【導(dǎo)讀】隨著市場(chǎng)需求推動(dòng)存儲(chǔ)器技術(shù)向更高密度、更優(yōu)性能、新材料、3D堆棧、高深寬比 (HAR) 刻蝕和極紫外 (EUV) 光刻發(fā)展,泛林集團(tuán)正在探索未來(lái)三到五年生產(chǎn)可能面臨的挑戰(zhàn),以經(jīng)濟(jì)的成本為晶圓廠提供解決方案。
隨著市場(chǎng)需求推動(dòng)存儲(chǔ)器技術(shù)向更高密度、更優(yōu)性能、新材料、3D堆棧、高深寬比 (HAR) 刻蝕和極紫外 (EUV) 光刻發(fā)展,泛林集團(tuán)正在探索未來(lái)三到五年生產(chǎn)可能面臨的挑戰(zhàn),以經(jīng)濟(jì)的成本為晶圓廠提供解決方案。
增加3D NAND閃存存儲(chǔ)容量的一種方法是堆棧加層,但堆棧高度的增加會(huì)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。雖然這些挑戰(zhàn)中最明顯的是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題,但層數(shù)的增加意味著需要使用更深的通道來(lái)觸及每個(gè)字線、以及更窄的狹縫溝槽以隔離連接到位線的通道(圖1)。
圖1:隨著3D NAND堆棧超過(guò)128層,堆棧高度接近7微米,并將所需的通道孔和狹縫轉(zhuǎn)變?yōu)楦呱顚挶?(HAR) 特征,刻蝕的挑戰(zhàn)越來(lái)越大。
高深寬比刻蝕的挑戰(zhàn)
在硬掩膜沉積和開(kāi)口形成以便刻蝕垂直通道之前,沉積交替的氧化物和氮化物薄膜層就是3D NAND生產(chǎn)工藝的開(kāi)始,高深寬比刻蝕挑戰(zhàn)也從這里開(kāi)始。
隨著行業(yè)向128層及更多層數(shù)發(fā)展,堆棧深度接近7微米,硬掩膜的厚度約為2-3微米,通道孔的深寬比正在接近90到100。
在此之后,應(yīng)對(duì)在大量層中形成狹縫的挑戰(zhàn)之前,會(huì)創(chuàng)建圖1所示的“梯式”結(jié)構(gòu)。沉積一層硬掩膜,將開(kāi)口圖形化并進(jìn)行單步刻蝕以在所有的層形成狹縫。最后,必須去除氮化物層并創(chuàng)建鎢字線。
為了使高深寬比結(jié)構(gòu)的反應(yīng)離子刻蝕 (RIE) 起作用,離子和中性反應(yīng)物之間必須有協(xié)同作用。然而由于多種機(jī)制的阻礙,處理高深寬比結(jié)構(gòu)時(shí),很容易失去這種協(xié)同作用。
圖2:離子和中性反應(yīng)物被遮蔽,深寬比相關(guān)傳導(dǎo)以及離子角分布是導(dǎo)致關(guān)鍵尺寸變化、刻蝕不完全、彎曲和扭曲等缺陷的重要因素。
首先,高壓會(huì)導(dǎo)致等離子鞘層中的離子散射,并分散通常非等向性的離子能量或角分布。因此,離子會(huì)錯(cuò)過(guò)孔或以更大的角度入射,撞到特征的頂部或側(cè)壁。這種離子“遮蔽”使離子-中性反應(yīng)物通量比率偏離協(xié)同作用(圖2)。
如果將離子推下高深寬比特征,離子能量可能會(huì)增加,但這會(huì)增加掩膜消耗,反過(guò)來(lái)又需要更厚的掩膜或硬掩膜材料的創(chuàng)新。
除了這一挑戰(zhàn),還有離子撞擊側(cè)壁并導(dǎo)致通道某些部位關(guān)鍵尺寸 (CD) 大于所需的問(wèn)題。當(dāng)這種“彎曲”(圖2)變得太大時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)孔接在一起。
但還有一個(gè)更大的問(wèn)題——沿孔“扭曲”,這是由于射頻等離子體系統(tǒng)中高階諧波變形的充電效應(yīng)導(dǎo)致了離子角分布的輕微變化。
高深寬比刻蝕問(wèn)題的解決方案
仔細(xì)觀察等離子體系統(tǒng),尤其是射頻子系統(tǒng),就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)解決方案。事實(shí)證明,降低頻率,使得通過(guò)高壓鞘層加速的離子傳輸時(shí)間接近半周期,就能最大化給定射頻功率的離子能量峰值。頻率降低和離子能量峰值提升導(dǎo)致離子的角分布減小,使它們更有可能到達(dá)高深寬比特征的底部(圖3)。
圖3:降低等離子體頻率會(huì)減小離子的角分布,增加它們到達(dá)高深寬比特征底部的可能性。
因此,硬件設(shè)計(jì)專注向更低頻率、更高功率和更低占空比發(fā)展。
盡管改變了硬件設(shè)計(jì),但在128層或更多層數(shù)的常用氧化物/氮化物 (ONON) 刻蝕6.9微米深的通道孔仍然非常困難。
因此,泛林正在測(cè)試一種不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的刻蝕深度,即先通過(guò)設(shè)定(例如5微米)刻蝕通道孔,然后在側(cè)壁上沉積保護(hù)性襯墊,以避免過(guò)度的橫向刻蝕。在隨后的步驟中,通道孔一直刻蝕到6.9微米。
添加襯墊以在不增加整個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸的情況下進(jìn)行額外的1微米刻蝕。雖然這個(gè)過(guò)程仍然需要諸多優(yōu)化,但該測(cè)試展示了一條很有前途的、刻蝕更小更深孔的途徑。
圖形化面臨的挑戰(zhàn)和協(xié)同優(yōu)化
邏輯和存儲(chǔ)的圖形化可能是芯片制造商削減成本和優(yōu)化性能的重中之重?,F(xiàn)在,這一切都關(guān)乎以最小的變化縮小到更小的結(jié)構(gòu)。這種變化可以通過(guò)邊緣定位誤差 (EPE) 來(lái)衡量。
例如,對(duì)準(zhǔn)孔面臨幾個(gè)變量的挑戰(zhàn),例如線邊緣粗糙度、掃描儀套準(zhǔn)精度誤差以及關(guān)鍵尺寸變化,包括由EUV曝光隨機(jī)誤差引起的局部關(guān)鍵尺寸變化。器件設(shè)計(jì)通常受限于變化的極值,而不是平均值。比如,管理這些變化以適應(yīng)最壞的情況可能占用邏輯后端高達(dá)50%的區(qū)域,并大幅增加制造成本。
控制變化的一種方法是通過(guò)工藝間協(xié)同優(yōu)化,這通常意味著在刻蝕期間補(bǔ)償光刻誤差。為了協(xié)同優(yōu)化起作用,刻蝕設(shè)備必須具有合適的可調(diào)性,以更好地控制跨晶圓以及晶圓到晶圓的刻蝕行為。
因?yàn)榫A總會(huì)遇到不同的等離子體條件和氣體分布,創(chuàng)造受控的溫度變化反過(guò)來(lái)可以使工藝具備可調(diào)性,并有助于補(bǔ)償腔室內(nèi)和來(lái)自光刻機(jī)的變化。
控制溫度從而控制刻蝕速率的一種方法是在卡盤(pán)和晶圓上創(chuàng)建可調(diào)溫度區(qū)。十多年來(lái),卡盤(pán)已從21世紀(jì)初期的單區(qū)設(shè)備演變?yōu)殡p區(qū)設(shè)備,然后是徑向多區(qū)。最近,泛林的Hydra? Uniformity System中又演變到了非徑向多區(qū)。
簡(jiǎn)化多重圖形化
主要用于DRAM和PCRAM、有時(shí)用于3D NAND的多重圖形化還面臨著關(guān)鍵尺寸變化的挑戰(zhàn)。圖形化方案增加了工藝步驟的數(shù)量,而這種增加意味著更多的變化來(lái)源。
在自對(duì)準(zhǔn)四重圖形技術(shù) (SAQP) 中,光刻、沉積和刻蝕的變化可能導(dǎo)致三種不同的關(guān)鍵尺寸。例如,在側(cè)墻刻蝕時(shí),可能會(huì)挖入底層。這種變化導(dǎo)致“間距偏差”,這已成為多重圖形化的重大挑戰(zhàn)。
如果刻蝕后可以將側(cè)墻制成正方形,則可以克服這一挑戰(zhàn),泛林已經(jīng)通過(guò)創(chuàng)造性地使用新型金屬氧化物材料實(shí)現(xiàn)這一成果,無(wú)需深挖就可以將SAQP流程從八層簡(jiǎn)化為五層。
EUV曝光隨機(jī)性的問(wèn)題
EUV光刻預(yù)計(jì)很快就將成為邏輯和DRAM的主流,因此也需要仔細(xì)考慮由此工藝引起的變化。EUV光刻使用了高能量光子,并且該工藝容易受到隨機(jī)變化的影響。
對(duì)于孔,隨機(jī)行為會(huì)導(dǎo)致局部關(guān)鍵尺寸變化。在線和空間的情況下,線邊緣粗糙度 (LER) 和線寬粗糙度等缺陷帶來(lái)的影響是顯著的。
例如,隨機(jī)性限制通孔良率,并隨通孔關(guān)鍵尺寸縮放不良。在小通孔關(guān)鍵尺寸處,即使是250W的掃描儀功率也可能不夠,因此需要材料的創(chuàng)新以及后處理,以控制隨著功率增加帶來(lái)的EUV成本上升。
多年來(lái),泛林在原子層刻蝕 (ALE) 方面的工作證明了該工藝能夠克服這一挑戰(zhàn)。原子層刻蝕包括表面改性繼而刻蝕的自限性步驟。當(dāng)多次重復(fù)這一循環(huán)時(shí),原子層刻蝕可以將特征的高頻粗糙度變得平整。
泛林及其合作伙伴在測(cè)試中測(cè)量了這種效應(yīng),EUV通孔局部關(guān)鍵尺寸均勻性 (LCDU) 因此提升了56%,從超過(guò)3納米變?yōu)?.3納米,對(duì)于某些芯片制造商來(lái)說(shuō)可能還會(huì)降低到1納米。
局部關(guān)鍵尺寸均勻性的改善在上游有重要影響:由于泛林的刻蝕和沉積工藝可以減少隨機(jī)性引起的變化,因此EUV掃描儀可以使用更低的能量,這種光刻-刻蝕技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化可以將EUV成本降低兩倍。
建立實(shí)現(xiàn)路線圖的信心
現(xiàn)在,泛林已經(jīng)為高深寬比結(jié)構(gòu)以及原子層工藝開(kāi)發(fā)了模塊級(jí)解決方案,以處理存儲(chǔ)器路線圖中的邊緣定位誤差。不過(guò),為了沿著路線圖自信地前進(jìn),設(shè)備供應(yīng)商、材料供應(yīng)商和芯片制造商在工藝開(kāi)發(fā)的早期階段必須共同努力,以經(jīng)濟(jì)且高效的方式滿足存儲(chǔ)器路線圖的所有要求。
(來(lái)源:泛林半導(dǎo)體設(shè)備技術(shù),作者:泛林集團(tuán) 先進(jìn)技術(shù)發(fā)展事業(yè)部公司副總裁潘陽(yáng)博士、先進(jìn)技術(shù)發(fā)展事業(yè)部 / CTO辦公室研究員 Samantha Tan 和全球產(chǎn)品事業(yè)部副總裁 Richard Wise)
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