相结合。在芯片生产中，芯片制造商使用沉积系统将材料沉积在晶圆上。然后他们使用蚀刻系统，用化学过程去除不需要的材料。主流的蚀刻工具类型被称为反应离子蚀刻(RIE)，它已经在芯片生产中使用了几十年。基本上，基于rie的蚀刻系统在连续的基础上移除器件中的材料。
在高级节点，RIE蚀刻器和其他设备被用于制造芯片，尽管存在一些挑战。随着芯片每个节点的尺寸越来越小，芯片制造商在整个流程中只处理原子。因此，在晶圆厂的特定步骤中，芯片制造商使用的设备在原子水平上处理芯片，即原子层沉积(ALD)和ALE。ALD是一种成熟的技术，在原子尺度上沉积薄膜。
ALE较新，不太成熟。通常，供应商提供独立的ALE设备或将这些过程集成到基于rie的蚀刻机中。ALE采用两步工艺，在不破坏结构其他部分的情况下，选择性地在原子尺度上去除目标材料。“使用ALE，你可以隔离不同的步骤，”Rick Gottscho解释道林的研究．“通过在时间和空间上分离事物，现在你已经把问题分解成更小的部分，每个部分都可以独立地优化。”
图1:基于连续表面改性和挥发性物质释放反应的ALE过程示意图。资料来源:科罗拉多大学
与RIE蚀刻工具不同，ALE并不是用于晶圆厂的每个设备。“ALE以某种方式应用于内存等领域。但它并没有被广泛应用，”超大规模集成电路研究公司总裁Risto Puhakka说。“与整个蚀刻市场相比，ALE的市场规模仍然相当有限。开发一项新技术需要时间。”
ALE不能解决工厂中的所有问题，尽管它被认为是工具箱中的一个有价值的工具。因此，在研发部门，围绕ALE展开了一系列活动。在最近的ALD/ALE 2020会议上，公司、研发机构和大学发表了关于ALE未来发展的论文。它们包括:
图2:各向同性或单向蚀刻(上)vs.各向异性或定向蚀刻(下)维基百科
什么是蚀刻?
根据VLSI Research的数据，尽管商业环境艰难，但半导体设备市场预计在2020年将达到827亿美元，比2019年增长7.3%。VLSI Research首席执行官Dan Hutcheson表示:“业务很强劲。“这在很大程度上是由中国推动的。设备行业在中国的增长正在抵消其他任何地方的疲软。”
根据VLSI Research的数据，其中蚀刻市场预计在2020年将达到约120亿美元，比2019年增长8%。2021年，蚀刻市场将增长6%。
根据该公司的说法，根据市场份额，“三大”蚀刻供应商是应用材料、Lam Research和TEL。AMEC、日立高科技、KLA等也在市场上竞争。
根据VLSI Research的数据，在整个蚀刻市场中，ALE仍然很小，代表着“几亿美元”的业务。应用，Lam和TEL是主要的ALE玩家。日立(Hitachi)、牛津(Oxford)和其他公司在这里展开竞争。
蚀刻技术并不新鲜。这项技术可以追溯到20世纪60年代末，当时Signetics进行了等离子蚀刻的早期工作。然后，在20世纪70年代和80年代，出现了几个商业蚀刻供应商。20世纪80年代，大学开始探索ALE。
在技术方面，蚀刻市场分为湿式和干式两类。湿法蚀刻使用液体化学物质去除材料。干蚀刻或等离子蚀刻是两个市场中较大的一个，涉及ALE和RIE。
在晶圆厂，主力蚀刻工具是基于RIE技术。在RIE蚀刻系统中，晶圆位于带有等离子体源的反应器中。气体被引入系统，等离子体将气体分解，产生离子和活性中性物质。然后，离子和物质轰击晶圆预先定义的部分，从而去除材料。
几年前，这个过程很简单。RIE蚀刻机只需要在单一材料中蚀刻沟槽或其他结构。
图3:干式蚀刻工艺简化示意图。来源:维基百科
今天的逻辑和存储设备更加复杂，这对蚀刻和其他设备提出了一些挑战。取3 d与非为例。与平面NAND不同，平面NAND是2D结构，3D NAND类似于垂直的摩天大楼，其中水平层的存储单元堆叠起来，然后使用微小的垂直通道连接起来。
3D NAND是通过设备中堆叠的层数来量化的。随着层数的增加，比特密度也随之增加。如今，供应商正在出货96层3D NAND设备，128层产品正在生产中。
“3D NAND闪存使新一代非易失性固态存储成为可能，几乎适用于所有可以想象到的电子设备，”苹果公司软件应用工程师Timothy Yang说Coventor是一家Lam研究公司．“3D NAND可以实现超过2D NAND结构的数据密度，即使是在下一代技术节点上制造。”
但在3D NAND中，有几个沉积和蚀刻的挑战。首先，供应商在衬底上沉积交替薄膜。这个过程重复几次，直到给定的设备具有所需的层数。然后，使用RIE蚀刻器，从设备堆栈的顶部钻到基板的微小通道。96层设备的纵横比为50:1。
每个微小的通道必须是平行和均匀的，这是一个具有挑战性的任务。“你不仅要控制cd和覆盖该公司的产品营销总监Efi Megged表示:“这是一种新型的、非常高的设备结构，同时也解决了与轮廓控制相关的挑战。心理契约．
除了3D NAND之外，先进的晶体管、DRAM和新的存储器类型也有不同材料的复杂结构。
为了应对这些挑战，芯片制造商需要先进的RIE刻蚀器。这些工具必须处理大量的进程。芯片制造商为每个过程调整蚀刻器。
“一台蚀刻机大约有300个传感器。你有权力。你有化学反应和流速。你有很多不同的参数来控制蚀刻机，”该公司副总裁兼副总经理Ben Rathsack说美国电话号码他在最近的一次演讲中说。“你在使用不同的化学物质。你正在追求特定的蚀刻轮廓，特别是高宽高比蚀刻。这变得极其关键。”
搬到ALE
除了RIE蚀刻机，芯片制造商还使用ALE进行高级芯片生产。今天先进的芯片由三个部分组成——晶体管、触点和互连。晶体管起开关的作用。
的互联它由微小的铜线组成，将电信号从一个晶体管传输到另一个晶体管。然后，一层称为中线连接晶体管，并使用微小的接触结构相互连接。
在每个节点上，晶体管结构变得越来越小，越来越复杂。TEL的高级技术人员Robert Clark在ALD/ALE 2020年会议上的一次演讲中说:“目前我们正在缩小尺寸。”“我们正在接近需要开始计算原子数量的临界点。”
这反过来又提出了一些沉积和蚀刻的挑战。“建筑正变得越来越高、越来越薄。我们需要绕过弯道，在我们甚至看不到我们试图沉积的东西的地下操作，”克拉克说。
有一些解决方案。“实现这一目标的方法是引入我所谓的自对齐技术。我们需要自对齐结构，使我们能够降落，例如，从一个金属层到另一个金属层。”他说。“我们需要原子层沉积(ALD)和原子层蚀刻(ALE)等原子级技术，以控制具有良好一致性的高纵横比结构的厚度。”
ALD用于将材料沉积在表面上，一次一层。这是一个缓慢但可靠的过程。多年来，芯片制造商一直在逻辑和存储器中使用ALD。
ALE也很慢，与ALD相反。ALE采用两步自限制过程去除材料。在某些情况下，ALD和ALE可以在同一过程中协同工作。
经过多年的研发，ALE终于在2016年左右投入生产。最初，该技术用于芯片中的自对准触点。它已经扩展到其他领域。
以触点为例，它是带有微小间隙的结构。ALE被用来形成这些间隙，随后被钴填充。该过程包括将一种反应物泵入表面，然后使用第二种反应物去除材料并形成缝隙。ALE的诀窍是在不破坏结构其他部分的情况下做到这一点。
在Lam的ALE例子中，晶圆位于ALE系统的腔室中。第一步是向腔内的硅表面注入氯气。氯分子在表面被吸收，这反过来又改变了表面。然后，在腔室中注入氩离子，轰击表面并去除改性层，Lam说。
Lam的Gottscho说:“有了ALE，你把这个经过修饰的层放入一些能量源，然后有选择地把它吸收掉。”“你可以用离子来做，也可以用温度来做，也可以用光子来做。你切断了底层和改性基板之间的键。这些键比衬底内部的键更弱，这就是为什么你一次“一层”被移除的原因。这里有引号，因为它通常不止一层因为表面修饰不是一层。它有一定的深度。”
有两种类型的ale -等离子体和热。正在生产的等离子体ALE可以进行定向或各向异性蚀刻。“等离子体ALE去除带有高能离子或中性原子的表面物种。由于高能离子和中性原子的方向性，等离子体ALE产生了各向异性蚀刻，这是制造高纵横比特征所需要的，”科罗拉多大学(CU)的化学教授Steven George说。
热ALE更具挑战性，它使用热反应进行单向或各向同性蚀刻。今天，等离子体ALE正在取得进展，而热仍处于发展阶段。乔治说:“我不相信热ALE已经投入生产。”“然而，许多供应商正在研究热式ALE。”
这两种ALE类型都适用于某些应用。例如，ALE可以用来去除结构中的材料，形成具有10到15埃或5个原子宽的间隙的沟槽。(1埃等于0.1nm。)
在另一种应用中，等离子体ALE可用于处理触点。ALE也被用作平滑技术来修复线边缘粗糙问题EUV模式。
在许多应用程序中，ALE不是必需的，或者太慢。传统的RIE可以完成这项工作。决定使用一种技术而不是另一种技术取决于应用程序、成本和性能。
尽管如此，该行业仍在继续开发等离子ALE。衡量ALE的一个指标是Lam所说的“协同效应”。这个术语描述了生成的ALE减去不需要的反应的量。目标是在ALE过程中获得100%的协同。
在硅基工艺中，等离子体ALE起作用。然而，硅基ALE工艺有时容易发生不必要的反应。专家称，协同效应有时在80%到90%之间。
事实证明，等离子体ALE在Lam所谓的“超级ALE”材料中获得了更高的协同效应，这种材料通常是耐热和耐磨的。金刚石、非晶态碳和各种难熔金属被认为是“超级ale”材料。GaN技术也很有前景。
“他们都有什么共同点?”它们都具有很高的表面结合能，”Lam高级技术总监Keren Kanarik在ALD/ALE会议上表示。“选择一种坚硬且难以蚀刻的材料。这就是你想要的ALE。这是关于强度，使材料也能抵抗这些不良反应。”
这反过来又为可与ALE一起使用的一类新材料打开了大门。例如，ALE可以帮助“超级ALE”材料的表面光滑。在另一个应用中，Leti和Lam最近发表了一篇关于在GaN中使用等离子体ALE进行栅极蚀刻的论文。“栅极模式选择的策略是隐窝栅极，这意味着在堆栈中有很深的隐窝(超过100nm)，以产生正常关闭的晶体管。ALE工艺非常有前途，因为它们允许氮化镓蚀刻很少退化，但它们非常缓慢。因此，由于蚀刻时间太长，采用全ale工艺的蚀刻不适合工业环境。Leti．“开发的解决方案是使用经典的快速等离子体工艺开始栅极蚀刻，并通过几个ALE循环完成。这种组合提供了更快的蚀刻速度和减少降解。”
更多的啤酒
同时，热工ALE也是一个活跃的研究领域。与等离子ALE不同，热ALE刚刚扎根。“热ALE仍处于起步阶段，”CU的George说。“还有更多的材料需要通过热ALE来证明。对所有不同途径的热ALE机制的理解仍在发展中。”
行业才刚刚开始了解这些机制。乔治在最近的一篇论文中说:“金属氧化物的主要热ALE机制是基于氟化反应和配体交换反应。”“氟化反应是表面改性反应。氟化在热化学上是有利的，因为大多数金属氟化物比相应的金属氧化物更稳定。氟化的一个困难是一些金属氟化物易挥发。这些金属氧化物需要不同的热ALE机制。”
尽管如此，研究人员正在探索热ALE的几种应用。它们包括:
热ALE对于使用ALD和ALE组合的“沉积和蚀刻”策略也很重要。“ALD将用于沉积连续薄膜，而热ALE将用于蚀刻所需的厚度。‘沉积和蚀刻’策略对于由于成核困难而不能直接使用ALD形成的超薄膜非常重要，”George说。
今天，一些但不是所有这些应用程序都使用传统的RIE，这是经过验证的和具有成本效益的。热工ALE需要一些新的突破来打入这些市场。
但如果该行业能够推进热ALE技术，该技术就有一些优势。热式ALE不易损坏。随着设备越来越3D化，各向同性蚀刻也就越来越必要。以摩天大楼为例，RIE可以蚀刻垂直的电梯井，但不能蚀刻水平的走廊。
考虑到这一点，业界正在瞄准下一代3nm和/或2nm纳米片FET晶体管的各向同性ALE。一个nanosheet场效应晶体管在它的一侧是一个finFET，它周围环绕着一个栅极。
在一个简单的工艺流程中，纳米片场效应晶体管首先在衬底上形成超晶格结构。这种结构由硅锗(SiGe)和基板上的硅交替层组成。
然后在超晶格结构中形成垂直翅片，然后发展内部间隔。在这一步中，超晶格结构中SiGe层的外部部分使用各向同性蚀刻技术进行凹进。这是一个极其困难的过程。
但是，IBM和TEL最近为这个应用程序描述了一种蚀刻技术。这涉及到水平各向同性SiGe干蚀刻技术，纵横比为150:1。
与此同时，在ALD/ALE 2020年，特拉华大学发表了一篇关于金属和合金，即钴、铁和CoFeB(钴-铁-硼)使用热ALE的论文。CoFeB之所以引起人们的兴趣，是因为它被用于形成磁隧道结(MTJ)堆栈，用于下一代存储技术STT-MRAM．
特拉华大学教授Andrew Teplyakov说:“这些材料的性质是这样的，它们ALE中的一个化学步骤必须通过动力学控制来实现真正的ALE体系，我们已经通过结合表面氯化以及氯化表面与二酮的反应来证明这一点。”“然而，为了为组合合金金属选择加工条件，必须了解蚀刻的机制。”
最近，研究人员发现了这种机制背后的基本原因。Teplyakov说:“对于包括MTJ在内的应用，ALE是很有前途的，因为它是一种有效而精确的去除材料的方法，而且这个过程不会增加(实际上是减少)表面粗糙度。”
同样在会议上，CU发表了一篇关于氧化钽(Ta2O5)化合物和氮化钽(TaN)。目标是使用Ta2O5金属门为TaN。助教2O5是一种有用的介电材料。
然而，金属的热ALE仍然具有挑战性。“选择性具有挑战性，因为需要金属前驱体在配体交换过程中产生稳定且易挥发的一种材料产物，”CU的George说。“然而，类似的配体交换反应并不适用于其他周围材料。要知道哪些金属前体可以通过配体交换反应产生所需的稳定和易挥发的产品，需要对化学有广泛的了解。”
结论
ALE绝对是一项值得关注的技术。它可以帮助实现下一代逻辑和存储芯片，更不用说其他技术了。
基于这些芯片和其他芯片所面临的挑战，芯片制造商需要他们所能得到的一切帮助。
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