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原子層刻蝕和沉積工藝利用自限性反應，提供原子級控制。泛林集團先進技術發展事業部公司副總裁潘陽博士分享了他對這個話題的看法。
圖 1. 原子層工藝中的所有半周期反應是自限性反應。
技術節點的每次進步都要求對制造工藝變化進行更嚴格的控制。最先進的工藝現在可以達到僅7 nm的fin寬度，比30個硅原子稍大一點。半導體制造已經跨越了從納米級到原子級工藝的門檻。工程師現在必須關注結構的尺寸變化，僅相當于幾個原子大小。由于多重圖案模式等復雜集成增加了工藝數量，進一步限制了每個步驟允許的變化。3D NAND和finFET結構的復雜性會帶來更高挑戰。
圖 2. 原子層工藝能夠去除或沉積材料。在以上刻蝕示例中，氯吸附到硅表面，然后通過氬離子撞擊去除改性層。在沉積示例中，氧吸附到硅表面，硅與改性表面層相結合，沉積二氧化硅。
對于半導體行業而言，控制工藝變化始終都是一大關鍵挑戰，因為它會直接影響到產品的性能、良率和可靠性，進而產生重大經濟后果。工藝誘生的變化有多個來源，包括晶粒、晶圓和工具。要控制這些變化，一種方式是通過運用原子層沉積 （ALD） 和原子層刻蝕 （ALE） 等技術，這些技術本身比傳統等離子體方法更加精確。
原子層工藝
原子層工藝包括沉積和刻蝕解決方案，它們具有一些共同的特征。與連續工藝不同，它們分周期進行，每個周期都會添加或去除有限固定數量的分子層。每個周期又分為若干半周期，每個半周期分別是不同的自限性工藝，為下個半周期準備表面。例如，在 SiO2 沉積中（圖1和2），第一個半周期會吸附氧原子，這個過程是自限性的，受到結合位點的限制。然后，多余的氧被從腔室中清除，表面暴露在硅原子源下，硅原子與吸附的氧發生反應，形成一層 SiO2。這個半周期工藝也是自限性的，在這種情況下，它受到氧的限制。原子層沉積的自限和有序的特性在先進邏輯和存儲器芯片HVM中得到了廣泛應用。
與沉積技術相同，原子層刻蝕同樣分為若干半周期進行，這些半周期也是自限性的。例如，在硅刻蝕工藝中，第一個半周期將硅表面暴露在氯下，氯與第一層硅原子結合，弱化它們與底層原子的鍵合（圖2）。當表面飽和時，該過程停止，然后清除未使用的氯。第二個半周期使用氬離子來撞擊改性表面，去掉氯激活的硅頂層，而不是底層硅。氯化層去掉之后，周期完成，薄材料層已精確去除。
過去，要將原子層刻蝕工藝集成到大規模半導體生產中，我們會受制于相對連續刻蝕工藝來說較低的刻蝕速率。以下兩個因素結合在一起，減少了較低刻蝕速率對整體產量的影響。第一個因素是特征尺寸持續減小，從而減少了要去除的材料數量，以及所需的ALE周期數。第二個因素是ALE技術的進步，例如快速氣體交換技術，它們顯著提高了循環速度。隨著我們越來越多地需要對較小結構實現原子級控制，這種技術引起了更多關注。原子層刻蝕還提供了其他一些重要優勢，包括改進的方向性（異向性）、更光滑的表面、更好的材料選擇性、更均勻的刻蝕表面、較少的表面損壞和混合，消除了圖案密度引起的非均勻效應，并改進了晶圓間的均勻性。
EUV 光刻技術中的隨機缺陷
在7nm和10nm節點采用EUV光刻技術的制造商面臨著隨機缺陷的挑戰。EUV光的較短波長使其能夠聚焦至更精細圖案，但也意味著每個光子具有更多能量，產生更多光致酸，同時曝光更大量的光刻膠。EUV系統非常昂貴，而且必須實現較高的產量才能在成本基礎上與傳統 （i193） 光刻技術進行競爭，因此它們采用短曝光、低光子劑量以及以最小量光子就可以實現曝光的化學放大光刻膠（CAR）。光刻膠中光子與光致酸在空間與時間分布上的隨機變化性會導致隨機缺陷，這本質上是一種統計塊度，在已創建的光刻膠圖案中體現為邊緣和表面粗糙度。圓形邊緣粗糙度 （CER） 以及線邊緣粗糙度 （LER） 均是邊緣定位誤差（EPE） 的組成部分，最終限制了特征尺寸可能減少的程度。在先進節點中，50% 以上的BEOL區域是為EPE保留的；設備擴展受到EPE擴展的限制而且需要節點對節點EPE下降30%（圖 3）。
圖 3. 邊緣放置誤差 （EPE） 最終限制空間擴展。50%的BEOL區域是為EPE保留的。因EUV光刻技術中隨機缺陷引起的線和圓形邊緣粗糙度極大地促進了EPE的產生。
原子層刻蝕有助于減少這些隨機缺陷的影響。因為它在自限性步驟中逐層進行，而且因為工藝步驟將化學活性物質與高能離子相分離，因此原子層刻蝕不會產生傳統的刻蝕工藝中出現的粗糙的鑲邊層。更重要的是，原子層刻蝕與原子層沉積的重復循環，能夠降低EUV中隨機缺陷引起的粗糙度。凹凸表面比平面具有較高的表面體積比，這就導致在原子層刻蝕的過程中凸面被整平，而在原子層沉積的過程中凹面被填充。不僅隨機缺陷非常小，而且在這一平整工藝過程中去除和沉積的層也非常薄，大約為半納米。事實表明，這一工藝降低了CER并提高了小尺寸孔的CD均勻度。同樣，它也降低了LER、改進了CDU，清除了細小的（小于10nm）線寬和距離中棘手的短路缺陷（圖 4）。
圖 4. 左圖 – 黃色輪廓線表示EUV光刻技術中隨機變化引起的光刻膠中孔的局部不均勻。右圖 – 原子層刻蝕與原子層沉積重復循環能夠顯著降低光刻膠線的粗糙度。（Imec測試結構）
自對準接觸孔刻蝕
自對準接觸孔 （SAC） 通過將源極和漏極接點定位到距離柵極更近的位置而實現持續的縮放。在這一工藝中，柵極通過橫向氮化硅間隔層和上覆的覆蓋層與源極和漏極接點實現隔離。SAC刻蝕是最具挑戰性的刻蝕工藝之一，它可以在接觸點沉積之前去除相鄰的二氧化硅。它必須具有高度選擇性，從而清除氧化物并使氮化硅墊片保持完整。在連續刻蝕工藝中，選擇性是通過沉積一個薄的氟碳聚合物涂層來實現的。在刻蝕過程中，氧化物中的可用氧分會燒掉聚合物中的碳，從而使刻蝕繼續進行。而當聚合物覆蓋氮化物時，沒有氧分可用，而刻蝕則被抑制。問題存在于氮化硅墊片的頂處。在暴露角度為45?-70?時，濺射速率最大；因此，在拐角處的刻蝕速度比在平面上快，而且隨著拐角變得更加圓滑，防護聚合物就更難粘附。拐角處的過度圓滑和腐蝕最終將導致柵極與源極/漏極之間的短路。
原子層刻蝕 （ALE） 通過將防護層的沉積與刻蝕步驟進行隔離，從而解決這一問題（圖 5）。沉積過程中不存在離子，因此在沉積過程中存在最小濺射，且聚合物可以均勻地沉積在包含拐角的位置上。在刻蝕循環過程中，只有離子 （Ar+）存在，氧化物中的氧燒掉聚合物，而氟碳聚合物中的氟腐蝕氧化物。當聚合物消失時，氟也隨之消失，如果偏壓功率低于氮化硅的濺射閾值，則刻蝕停止。在氮化物上，沒有氧氣存在，使聚合物基本保持完整，氟的含量極低，使刻蝕得到抑制。ALE降低了拐角的圓滑度，使聚合物厚度變薄，因此可以使用更薄的墊片。ALE使用自限性半循環將表面改性步驟與主動刻蝕步驟相分離，與連續刻蝕工藝相比提供了更大的靈活性和更好的控制。（值得一提的是，通過調節各種工藝參數，可以對選擇性進行逆轉，優先刻蝕氮化物而非氧化物。）
圖 5. 自對準接觸孔采用一個橫向墊片將柵極與源漏接觸孔相隔離。ALE避免在墊片上角過度刻蝕，這在連續刻蝕工藝中很常見。
3D NAND字線的鎢沉積
3D NAND利用垂直整合極大地增加了存儲設備的存儲密度。以往，結構局限于兩個維度，通過減小尺寸從而限制密度；如今，結構在第三個維度中得以擴展。這些設備包括非常規幾何圖形以及極高的深寬比特征，這帶來了獨有的工藝挑戰。
其中最具挑戰性的是向字線中填充導電鎢。3D NAND交替堆疊氧化物和氮化物介電層，當前一代中有多達96層，更高層數還在研發中（圖 6）。密集排列且具有高深寬比的孔滲透至這些層中，按照高深寬比通道將排列分為字線。為了創建存儲單元，必須移除氮化物層并以鎢進行替換。這種鎢必須通過深（垂直深度 50:1）通道引入，然后橫向擴散，從而以無空洞的超共形沉積方式填充（之前的）氮化物水平面（橫向比約 10:1）。原子層沉積能夠一次沉積一個薄層，這就確保了均勻填充，并防止因堵塞而產生的空隙。
一種成功的方法就是在填充工藝中添加形狀選擇性抑制劑，防止在填充較高深寬比結構之前，出現較低深寬比結構中的過度沉積。由內而外的ALD工藝可以完全填充橫向（水平）線且不留空隙，同時最大限度地減少了垂直通道中的沉積，從而提升了電氣性能和工藝成品率。
圖 6. 3D NAND采用復雜的高深寬比結構。創建字線需要超共形鎢沉積，而這必須填充垂直和水平空間且不留空隙。
原子層刻蝕與沉積工藝利用自限性反應，提供原子級的控制。工藝產量提升、從更小的結構中移除的材料減少、以及對原子級控制的需求不斷增長，這些因素都重新引起了人們對原子層刻蝕的興趣。原子層工藝提供的控制水平，確保其在當前乃至未來的半導體制造業中將發揮越來越重要的作用。
