三维逻辑和存储器时代低温等离子体刻蚀技术的变迁

继NAND量产于2014年正式进入三维时代(3 NAND)，2015年逻辑产品也跨入三维结构鳍式品体管的量产。随着半导体行业整体步入三维结构的时代，传统的蚀刻技术无法满足小尺寸复杂工艺的要求。国际蚀刻机台厂商八仙过海推出各种适用三维结构的蚀刻技术图1.4以前段为例汇总了各种蚀刻技术演变的来源。对于等离子体而言，一般可以用电子能量分布(ED和离子能量分布(IED)两大主线来表征。ED通常控制电子温度、等离子体蜜度和电子磁撞反应，而ED则是控制离子击品圆表面能是优化蚀刻形與和降低品圆损伤的关键。目前已推出的商业化的蚀刻机台主要是沿着EED这条主线在提高蚀刻机台的战斗力。例如TEL公司的RLSA利用表面波激发等离子体，然后扩散到晶圆表面。该种机台是目前已开发机台中电子温度低的，大概可以低到1.0eV。而AMAT公司的Mesa甚至Hitachi公司的8190XT则是通过同步脉冲来实现低电子退度，同步脉是指源功率和底部电极偏压功率同步开关，在关闭状态的时候，等离子体中的电子大量减少，等离子体从原来的electron-ion型转换成 Ion-ion型，同时由于底部电极表面鞘层的消失，为更好地控制等离子体中的正负离于提供可能性。RLSA是从空间上利用扩散实现 Ion-ion等离子体，而Mesa/8190XT则是利用时间(等离子体的开关)来实现的。从机理上讲RLSA电子温度更低，而Mesa/8190XT则增加了两个调节等离子体的手段，即同步脉冲的开关比以及频率。Mesa是两个射频功率同步脉冲，8190XT理论上可以是微波/射频的同步脉冲。一般蚀刻的等离子体都是电负性的，所以在 Ion-ion等离子体状态，负离子可以脱离束缚中和晶圆表面正电荷，从而减少电荷累积效应。低电子温度可以降低解离率，从而降低轰击晶圆表面能量，减少聚合物产生和真空紫外线释放。低电子温度可以收窄离子能量峰的宽度，使精确控制能量击成为可能，从而提高选择ビ。此外，在等离子体关闭的时间内新鲜气的社可以改变等离子体均匀性，另外，同步冲术可以通过关比以及来週节活性基通和子通量的些，这个比值会影响到蚀刻选择比，影响的程度则是和具体的蚀刻气体有强相关性。

脉冲蚀刻技术早由澳大利亚国家大学等离子体实验室饱斯成尔( Boswel)教授报道于1985年2，30年来，脉冲蚀刻的研究文章大概有5万篇，占等离子体蚀刻文章的15％除了同步脉冲技术外，还有源功率脉冲、偏压功率脉冲、嵌入式脉冲( Embedded)以及错步脉冲( Delaved)技术，都是在EED上微调整或者用在特殊制程。例如源功率脉冲时一般没有偏压，所以适用于表面材料精细的处理(去除)。偏压功率脉冲时，由于源功率连续工作，其电子温度不会随脉冲而降低，如需降低往往通过升高反应腔压力来实现，但因此会减弱各向异性蚀刻能力，不过配以高功率底部偏压可解此问题。目前泛林半导体公司高端Kiyo系列配备了这种高偏压脉冲技术(US9059116)，这种技术和同步脉冲相比，其等离子体关闭期间粒子能量角分布(1EAD)与同步脉冲类似，因此也可降低电荷积累效果。嵌入式脉冲一般是源功率和偏压功率同时脉冲但偏压功率开启的时间要短于源功率的开启时间，这样可以降低同步脉冲等离子在开启瞬间的高电子温度峰。错步脉冲技术分几种，大致是在源功率关闭时，偏压功率延迟不同步关闭或者提前不同步开启，目的是通过等离子体源功率关闭阶段等离子体电势的调整来延缓离子通量，降低或增加离子轰击能量(相对同步脉冲而言)。一般来讲，嵌入式脉冲、错步脉冲技术在设备端实现困难诸多，距离大规模生产还有待时日。

三维时代蚀刻技术创新固然重要，但蚀刻机台的稳定性以及缺陷控制能力也是至关重要的，因为这些会直接影响到量产质量和进度，特别在这个日新月异的时代，失去先机就可能功败垂成。如上所述，EED一脉的蚀刻技术改进已经有各种商业化机台，并在三维半导体产品市场占有一席之地。学院派在EED方向的改进还有串联式ICP( Tandem)以及利用脉冲产生负离子然后经过Beam能量控制区形成中性粒子束蚀刻，不过后者的选择比是薄弱环节在IED方向原则上超高频射频源可以实现狭窄的离子能量峰，有助于高蚀刻选择比的实现，可是通常超高频射频会带来驻波效应等影响等离子体的均匀性，特别在大尺す晶圆上。目前IED方向上改进的商业化机台有东京电子公司开发的将负直流脉冲( Negative DC Pulsing)用于上电极的CCP机台，主要应用在超高深宽比内存介电材料蚀刻。机理是在射频同步脉冲关闭时，增加DC量，从而增加离子轰击能力和电荷中和能力。在ICP方向上，学院派提出类似想法，即在射同步冲的基上、在上电扱(负)或下电扱(正)加装直流。由于ICP的源射频和偏压射频偶合性可以忽略，这种 DC pulsing的引入可以实现不同材间蚀刻的高选择比的精确控制，达到ALE蚀刻境界，且远优于传统的基于气体脉冲的ALE蚀刻的4步法(吸附、抽空、反应、抽空)。除了ED和IED方向上的改进，泛林半导体公司的高级混合式脉冲(AMMP，气体、射频功率等)、超高偏压射频源以及蜂窝式( Hydra)静电卡盘加热也是蚀刻机台实现三维结构高品质蚀刻的有效手段。气体脉冲又称循环蚀刻( cyclic etch)，基本由堡护、激活、蚀刻3部分组成。相当于把原来连续蚀刻中同时进行的保护、激活、蚀刻拆分成3个独立步骤，从而实现在目标界面上蚀刻量的严格控制。混合式脉冲就是气体、源/偏压功率、气压等同时脉冲。该技术在改善稀疏和密集区蚀刻差异时功效明显。