原子层蚀刻的下一步是什么

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引言
经过多年的研发，几家晶圆厂工具供应商终于在去年开始推出基于称为原子层蚀刻 (ALE) 的下一代技术的系统。ALE正在进入 16/14nm，但它将在 10/7nm 及以后发挥重要作用。该行业还在研究用于高级逻辑和存储器生产的下一波 ALE 技术。芯片制造商使用多年，传统的蚀刻系统在设备中连续去除材料。作为下一代蚀刻技术，ALE 在原子尺度上选择性地去除目标材料，而不会损坏结构的其他部分。例如，ALE 可用于去除结构中的材料，形成间隙为 10 至 15 埃或 5 个原子宽的沟槽。（一埃为 0.1nm。）
什么是 ALE
蚀刻是从晶圆上去除材料以创建设备特征的工艺步骤，分为湿法和干法两类。湿法蚀刻使用液体化学品去除材料。干法蚀刻是两个市场中较大的一个，它在表面上轰击离子作为去除材料的一种手段。几十年来，芯片制造商一直在工厂中使用一种称为反应离子蚀刻 (RIE) 的干法蚀刻技术。RIE涉及创建等离子体，这是一种基于带电粒子（离子）和自由基（中性粒子）的带电气体。等离子体是通过将 RF 能量应用于气体而产生的。（江苏英思特半导体科技有限公司）

图 1：传统等离子蚀刻工艺

RIE 工具快速可靠，但也存在一些挑战。一方面，芯片制造商必须处理微小的特征，几乎没有或没有错误的余地。例如，根据 Lam 的说法，晶体管栅极结构可能有 10 纳米宽，但制造偏差的容差为 1 纳米。然后，在传统的蚀刻工具中，等离子源用离子轰击晶圆。这可能适用于微小的结构，但也有可能损坏结构。因此，对于这种结构和其他结构，需要在不损坏其他部件的情况下选择性地去除目标材料。同时，在技术方面，ALE 与原子层沉积相关。（江苏英思特半导体科技有限公司）

在 ALD 中，反应物被泵入腔室并使表面饱和。然后清除化学物质并重复该过程，从而一次形成一个原子层的单层材料。ALD 是一个缓慢的过程，但该技术在几年前起飞。如今，ALD 用于逻辑中的高金属栅极堆叠、DRAM 中的电容器形成工艺以及多重图案化。相比之下，ALE 是ALD的反面。ALE 使用顺序自限过程，在原子尺度上逐层去除材料。ALE 有不同的配置。该过程可以在带有特殊 ALE 腔室或专用 ALE 系统的现有蚀刻工具中进行。但无论配置如何，它都涉及复杂的化学反应。在 Lam 的一个例子中，氯气被注入 ALE 室，分子被吸收到表面。这会产生一个氯化层。未使用的氯从腔室中去除。（江苏英思特半导体科技有限公司）

图 2：ALE 工艺循环

ALE可分为两大类——等离子体ALE和热ALE。结合了这两种技术的混合动力也在其中。一段时间以来，等离子ALE一直在生产工厂中运行。通常，等离子体ALE 执行各向异性或定向蚀刻。相反，热ALE执行各向同性或单向蚀刻。等离子ALE是定向的。例如，如果你需要钻一个洞，你需要离子来做到这一点。等离子ALE或一般等离子处理肯定可以做到热处理无法完成的事情。等离子 ALE 的各向同性能力有限。就使用在基板上加速的离子而言，等离子体是定向的。但等离子体也可以产生其他物种，如自由基。自由基在某种程度上允许你做一点各向同性。它不会是完美的。自由基也来自等离子源，并且它们有视线。他们不会轻易绕过弯道。相比之下，热ALE针对的是更具挑战性的各向同性蚀刻。热是进行各向同性蚀刻的一种方法，但不是唯一的方法。（江苏英思特半导体科技有限公司）

图 3：定向蚀刻 (a)，显示材料垂直去除率高于横向，各向同性蚀刻 (b)，其中材料在所有方向上的去除率相同

ALE 的下一步

事实上，ALE系统销售有两种，第一个工具 (Sym3)是一个通用的蚀刻系统。它可以配置为处理各向异性蚀刻应用的等离子ALE，例如自对准触点和基于间隔物的图案化。第二个工具 (Selectra) 是用于各向同性应用的专用 ALE 系统。然后，在研发方面，正在研究用于ALE的下一代电子束等离子体工具。电子束在腔室中产生等离子体，从而实现低电子温度 (0.3eV) 和离子能量 (<2eV)。因此当前的 ALE 工具可以为接下来的两到三个节点完成这项工作。不过，展望未来，当前工具的目标是提高功能和吞吐量。（江苏英思特半导体科技有限公司）

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