[原创] 泛林集团：原子层刻蚀大批量生产在即

关于摩尔定律的未来，一千个人心里有一千个答案，泛林集团执行副总裁兼首席技术官Richard Gottscho博士的观点则是：虽然面临着各种挑战，但摩尔定律将一如既往得有效。

“摩尔定律继续发展已不仅仅指简单的微缩，无论是从2D向3D转变或是其他方式，产业界始终都有方法让芯片的密度和性能继续提高，而能耗和成本持续降低”，Richard Gottscho博士强调。而他谈到的其他方式就包括了原子层刻蚀。

泛林集团执行副总裁兼首席技术官Richard Gottscho博士

晶圆厂期待原子层刻蚀

Richard Gottscho博士日前在SEMICON China上的演讲指出，如今晶体管微缩面临的最大挑战是均匀性问题。例如：把一个10纳米的芯片进行微缩，它的均匀度要求通常在10%，即要维持在1个纳米；同样的原理应用到3纳米上，10%就是0.3纳米，就是三个埃，也就是一个原子的尺寸。

也就是说，未来我们需要对工厂里的产品在原子尺寸上进行毫无差别的掌控，并保证其结果一致，这就是最大的挑战。从晶圆制造的过程看，过往的沉积和刻蚀技术已无法发挥原有的作用，探索新的解决方案成为了厂商工作的重点，而包括原子层刻蚀在内的原子层技术就是其中的一个选择。

以现已被广泛应用的原子层沉积工艺为例，其原理是反应物先被泵入腔室铺满表面，然后清除化学物质并重复该过程，从而一次形成单原子层的单层材料。

为此，如果我们需要在金属物表面淀积一层二氧化硅。那么在这个工艺流程中，首先就要让含有硅的分子均匀并致密地吸附在金属物表面。这个过程不受气体传输的限制，因为含有硅的分子有足够的时间均匀地吸附在表面。

吸附好后，我们把含有硅的气体从真空反应腔体中全部排出去，然后将晶圆暴露在含有氧的环境中。这个含有氧的环境就会和金属物表面的硅起反应，从而生成二氧化硅。在这样一个工艺过程中，由于硅一旦吸收满后，表面的一层硅就不再进行反应，因此第一步吸附硅的过程是自我限制的；而第二步也是自我限制的，因为一旦所有的硅都和氧起反应了，它也将不再继续起反应。

经过这样一个过程，我们便能够非常均匀地在所有图形表面致密地淀积一层二氧化硅。不断重复这个过程，就能沉积一层致密而精准的二氧化硅薄膜，并且，这个过程可以在整个晶圆表面均匀进行。

原子层沉积

原子层刻蚀的工作原理和原子层沉积类似，以一种自我限制且有序的方式在原子尺度下逐层去除材料。

比如刻蚀硅，首先我们就要在硅的表面均匀吸附一层氯元素；第二步，把晶圆表面的气体排出，然后接触等离子体，从而激活氯，这样就会把硅刻蚀掉。

新的技术非常适合于那些间距或者空间上非常紧密的可能发生孔洞“堵塞”的刻蚀，和具有超高选择性和均匀性的应用。如今，在制造工艺往7nm、5nm甚至3nm演进的时候，原子层刻蚀就显得尤为重要。虽然这项技术现在还不能大规模应用，也不能对传统的刻蚀技术进行替换，但可以看到晶圆厂对其抱有很大的期望。

泛林集团推动原子层刻蚀走进产线

作为全球半导体产业创新晶圆制造设备和提供半导体服务的领先者，泛林集团正在努力让原子层刻蚀满足客户的需求。Richard Gottscho博士介绍说，上文提到的原子层刻蚀技术由泛林集团首先引入，并且目前也只有泛林集团引入了该项技术。这是泛林集团针对现在的原子层刻蚀困境而提出的解决办法。

从Richard Gottscho博士的介绍中我们得知，原子层刻蚀的重点是如何能准确控制过程，这就要求对离子能量进行精确控制。如果离子能量太大，它本身就会把硅原子溅射掉，那么这就不是一个自我限制的过程。

另外，用哪一种离子来做这个工艺也非常重要。可以想象，如果离子本身会和晶圆起反应，那么它就不止会腐蚀一层原子，而会不断腐蚀下去；同样，如果离子本身的质量太小，就很难把足够的能量传递下去。

因此，在原子层刻蚀过程中，最重要的，也是首先要做的，是对离子进行能量控制，使其能够被比较合适地应用于整个化学过程。而泛林集团提供的方案能够很好地控制这个过程。在采访中Richard Gottscho博士提到，泛林集团通过在腔内注入氯气，氯分子被吸收到表面形成氯化层，从腔室中除去未反应的氯气，然后注入氩离子轰击晶圆，除去薄氯化层不需要的部分。

原子层刻蚀

拆分这个过程，比如晶圆表面要刻硅，就让很多中性氯原子进来，之后它会吸附到硅上面。这个过程有一个流量，也就是多少个氯原子传输下来。过去，氯离子传输快的地方，硅就被刻蚀得多，传输慢的地方就刻蚀得比较慢，造成不均匀的结果。

而泛林现在的做法则是这样：先把氯传输到晶圆表面，但它只是吸附，并没有起反应。由于单原子的氯非常均匀地吸附在晶圆表面，因此不均匀度就被排除了。氯表面吸附一旦满了之后就会停下来，之后就把腔体里含有氯的气体全部排出，只剩下芯片表面有氯原子。

这时候我们再用带电的离子去轰击它，如果能量合适，把氯原子打出以后，氯原子带着底下的硅就形成二氯化硅，这样就做成一个原子层的刻蚀。

传统的刻蚀方法是根据离子的多少来决定刻蚀的程度，而在原子层刻蚀中，因为在芯片表面预先有了氯，所以在碰到离子时，有氯的地方就会继续刻蚀，而没有氯的地方就不会再继续，这就很好地解决了均匀度的问题。

为了更好地完成整个刻蚀过程，泛林集团提出了synergy理论：从氯原子和硅原子的键能和相应分子的大小，算出所需要的离子质量以及形成离子的能量，根据该能量在元素周期表中找到相应质量的元素及其对应的化合价，从而形成需要的离子，进而完成一个完美的原子层刻蚀。

需要多大质量的离子、用多少能量把它理想地传进来。按照这个能量数据，在元素周期表里去找相应质量的原子，把它变成几价的能量，把它的离子打下来，进而完成一个完美的原子层刻蚀。根据泛林的理论，相应的离子基本上都能找到。

“我们在硅的地方提出了一种算法叫synergy model，在刻蚀硅的时候，synergy大概可以做到90%，刻蚀一些金属的时候，几乎可以做到百分之百。因此对于原子层刻蚀，我们从理论到实践都做到了非常精细的地步”， Gottscho博士说。

从现状来看，速度、成本等问题成为限制原子层刻蚀的重要因素，很多厂商也因此望而却步。但就Gottscho博士看来，原子级工艺可以从本质上减少制造带来的可变性，且已经准备好进行大批量生产，甚至已有几个关键客户开始采用这种工艺。

“原子层刻蚀正在给我们的工艺制程打开一个新的窗口”，Gottscho博士说道。

文/半导体行业观察 李寿鹏

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