為下一代芯片推出高選擇性蝕刻

引言

這些高選擇性蝕刻工具能夠在不損壞設(shè)備其他部分的情況下沿任何方向（各向同性）去除材料。在某些情況下，高選擇性蝕刻工具還可以在一個(gè)方向（各向異性）去除材料。今天，一些現(xiàn)有的蝕刻工具可以在一定程度上執(zhí)行選擇性蝕刻，但它們在這方面的能力有限，無法在高級(jí)節(jié)點(diǎn)上創(chuàng)建新的器件結(jié)構(gòu)。

圖 1：從 finFET 到 GAA 的過渡推動(dòng)了關(guān)鍵的各向同性選擇性蝕刻要求

蝕刻是晶圓廠中必不可少的工藝。在一個(gè)簡單的工藝流程中，系統(tǒng)將二氧化硅材料沉積在晶圓上。然后光刻系統(tǒng)在晶圓上每個(gè)芯片的材料上繪制微小特征，蝕刻工具去除每個(gè)芯片上不需要的材料以創(chuàng)建各種結(jié)構(gòu)，目標(biāo)是埃級(jí)精度(1? = 0.1nm)。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

基本上，先進(jìn)的蝕刻工具是帶有腔室的獨(dú)立系統(tǒng)。在操作中，晶片被插入腔室中。在一種類型的蝕刻中，等離子體——一種電離氣體——在腔室中產(chǎn)生?！笆紫?，我們制造等離子體。電子撞擊氣體分子，這會(huì)產(chǎn)生離子和更多的電子。它們還會(huì)產(chǎn)生自由基。自由基成為在等離子蝕刻系統(tǒng)中執(zhí)行化學(xué)蝕刻的物質(zhì)。這些自由基擴(kuò)散到晶圓表面。它可能會(huì)與一種材料發(fā)生反應(yīng)，但不會(huì)與另一種材料發(fā)生反應(yīng)。最后，你有一個(gè)蝕刻。結(jié)果是各向同性過程。 如果化學(xué)成分合適，它可以具有很高的選擇性?；旧?，自由基是一個(gè)原子、分子或離子。并非所有芯片工藝都需要高選擇性蝕刻。在芯片生產(chǎn)中，許多蝕刻步驟都很簡單，并且使用現(xiàn)有的蝕刻工具。對(duì)于要求更高的芯片工藝，蝕刻供應(yīng)商提供了涉及更復(fù)雜工具的各種選項(xiàng)。高選擇性蝕刻就是這樣一種選擇。使用專有的化學(xué)物質(zhì)，具有這些功能的蝕刻工具可以去除目標(biāo)材料，而無需修改或去除周圍的層。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

蝕刻模式

在 IC 行業(yè)的早期，芯片制造商自己制造設(shè)備。在那些日子里，蝕刻工藝是在通風(fēng)罩下的水槽中進(jìn)行的?；旧?，將晶圓浸入裝滿化學(xué)蝕刻劑的水槽中，然后進(jìn)行沖洗。這去除了晶圓上的材料。

早期，蝕刻技術(shù)演變?yōu)閮蓚€(gè)部分——濕法蝕刻和干法蝕刻。在一個(gè)系統(tǒng)中，濕法蝕刻通過將晶圓浸沒在液體溶液中來去除材料。

干法蝕刻是兩個(gè)市場中較大的一個(gè)，廣泛用于當(dāng)今芯片的生產(chǎn)。干法蝕刻分為三個(gè)部分或模式——等離子蝕刻、反應(yīng)離子蝕刻 (RIE) 和濺射蝕刻（又名離子束蝕刻）。每種模式用于不同的應(yīng)用。

從技術(shù)上講，選擇性蝕刻是一種應(yīng)用，而不是一個(gè)單獨(dú)的類別。它適合濕法和干法蝕刻類別。在所有情況下，目標(biāo)都是在晶圓上執(zhí)行具有良好均勻性的精確蝕刻。

圖2：各向同性或多向蝕刻（頂部）與各向異性或定向蝕刻

ALE 與選擇性蝕刻

許多高級(jí)芯片都需要高度選擇性蝕刻。多年來，半導(dǎo)體行業(yè)為存儲(chǔ)器和邏輯開發(fā)了新的復(fù)雜設(shè)備。從 2011 年開始，一些代工供應(yīng)商開始提供使用最先進(jìn)的finFET晶體管的先進(jìn)工藝。IC 供應(yīng)商圍繞 finFET 開發(fā)了芯片。如今，代工客戶正在運(yùn)送采用 16 納米/14 納米、7 納米和 5 納米工藝節(jié)點(diǎn)的 finFET 的芯片。3nm finFET 正在研發(fā)中。此外，在 3nm 和/或 2nm，一些代工廠將遷移到環(huán)柵，這是比 finFET 功耗更低的更快晶體管。但 GAA FET 也更昂貴且更難制造。

圖3：Lam 的 Selis-Prevos 系統(tǒng)在納米片 FET 和其他工藝中蝕刻 SiGe/Si 堆棧__。__

應(yīng)用

高選擇性蝕刻有多種應(yīng)用。例如，使用各向異性高選擇性蝕刻形成自對(duì)準(zhǔn)觸點(diǎn)。在芯片中，觸點(diǎn)是將晶體管與設(shè)備中的第一層銅互連連接起來的微小結(jié)構(gòu)?；旧?，蝕刻工具修整薄膜或材料以形成所需的結(jié)構(gòu)形狀。該工藝可用于 finFET 和 GAA。GAA 中還使用了其他選擇性蝕刻工藝。在 3nm 和/或 2nm 工藝節(jié)點(diǎn)，領(lǐng)先的代工廠及其客戶最終將遷移到稱為納米片 FET的 GAA 晶體管類型。納米片F(xiàn)ET是旋轉(zhuǎn)90度的 finFET，產(chǎn)生水平堆疊的鰭片，每個(gè)鰭片之間有垂直柵極材料。每個(gè)類似于薄片的鰭都是一個(gè)通道。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

為了在晶圓廠制造納米片，外延工具在基板上沉積超薄的硅鍺 (SiGe) 和硅交替層，形成超晶格結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可能具有三層、五層或更多層的每種材料。

在超晶格結(jié)構(gòu)中圖案化和蝕刻微小的垂直鰭。然后，形成內(nèi)間隔物。為此，超晶格結(jié)構(gòu)中 SiGe 層的外部凹陷，然后填充介電材料。接下來，形成源極/漏極。然后，去除超晶格結(jié)構(gòu)中的 SiGe 層，留下構(gòu)成通道的硅基層或片。最后，通過沉積高k電介質(zhì)和金屬柵極材料形成柵極。每一步都會(huì)帶來一些挑戰(zhàn)，尤其是內(nèi)部墊片和通道釋放過程。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

審核編輯 黃宇