进入原子层蚀刻之后的芯片制造工艺

　　近日，芯片制造工艺领域迎来新的发展契机，基于原子层刻蚀（ALE）的下一代蚀刻系统逐渐崭露头角。经过多年研发，几家晶圆厂设备供应商于 2016 年推出了相关产品，ALE 虽初指向 16/14 nm 技术方向，但必将在 10/7 nm 甚至更远的技术领域发挥重要作用。
　　传统蚀刻设备连续无选择地蚀刻晶圆，而 ALE 能有选择地去除原子尺度上的目标材料，且不损坏结构其他部分，可蚀刻出具有 10 ? - 15 ? 或 5 个原子宽度间隙的沟槽。目前，业界正在开发多种类型的 ALE 技术，包括基于各向异性等离子体蚀刻技术的 ALE、高温 ALE、混合高温等离子体 ALE，终目标是开发出有选择性的 ALE。
　　尽管 ALE 仍处于早期阶段，但已在特定领域获得应用。TEL 公司技术开发和工艺工程总监 Peter Biolsi 表示，ALE 主要应用于间距紧密可能发生孔洞 “堵塞” 的蚀刻，以及具有超高选择性和均匀性的应用。同时，ALE 与原子层沉积（ALD）有关系，ALD 是缓慢地形成单原子层的单层材料，而 ALE 则是逐层去除材料。
　　目前，应用材料、Hitachi High - Technologies、Lam Research、TEL 是市场上 ALE 设备的主要供应商。不过，ALE 在产能方面相对较慢，无法取代很多传统蚀刻步骤，但在传统蚀刻无法完成的工作领域，ALE 正逐渐获得应用。研究机构 Gartner 数据显示，干法蚀刻市场规模 2017 年将达到 96 亿美元，高于 2016 年的 72 亿美元，而 ALE 目前只占整个蚀刻设备市场的一小部分。
　　在未来发展方面，晨星公司分析师 Abhinav Davuluri 认为，逻辑芯片厂和代工厂是 16 nm / 14 nm/ 10 nm 的首批采用者，10 nm 工艺下，ALE 主要用于形成接触，未来转向 7 nm、5 nm 和 3 nm 工艺时，将主要应用于晶体管成型。然而，ALE 也面临成本和产能挑战，这将限制英特尔、台积电和三星等公司的采用。据晨星公司数据，目前 ALE 的业务介于 5000 万美元到 1 亿美元之间，预计到 2020 财年，包括 ALE 在内的选择性蚀刻将具有 4.5 亿美元的市场。
　　一、引言
　　传统蚀刻设备连续无选择地蚀刻晶圆，已在芯片制造商中应用多年。新一代蚀刻技术 ALE 有选择地去除原子尺度上的目标材料，不会损坏结构其他部分，可蚀刻出具有 10 ? - 15 ? 或 5 个原子宽度间隙的沟槽（1 ? = 0.1 nm）。目前业界正在开发多种类型的 ALE 技术，包括基于各向异性等离子体蚀刻技术的 ALE、高温 ALE、混合高温等离子体 ALE，终目标是开发有选择性的 ALE。
　　二、基于原子层刻蚀 ALE
　　蚀刻分类
　　蚀刻分为湿法和干法两大类。湿法蚀刻使用液体化学物质去除材料，干法蚀刻通过等离子体轰击晶圆面上的物质来去除材料，市场占比更大。芯片制造商长期使用反应离子刻蚀（RIE）的干法刻蚀技术，RIE 中的等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，是物质存在的第四态。
　　RIE 挑战与 ALE 应用场景
　　RIE 设备虽快速可靠，但面临挑战。芯片制造商需处理微小功能，传统蚀刻设备激发等离子体轰击晶片可能损坏微小结构，因此需要有选择性地去除目标材料。ALE 以自我限制的方式去除单个原子层，且不会触及和破坏底层和周围的材料。过去一两年，ALE 市场开始升温，多家设备制造商推出基于 ALE 的蚀刻系统。
　　ALE 应用领域
　　ALE 正在应用于特定领域，如间距紧密可能发生孔洞 “堵塞” 的蚀刻，以及具有超高选择性和均匀性的应用。在技术方面，ALE 与原子层沉积（ALD）有关，ALD 是缓慢地形成单原子层的单层材料，而 ALE 则是逐层去除材料。
　　ALE 工艺及分类
　　ALE 过程涉及复杂的物理化学反应，例如在 ALE 腔内注入氯气，氯分子被吸收到表面形成氯化层，除去未反应的氯气，再注入氩离子轰击晶圆，除去薄氯化层不需要的部分。根据科罗拉多大学教授 Steven George 的说法，ALE 可分为等离子体 ALE 和高温 ALE，也有试图结合两种技术的高温等离子体 ALE 技术。等离子体 ALE 通常进行各向异性或定向蚀刻，高温 ALE 执行各向同性或单向蚀刻。
　　ALE 蚀刻挑战
　　对于各向异性的 ALE，挑战在于维持自我限制机制，要求控制离子能量和工艺条件。各向同性的 ALE 更具挑战性，目前开发各向同性的 ALE 工艺仍是一个难题。不过，应用材料公司使用基于自由基的先进工艺进行各向同性蚀刻，具有高选择性。
　　三、ALE 的下一步
　　应用前景
　　ALE 正在生产中应用，未来在业界将取得重大进展。逻辑芯片厂和代工厂是 16 nm / 14 nm/ 10 nm 的首批采用者，10 nm 工艺下，ALE 主要用于形成接触，未来转向 7 nm、5 nm 和 3 nm 工艺时，将主要应用于晶体管成型。
　　面临挑战
　　ALE 面临成本和产能挑战，工艺流程中的工艺时间和步骤周期比传统蚀刻方法长，成本极高，这将限制英特尔、台积电和三星等公司的采用。
　　市场规模
　　目前 ALE 的业务介于 5000 万美元到 1 亿美元之间，据晨星公司预计，到 2020 财年，包括 ALE 在内的选择性蚀刻将具有 4.5 亿美元的市场。
　　设备供应商动态
　　应用材料公司销售两套 ALE 系统，Sym3 是通用蚀刻系统，可匹配各向异性蚀刻的等离子体 ALE；Selectra 是专门用于各向同性应用的 ALE 系统。同时，该公司正在为 ALE 开发下一代电子束等离子设备。
　　Lam Research 发布了具有定向 ALE 功能的刻蚀系统，正研究在设备型号中应用新的定向 ALE 技术，也看到了对各向同性 ALE 的需求。
　　TEL 销售传统蚀刻产品以及 ALE 气体化学蚀刻系统（Certas），已采用各向异性和各向同性的 ALE 方法进行硅的电介质蚀刻和各向异性蚀刻，硅的各向同性 ALE 仍在改进之中。
　　未来技术方向
　　ALE 将与 ALD 技术一起应用，在选择性沉积领域发挥作用。选择性 ALE 仍在研发中，其目标是在表面有多种不同材料时，能够有选择性地蚀刻特定材料。芯片制造商仍在探索 ALE 的所有可能性，这项技术还处于起步阶段，未来可能会诞生许多混合工艺。