高深寬比刻蝕和納米級(jí)圖形化推進(jìn)存儲(chǔ)器的路線圖

探索未來三到五年生產(chǎn)可能面臨的挑戰(zhàn)，以經(jīng)濟(jì)的成本為晶圓廠提供解決方案

作者：泛林集團(tuán) 先進(jìn)技術(shù)發(fā)展事業(yè)部公司副總裁潘陽博士、先進(jìn)技術(shù)發(fā)展事業(yè)部 / CTO辦公室研究員 Samantha Tan 和全球產(chǎn)品事業(yè)部副總裁 Richard Wise

隨著市場需求推動(dòng)存儲(chǔ)器技術(shù)向更高密度、更優(yōu)性能、新材料、3D堆棧、高深寬比 （HAR） 刻蝕和極紫外 （EUV） 光刻發(fā)展，泛林集團(tuán)正在探索未來三到五年生產(chǎn)可能面臨的挑戰(zhàn)，以經(jīng)濟(jì)的成本為晶圓廠提供解決方案。

增加3D NAND閃存存儲(chǔ)容量的一種方法是堆棧加層，但堆棧高度的增加會(huì)帶來更大的挑戰(zhàn)。雖然這些挑戰(zhàn)中最明顯的是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，但層數(shù)的增加意味著需要使用更深的通道來觸及每個(gè)字線、以及更窄的狹縫溝槽以隔離連接到位線的通道（圖1）。

圖1：隨著3D NAND堆棧超過128層，堆棧高度接近7微米，并將所需的通道孔和狹縫轉(zhuǎn)變?yōu)楦呱顚挶?（HAR） 特征，刻蝕的挑戰(zhàn)越來越大。

高深寬比刻蝕的挑戰(zhàn)

在硬掩膜沉積和開口形成以便刻蝕垂直通道之前，沉積交替的氧化物和氮化物薄膜層就是3D NAND生產(chǎn)工藝的開始，高深寬比刻蝕挑戰(zhàn)也從這里開始。

隨著行業(yè)向128層及更多層數(shù)發(fā)展，堆棧深度接近7微米，硬掩膜的厚度約為2-3微米，通道孔的深寬比正在接近90到100。

在此之后，應(yīng)對(duì)在大量層中形成狹縫的挑戰(zhàn)之前，會(huì)創(chuàng)建圖1所示的“梯式”結(jié)構(gòu)。沉積一層硬掩膜，將開口圖形化并進(jìn)行單步刻蝕以在所有的層形成狹縫。最后，必須去除氮化物層并創(chuàng)建鎢字線。

為了使高深寬比結(jié)構(gòu)的反應(yīng)離子刻蝕 （RIE） 起作用，離子和中性反應(yīng)物之間必須有協(xié)同作用。然而由于多種機(jī)制的阻礙，處理高深寬比結(jié)構(gòu)時(shí)，很容易失去這種協(xié)同作用。

圖2：離子和中性反應(yīng)物被遮蔽，深寬比相關(guān)傳導(dǎo)以及離子角分布是導(dǎo)致關(guān)鍵尺寸變化、刻蝕不完全、彎曲和扭曲等缺陷的重要因素。

首先，高壓會(huì)導(dǎo)致等離子鞘層中的離子散射，并分散通常非等向性的離子能量或角分布。因此，離子會(huì)錯(cuò)過孔或以更大的角度入射，撞到特征的頂部或側(cè)壁。這種離子“遮蔽”使離子-中性反應(yīng)物通量比率偏離協(xié)同作用（圖2）。

如果將離子推下高深寬比特征，離子能量可能會(huì)增加，但這會(huì)增加掩膜消耗，反過來又需要更厚的掩膜或硬掩膜材料的創(chuàng)新。

除了這一挑戰(zhàn)，還有離子撞擊側(cè)壁并導(dǎo)致通道某些部位關(guān)鍵尺寸 （CD） 大于所需的問題。當(dāng)這種“彎曲”（圖2）變得太大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)孔接在一起。

但還有一個(gè)更大的問題——沿孔“扭曲”，這是由于射頻等離子體系統(tǒng)中高階諧波變形的充電效應(yīng)導(dǎo)致了離子角分布的輕微變化。

高深寬比刻蝕問題的解決方案

仔細(xì)觀察等離子體系統(tǒng)，尤其是射頻子系統(tǒng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)解決方案。事實(shí)證明，降低頻率，使得通過高壓鞘層加速的離子傳輸時(shí)間接近半周期，就能最大化給定射頻功率的離子能量峰值。頻率降低和離子能量峰值提升導(dǎo)致離子的角分布減小，使它們更有可能到達(dá)高深寬比特征的底部（圖3）。

圖3：降低等離子體頻率會(huì)減小離子的角分布，增加它們到達(dá)高深寬比特征底部的可能性。

因此，硬件設(shè)計(jì)專注向更低頻率、更高功率和更低占空比發(fā)展。

盡管改變了硬件設(shè)計(jì)，但在128層或更多層數(shù)的常用氧化物/氮化物 （ONON） 刻蝕6.9微米深的通道孔仍然非常困難。

因此，泛林正在測試一種不同的方法來實(shí)現(xiàn)所需的刻蝕深度，即先通過設(shè)定（例如5微米）刻蝕通道孔，然后在側(cè)壁上沉積保護(hù)性襯墊，以避免過度的橫向刻蝕。在隨后的步驟中，通道孔一直刻蝕到6.9微米。

添加襯墊以在不增加整個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸的情況下進(jìn)行額外的1微米刻蝕。雖然這個(gè)過程仍然需要諸多優(yōu)化，但該測試展示了一條很有前途的、刻蝕更小更深孔的途徑。

圖形化面臨的挑戰(zhàn)和協(xié)同優(yōu)化

邏輯和存儲(chǔ)的圖形化可能是芯片制造商削減成本和優(yōu)化性能的重中之重?，F(xiàn)在，這一切都關(guān)乎以最小的變化縮小到更小的結(jié)構(gòu)。這種變化可以通過邊緣定位誤差 （EPE） 來衡量。

例如，對(duì)準(zhǔn)孔面臨幾個(gè)變量的挑戰(zhàn)，例如線邊緣粗糙度、掃描儀套準(zhǔn)精度誤差以及關(guān)鍵尺寸變化，包括由EUV曝光隨機(jī)誤差引起的局部關(guān)鍵尺寸變化。器件設(shè)計(jì)通常受限于變化的極值，而不是平均值。比如，管理這些變化以適應(yīng)最壞的情況可能占用邏輯后端高達(dá)50%的區(qū)域，并大幅增加制造成本。

控制變化的一種方法是通過工藝間協(xié)同優(yōu)化，這通常意味著在刻蝕期間補(bǔ)償光刻誤差。為了協(xié)同優(yōu)化起作用，刻蝕設(shè)備必須具有合適的可調(diào)性，以更好地控制跨晶圓以及晶圓到晶圓的刻蝕行為。

因?yàn)榫A總會(huì)遇到不同的等離子體條件和氣體分布，創(chuàng)造受控的溫度變化反過來可以使工藝具備可調(diào)性，并有助于補(bǔ)償腔室內(nèi)和來自光刻機(jī)的變化。

控制溫度從而控制刻蝕速率的一種方法是在卡盤和晶圓上創(chuàng)建可調(diào)溫度區(qū)。十多年來，卡盤已從21世紀(jì)初期的單區(qū)設(shè)備演變?yōu)殡p區(qū)設(shè)備，然后是徑向多區(qū)。最近，泛林的Hydra? Uniformity System中又演變到了非徑向多區(qū)。

簡化多重圖形化

主要用于DRAM和PCRAM、有時(shí)用于3D NAND的多重圖形化還面臨著關(guān)鍵尺寸變化的挑戰(zhàn)。圖形化方案增加了工藝步驟的數(shù)量，而這種增加意味著更多的變化來源。

在自對(duì)準(zhǔn)四重圖形技術(shù) （SAQP） 中，光刻、沉積和刻蝕的變化可能導(dǎo)致三種不同的關(guān)鍵尺寸。例如，在側(cè)墻刻蝕時(shí)，可能會(huì)挖入底層。這種變化導(dǎo)致“間距偏差”，這已成為多重圖形化的重大挑戰(zhàn)。

如果刻蝕后可以將側(cè)墻制成正方形，則可以克服這一挑戰(zhàn)，泛林已經(jīng)通過創(chuàng)造性地使用新型金屬氧化物材料實(shí)現(xiàn)這一成果，無需深挖就可以將SAQP流程從八層簡化為五層。

EUV曝光隨機(jī)性的問題

EUV光刻預(yù)計(jì)很快就將成為邏輯和DRAM的主流，因此也需要仔細(xì)考慮由此工藝引起的變化。EUV光刻使用了高能量光子，并且該工藝容易受到隨機(jī)變化的影響。

對(duì)于孔，隨機(jī)行為會(huì)導(dǎo)致局部關(guān)鍵尺寸變化。在線和空間的情況下，線邊緣粗糙度 （LER） 和線寬粗糙度等缺陷帶來的影響是顯著的。

例如，隨機(jī)性限制通孔良率，并隨通孔關(guān)鍵尺寸縮放不良。在小通孔關(guān)鍵尺寸處，即使是250W的掃描儀功率也可能不夠，因此需要材料的創(chuàng)新以及后處理，以控制隨著功率增加帶來的EUV成本上升。

多年來，泛林在原子層刻蝕 （ALE） 方面的工作證明了該工藝能夠克服這一挑戰(zhàn)。原子層刻蝕包括表面改性繼而刻蝕的自限性步驟。當(dāng)多次重復(fù)這一循環(huán)時(shí)，原子層刻蝕可以將特征的高頻粗糙度變得平整。

泛林及其合作伙伴在測試中測量了這種效應(yīng)，EUV通孔局部關(guān)鍵尺寸均勻性 （LCDU） 因此提升了56%，從超過3納米變?yōu)?.3納米，對(duì)于某些芯片制造商來說可能還會(huì)降低到1納米。

局部關(guān)鍵尺寸均勻性的改善在上游有重要影響：由于泛林的刻蝕和沉積工藝可以減少隨機(jī)性引起的變化，因此EUV掃描儀可以使用更低的能量，這種光刻-刻蝕技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化可以將EUV成本降低兩倍。

建立實(shí)現(xiàn)路線圖的信心

現(xiàn)在，泛林已經(jīng)為高深寬比結(jié)構(gòu)以及原子層工藝開發(fā)了模塊級(jí)解決方案，以處理存儲(chǔ)器路線圖中的邊緣定位誤差。不過，為了沿著路線圖自信地前進(jìn)，設(shè)備供應(yīng)商、材料供應(yīng)商和芯片制造商在工藝開發(fā)的早期階段必須共同努力，以經(jīng)濟(jì)且高效的方式滿足存儲(chǔ)器路線圖的所有要求。