Varios proveedores de grabado están comenzando a enviar herramientas de grabado selectivo de próxima generación, allanando el camino para nuevos dispositivos lógicos y de memoria.
Applied Materials fue el primer proveedor en enviar un sistema de grabado selectivo de próxima generación, a veces llamado grabado altamente selectivo, en 2016. Ahora, Lam Research, TEL y otros están enviando herramientas con capacidades de grabado altamente selectivo, en preparación para dispositivos futuristas. como 3D DRAM y transistores gate-all-around.
Con el grabado altamente selectivo, una herramienta de grabado especializada elimina o graba materiales en pequeñas estructuras de chips durante el proceso de producción de circuitos integrados. Lo que es diferente en comparación con el grabado selectivo actual, que existe desde hace años, es la capacidad de eliminar materiales en cualquier dirección (isotrópica) sin dañar las otras partes del dispositivo. En algunos casos, las herramientas de grabado altamente selectivas también pueden eliminar materiales en una dirección (anistrópica). Algunas herramientas de grabado existentes pueden realizar grabados selectivos en un grado u otro, pero aquí tienen capacidades limitadas y no son capaces de crear nuevas estructuras de dispositivos en nodos avanzados.
Fig. 1: La transición de finFET a GAA impulsa requisitos críticos de grabado selectivo isotrópico. Fuente: Investigación Lam
Utilizado durante varias décadas, el grabado es un proceso esencial en la fábrica. En un flujo de proceso simple, un sistema deposita materiales de dióxido de silicio en una oblea. Luego, un sistema de litografía modela características diminutas en los materiales para cada matriz en la oblea, y la herramienta de grabado elimina los materiales no deseados en cada matriz para crear varias estructuras con el objetivo de precisión de nivel de angstrom (1Å = 0.1nm).
Fig. 2: Pasos generales del proceso de estampado y grabado en una fábrica. Fuente: Wikipedia
Básicamente, una herramienta de grabado avanzada es un sistema independiente con una cámara. En funcionamiento, se inserta una oblea en la cámara. En un tipo de grabado, se genera plasma, que es un gas ionizado, en la cámara. “En primer lugar, hacemos un plasma. Los electrones golpean las moléculas de gas. Eso crea iones y más electrones. También crean radicales libres. Los radicales se convierten en la especie que realiza el grabado químico en un sistema de grabado por plasma. Estos radicales libres se difunden a la superficie de la oblea. Puede reaccionar con un material pero no con otro. Finalmente, tienes un grabado. El resultado es un proceso isotrópico. Dada la química adecuada, puede ser altamente selectivo”, explicó Chris Mack, CTO de Fractilia, en una presentación de video. Básicamente, un radical libre es un átomo, molécula o ion.
No todos los procesos de chip requieren grabados altamente selectivos. En la producción de chips, muchos pasos de grabado son sencillos y utilizan herramientas de grabado existentes. Para procesos de chip más exigentes, los proveedores de grabado ofrecen varias opciones que involucran herramientas más sofisticadas. El grabado altamente selectivo es una de esas opciones. Mediante el uso de productos químicos patentados, una herramienta de grabado con estas capacidades elimina los materiales objetivo sin modificar ni eliminar las capas circundantes.
Este proceso se asemeja al grabado de capa atómica (ALE), pero son diferentes en muchos aspectos. Básicamente, ALE elimina selectivamente los materiales específicos a escala atómica. “En ALE, estás tratando de eliminar una capa atómica a la vez. Tiene una uniformidad extrema y no tiene que quitar toda la película”, dijo Dan Hutcheson, vicepresidente de TechInsights. “Con el grabado selectivo, estás golpeando la película hasta que desaparezca por completo. La ventaja del grabado selectivo es que puedes ir mucho más rápido. Una clave para eso es que no puedes dañar lo que está debajo o alrededor”.
El grabado selectivo también implica otros factores. “Por definición, a medida que graba, la selectividad es la relación entre lo que intenta eliminar y lo que no desea eliminar”, dijo Hutcheson.
En un ejemplo, un fabricante de chips deposita un material de dióxido de silicio sobre un sustrato. El fabricante de chips quiere mantener una porción selecta de ese material en el medio del dispositivo, pero le gustaría eliminar el resto. Para lograr eso, se deposita un material de máscara fotorresistente en las partes intermedias.
Durante el proceso de grabado, los grabadores (plasma, gas/vapor, ácidos) en la cámara bombardean la oblea. Las especies de grabado reaccionan más lentamente al material de la máscara, pero reaccionan más rápido y eliminan el dióxido de silicio expuesto.
La selectividad se refiere a la diferencia de reactividad entre el material expuesto y su capa inferior o el material expuesto y el material vecino. Dicho de otra manera, la selectividad es la relación de las tasas de grabado entre dos materiales, según el fabricante de equipos Corial, una empresa Plasma-Therm.
“El grabado selectivo se refiere al proceso de eliminación de material con extrema selectividad a >1000:1 y poca pérdida de material: <2Å o una monocapa de átomos. Para poner eso en contexto, la selectividad de grabado normal está en el rango de 20:1”, dijo Ian Latchford, director de marketing de productos de Lam Research.
No obstante, se requieren grabados altamente selectivos para un número creciente de aplicaciones. Todos estos requieren herramientas de grabado selectivo especializadas y costosas con químicas complejas.
Modos de grabado
En total, el mercado mundial de grabado creció de 14 millones de dólares en 2020 a 19.9 millones de dólares en 2021, según TechInsights. Se espera que el mercado de grabado crezca a una tasa anual del 7% durante los próximos cinco años, según la firma. AMEC, Applied Materials, Hitachi, Lam, Plasma-Therm y TEL se encuentran entre los actores del negocio del grabado.
En los primeros días de la industria de circuitos integrados, los fabricantes de chips construían sus propios equipos. En aquellos días, los procesos de grabado se realizaban en sumideros debajo de campanas de humos, según documentos históricos de VLSI Research, ahora parte de TechInsights. Básicamente, las obleas se sumergieron en un fregadero lleno de grabadores químicos y luego se enjuagaron. Esto eliminó los materiales en la oblea.
A fines de la década de 1960, Signetics, un fabricante de chips ahora desaparecido, realizó el primer trabajo de grabado con plasma. En la década de 1970, surgieron varios proveedores comerciales de equipos de grabado.
Al principio, la tecnología de grabado se transformó en dos segmentos: grabado en húmedo y grabado en seco. En un sistema, el grabado húmedo elimina los materiales sumergiendo las obleas en soluciones líquidas.
El grabado en seco, el más grande de los dos mercados, es ampliamente utilizado para la producción de las virutas actuales. El grabado en seco se divide en tres segmentos o modos: grabado con plasma, grabado con iones reactivos (RIE) y grabado por pulverización catódica (también conocido como grabado con haz de iones). Cada modo se utiliza para diferentes aplicaciones.
Técnicamente, el grabado selectivo es una aplicación más que una categoría separada. Se ajusta a las categorías de grabado húmedo y seco. En todos los casos, el objetivo es realizar grabados precisos con buenas uniformidades en la oblea.
El grabado por pulverización catódica o por haz de iones es un proceso físico. En funcionamiento, se inserta una oblea en un sistema. La herramienta genera iones a velocidades aceleradas, eliminando así materiales en chips.
Desarrollado en la década de 1970, RIE es un proceso de plasma, que se usa ampliamente en los chips actuales. En funcionamiento, se generan iones en un sistema, que luego bombardea la superficie de la oblea. Esto, a su vez, elimina materiales en chips.
El grabado con plasma, por su parte, es diferente. “En este sistema, el primer paso es crear un plasma de alta densidad, que consta de muchos electrones, iones y neutros de diferentes reactividades”, dijo Philippe Bézard, ingeniero de I+D de grabado en Imec. "Luego, filtra los iones con un filtro de iones (visualice una placa con pequeños agujeros) o con una mayor presión de gas en la oblea para permitir que el tiempo neutralice los iones".
Los radicales restantes se difunden sobre la superficie de la oblea y luego se absorben. “Se desencadena una reacción entre los átomos del sustrato y otras moléculas de la fase gaseosa para formar moléculas volátiles”, dijo Bézard.
Cada modo de grabado tiene diferentes atributos, como selectividad y direccionalidad. La direccionalidad implica grabado anisotrópico e isotrópico.
“(En el grabado por pulverización), podemos obtener una anisotropía alta, pero no una selectividad alta”, explicó Mack de Fractilia. “RIE puede producir buena selectividad, alta anisotropía y tasas de grabado moderadas. El control a veces es difícil”.
A veces, los fabricantes de chips requieren grabados más unidireccionales y selectivos. Ahí es donde entra en juego el grabado con plasma. “En general, este proceso es isotrópico con una selectividad potencialmente alta”, dijo Mack. “Para obtener más selectividad, necesitamos química”.
Fig. 3: Grabado isotrópico o multidireccional (arriba) frente a grabado anisotrópico o direccional (abajo) Fuente: Wikipedia
ALE frente a grabado selectivo
Se requiere un grabado altamente selectivo para muchos chips avanzados. A lo largo de los años, la industria de los semiconductores ha desarrollado dispositivos nuevos y complejos tanto para la memoria como para la lógica.
A partir de 2011, algunos proveedores de fundición comenzaron a ofrecer procesos avanzados utilizando transistores finFET de última generación. Los proveedores de circuitos integrados han desarrollado chips alrededor de finFET. Hoy en día, los clientes de fundición envían chips utilizando finFET en los nodos de proceso de 16nm/14nm, 7nm y 5nm. Los finFET de 3nm están en I+D.
Además, a 3nm y/o 2nm, algunas fundiciones migrarán a gate-all-around (GAA), que son transistores más rápidos que consumen menos energía que los finFET. Pero los FET GAA también son más caros y más difíciles de fabricar.
Al mismo tiempo, los fabricantes de memorias están desarrollando 3D NAND, DRAM y varios tipos de memoria de última generación más avanzados.
Estos dispositivos presentan importantes desafíos de fabricación para los fabricantes de dispositivos, lo que influye en el desarrollo de procesos y herramientas más avanzados. Para los transistores avanzados y las DRAM más recientes, los fabricantes de chips utilizan litografía ultravioleta extrema (EUV), un sistema de longitud de onda de 13.5 nm que se utiliza para modelar pequeñas características en los chips.
Los proveedores de herramientas de deposición y grabado también enfrentan varios desafíos. “Hay muchos desafíos de proceso”, dijo Robert Clark, miembro sénior del personal técnico de TEL, durante una presentación en la reciente conferencia IEDM. “Cada generación conduce a relaciones de aspecto cada vez más altas con las que tenemos que lidiar. Eso crea todo tipo de problemas de grabado. También tienes problemas con la deposición. Tienes conformidad, vacíos y costuras en tus declaraciones. Tiene problemas de arqueamiento, flexión, carga y selectividad en el grabado”.
Afortunadamente, los proveedores de grabado han desarrollado varias capacidades nuevas para abordar estos desafíos. ALE y el grabado altamente selectivo se encuentran entre las innovaciones.
Después de años en I+D, los proveedores de grabado introdujeron los procesos ALE a mediados de la década de 2010. ALE elimina selectivamente los materiales específicos a escala atómica.
En un ejemplo de ALE, una oblea reside en una cámara en un sistema ALE. El primer paso es inyectar cloro gaseoso en una superficie de silicio en la cámara. Las moléculas de cloro se absorben en la superficie, lo que modifica la superficie. Luego, se inyectan iones de argón en la cámara, bombardeando la superficie y eliminando la capa modificada.
Hay dos tipos de ALE: plasma y térmico. Plasma ALE, que está en producción, permite grabados anisotrópicos. El ALE térmico, que todavía está echando raíces, utiliza reacciones térmicas para grabados isotrópicos.
“El ALE de plasma o térmico tiene más que ver con el control extremo del frente de grabado que con la selectividad general”, dijo Bézard de Imec. “A veces es mejor que el grabado con plasma convencional, a veces es peor. Pero la selectividad está muy por debajo de lo que se requiere y logra para el grabado altamente selectivo”.
Además, ALE es lento y tiene capacidades isotrópicas limitadas. Y en algunos casos, ALE puede causar daños mínimos a las estructuras.
El grabado altamente selectivo es diferente. “El grabado altamente selectivo puede ser un método de grabado por sí solo. El grabado altamente selectivo es una tecnología que permite aplicaciones donde la selectividad es la especificación más importante”, dijo Bézard de Imec.
Durante años, el grabado selectivo se ha utilizado en la producción de chips, pero la tecnología era limitada. “Antes de la introducción de los primeros sistemas de grabado selectivo, los fabricantes de chips que querían realizar grabado isotrópico usaban grabado húmedo”, dijo Latchford de Lam. “Pero el grabado húmedo es extremadamente limitado en términos de precisión, control y materiales, y simplemente no es capaz de crear las nuevas estructuras de dispositivos que los fabricantes de chips necesitan para continuar evolucionando hacia nodos más pequeños”.
Con el tiempo, la industria desarrolló procesos de grabado selectivo mediante grabado en seco. Hoy, Applied, Lam, TEL y otros ofrecen herramientas con capacidades de grabado selectivo de última generación. Los proveedores usan diferentes nombres para el mismo proceso. Algunos lo llaman grabado selectivo extremo, grabado altamente selectivo o grabado selectivo de precisión. Pero todos ellos utilizan cámaras dedicadas para lograr un grabado altamente selectivo utilizando productos químicos patentados. Las cámaras están incorporadas en plataformas de grabado estándar.
Para su sistema de grabado selectivo, Applied utiliza un enfoque de dos pasos para permitir grabados isotrópicos. Primero, se trata la superficie. Luego, se generan radicales, eliminando así los materiales objetivo.
“El enfoque basado en los radicales da muy alta selectivamente. Puede grabar un material y no tocar otra superficie”, explicó Uday Mitra, vicepresidente de Applied Materials, en una entrevista en 2017.
Mientras tanto, Lam presentó recientemente tres productos de grabado selectivo: Argos, Prevos y Selis. Usando químicas novedosas, Prevos proporciona grabados selectivos para óxido, silicio y metal. Selis emplea capacidades de grabado radical y térmico para el grabado selectivo. Y Argos modifica y descontamina selectivamente las superficies de las obleas.
El grabado altamente selectivo se puede utilizar tanto en aplicaciones anisotrópicas como isotrópicas para dispositivos lógicos y de memoria. Cada aplicación también podría tener diferente selectividad.
“Todo depende de la aplicación y el tipo de grabado utilizado”, dijo Bézard de Imec. “Para el grabado con plasma, una selectividad de 50:1 entre diferentes polímeros se consideraría muy alta. Suele ser <10:1. Eso se consideraría muy bajo al grabar la selectividad del silicio al óxido usando procesos cíclicos, por ejemplo (típicamente> 300: 1) ".
Todos los procesos son desafiantes, independientemente de la aplicación. “Hay un grabado genérico, que tiene cierta selectividad. Y luego, cuando llega al grabado selectivo, está hablando de múltiples órdenes de magnitud de mayor selectividad”, dijo Hutcheson de TechInsights. “Cuando vas a algo como un grabado puramente selectivo, está mucho más cerca de un proceso químico puro. Pero ahora tienes que descubrir cómo hacer que la química funcione. Desea sobregrabar un poco, para asegurarse de borrar todo el material. Pero no puede ir demasiado lejos o comenzará a eliminar los materiales subyacentes. Cuanto más pueda aumentar la selectividad, más podrá asegurarse de tener un grabado uniforme en una oblea de 300 mm. Estamos hablando de angstroms con los que tratamos, en términos de nuestra precisión que tiene que ser a través de un agua de 300 mm. La precisión es fenomenal”.
Las aplicaciones
Hay varias aplicaciones para el grabado altamente selectivo. Por ejemplo, los contactos autoalineados se forman utilizando grabado anisotrópico altamente selectivo. En los chips, los contactos son pequeñas estructuras que conectan el transistor con la primera capa de interconexiones de cobre en los dispositivos.
Mientras tanto, en 2020, TEL e Imec presentaron un documento sobre un proceso sin plasma isotrópico para aplicaciones de recorte de silicio. Básicamente, la herramienta de grabado recorta una película o material para formar la forma deseada de la estructura. Este proceso podría usarse para finFET y GAA.
Otros procesos de grabado selectivo se utilizan en GAA. En los nodos de proceso de 3nm y/o 2nm, las fundiciones de vanguardia y sus clientes eventualmente migrarán a un tipo de transistor GAA llamado FET de nanoláminas. Un FET de nanoláminas es un finFET que se ha girado 90 grados, lo que da como resultado aletas apiladas horizontalmente con un material de puerta vertical entre cada aleta. Cada aleta, que se asemeja a una lámina, es un canal.
Para hacer nanoláminas en la fábrica, una herramienta epitaxial deposita capas alternas ultrafinas de silicio-germanio (SiGe) y silicio sobre un sustrato, formando una estructura superred. Esta estructura puede tener tres, cinco o más capas de cada material.
Diminutas aletas verticales están modeladas y grabadas en la estructura de superretícula. Luego, se forman espaciadores internos. Para ello, las partes exteriores de las capas de SiGe en la estructura de superretícula se rebajan y luego se rellenan con material dieléctrico.
“El módulo espaciador interno proporciona control de la longitud efectiva de la compuerta y también aísla la compuerta del epi de fuente/drenaje”, dijo Andrew Cross, director de soluciones de control de procesos de KLA. “En cada uno de estos pasos en la formación del espaciador interno, el control preciso de la forma y el CD de las muescas y el rebaje final del espaciador es fundamental para garantizar el funcionamiento correcto del dispositivo”.
A continuación, se forma la fuente/drenaje. Luego, las capas de SiGe en la estructura de superretícula se eliminan, dejando capas o láminas a base de silicio, que forman los canales.
“La liberación del canal requiere un control individual de la altura de la lámina, la erosión de las esquinas y la flexión del canal”, dijo Scott Hoover, director senior de programas estratégicos de Onto Innovation.
Finalmente, se forma una puerta depositando materiales dieléctricos y metálicos de alta k. Cada paso presenta algunos desafíos, particularmente los procesos de liberación del espaciador interno y del canal.
“Para cada uno de estos pasos críticos en la fabricación de dispositivos de nanoláminas, la clave es emplear un proceso de grabado en fase gaseosa altamente selectivo”, dijo Nicolas Loubet, miembro senior del personal técnico de IBM Research. “Con respecto a la liberación del canal, se requiere una alta selectividad de grabado SiGe de >150:1 versus Si para evitar la pérdida del canal de silicio de nanoláminas, lo que podría conducir a la degradación de la movilidad, alta resistencia del canal y una gran variabilidad entre los dispositivos con diferentes anchos de nanoláminas. El proceso de grabado también necesita grabar completamente el SiGe en pequeñas cavidades con una tasa de grabado controlada y no debe volverse autolimitado”.
En un artículo reciente, IBM y TEL demostraron una técnica de grabado en seco lateral para GAA utilizando compuestos químicos novedosos, lo que permite una selectividad >150:1.
Mientras tanto, Lam también ha desarrollado un proceso de grabado altamente selectivo para el espaciador interno GAA y los pasos de liberación. Para el paso de canal empotrado, por ejemplo, Lam combina sus nuevas herramientas Prevos y Selos.
“En las estructuras GAA, solo se elimina la capa de material SiGe, mientras que todas las demás piezas de un dispositivo se dejan relativamente intactas. Con esta capacidad, los fabricantes de chips pueden esculpir características a nanoescala que requieren una precisión de nivel de angstrom para evitar eliminar, modificar o dañar otras capas de material crítico durante el proceso de grabado”, dijo Latchford de Lam.
Independientemente del proveedor de la herramienta, es un proceso difícil. “El desafío no es tanto encontrar las químicas”, dijo Bézard de Imec. “También obtiene exactamente la misma selectividad para cada nanolámina, ya que la inferior verá más interacción del gas de grabado con el sustrato que la superior. Así que puedes tener diferencias muy locales. Ahí es donde necesitamos magia. Necesitamos asegurarnos de que cada nanohoja vea lo mismo que las demás”.
Fig. 4: El sistema Selis-Prevos de Lam graba pilas de SiGe/Si en FET de nanoláminas y otros procesos. Fuente: Investigación Lam
Dispositivos futuros
También se requiere grabado altamente selectivo para dispositivos futuros como FET complementarios (CFET), un dispositivo lógico apilado en 3D. Los CFET se encuentran actualmente en I+D.
La memoria es otra aplicación. Hoy en día, los fabricantes de memorias están avanzando hacia la siguiente fase de escalado de DRAM, pero enfrentan varios desafíos a medida que la tecnología se acerca a su límite físico.
En respuesta, los fabricantes de memorias están trabajando en DRAM 3D, que en muchos aspectos se asemejan a 3D NAND. Las DRAM 3D están a varios años de distancia de la producción en masa. “En 3D DRAM, el gran cambio de diseño evita muchos de los problemas de escala que se enfrentan en los diseños planos y, al mismo tiempo, crea una gran necesidad de grabados selectivos laterales”, dijo Latchford de Lam.
Conclusión
Sin duda, la industria está trabajando en una gama de dispositivos futuros. Los fabricantes de chips requieren herramientas más avanzadas en varios segmentos, como deposición, inspección, litografía y metrología.
El grabado altamente selectivo es una adición importante a la combinación de herramientas. “Estas soluciones permiten a los fabricantes de chips crear chips cada vez más potentes y complejos que pueden admitir tecnologías intensivas en cómputo y rendimiento, como vehículos autónomos, atención médica digital avanzada y el próximo metaverso”, dijo Latchford.
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El puesto Se lanza grabado altamente selectivo para chips de próxima generación apareció por primera vez en Ingeniería de semiconductores.
