转自：半导体行业观察
技术应用虽然已经开始，但哪一种技术路径最好、谁家的最好仍不得而知。
经过多年研发，几家晶圆厂设备供应商终于在去年推出了基于原子层刻蚀（ALE）的下一代蚀刻系统。
ALE虽指向16 / 14nm的技术方向，但其必将在10 / 7nm甚至更远的技术领域内发挥重要作用。业界也正致力于开发应用于先进逻辑处理器和存储器生产制造的新一代ALE技术。
传统蚀刻设备连续的无选择的蚀刻晶圆，该系统在芯片制造商中已应用多年。新一代蚀刻技术ALE有选择地去除原子尺度上的目标材料，而不会损坏结构的其他部分，可以蚀刻出具有10Å~15Å 或5个原子宽度间隙的沟槽。 （1Å=0.1nm）
ALE无法取代很多传统蚀刻步骤，因为它在产能方面相对而言算是慢的。不过，传统蚀刻无法完成的工作领域，ALE正获得应用。应用材料公司蚀刻和掩膜策略方面的副总裁Uday Mitra说：“业界正在更多的向ALE过渡。随着3D技术的发展，传统蚀刻技术的限制越来越多。随着更先进工艺节点的进入，我们将看到ALE更快的增长。”
Applied Materials, Hitachi High-Technologies, Lam Research , TEL是市场上ALE设备的主要供应商。如今，ALE只占整个蚀刻设备市场的一小部分。研究机构Gartner的数据显示，全球干法蚀刻市场规模2017年将达到96亿美元，高于2016年的72亿美元。
图1：传统等离子刻蚀工艺 来源：Lam Research
RIE设备虽快速可靠，但挑战仍存。首先，芯片制造商必须处理那些很小甚至没有空间的微小功能。如据Lam所说，一个晶体管栅极结构可能是10nm宽，制造中只允许在1nm范围内变化。
然后，传统蚀刻设备中电极在高温高压下激发等离子体轰击晶片，这对于微小的结构制造很有效，但也有可能会损坏结构。因此，不论是对于这种结构还是其他某种结构，需要有选择性地去除目标材料而不损坏其他部分。
那这就是ALE应用的场景。应用材料的Mitra认为：“ALE有两个基本条件：一是它以自我限制的方式去除单个原子层；二是它不会触及和破坏底层和周围的材料。”
自20世纪80年代以来，ALE的研发一度停滞过几年。它是一个一直在寻找适合应用场景的技术。但在过去的一两年里，ALE市场开始升温。 Applied，Lam，TEL等设备制造商在市场上推出了第一批基于ALE的蚀刻系统。
最后，芯片制造商发现了未来生产对ALE的需求。 Lam Research高级副总裁兼技术研究员David Hemker在最近的一次活动中表示：“ALE是使某些集成工艺步骤能够在7nm和5nm进行蚀刻的唯一方式，而且我们看到ALE将会越来越多地被应用。”
ALE正在应用于一些特定的领域。TEL公司技术开发和工艺工程高级总监Peter Biolsi说：“目前ALE在两个主要领域得到应用，一是那些间距或者空间商非常紧密的可能发生孔洞“堵塞”的蚀刻，二是具有超高选择性和均匀性应用。”
在技术方面，ALE与原子层沉积（ALD）也有关系。ALD的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。
ALD是一个缓慢的过程，但是技术应用几年前就已经开始。如今，ALD应用于逻辑芯片制造中高K值金属栅极的堆栈、DRAM中的电容成型及多重掩膜化。
相比之下，ALE与ALD相反。 ALE以一种自我限制且有序的方式在原子尺度逐层去除材料。
ALE可以匹配不同的应用场景，可以是在现有蚀刻设备配备具有针对性的ALE腔室也可以是专用ALE系统。
但不管如何匹配，ALE过程都涉及到复杂的物理化学反应。在Lam提供的事例中，ALE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。
图2：ALE工艺循环 来源：Lam Research
还有其他通过大量材料组合来实现ALE的方法。那么最好的是什么呢？
TEL的Biolsi说：“我们觉得没有最好的办法，我们需要具备使用所有方法的能力，以最好地适应所要蚀刻的材料和应用场景。”
尽管可能有多种分类方法，但根据科罗拉多大学化学与生物化学系教授Steven George的说法，ALE可分为两大——等离子体ALE和高温ALE。当然也有试图结合两种技术的高温等离子体ALE技术。
图3：定向蚀刻（a）垂直方向的蚀刻速率远大于横向的蚀刻速率，以及各向同性蚀刻（b），其在所有方向上以相同的速率蚀刻材料。来源：Lam Research。
对于各向同性蚀刻，ALE设备会发出可以在任何地方传播的气体分子。所以蚀刻发生在气体分子存在的任何地方。 George说“这些气体分子对于原有体系来说是活跃的新物质，就像新闯入一个街区的小孩，吸引着所有人的注意，这就让高温ALE具备一些等离子体ALE所不具备的潜在能力。高温ALE的互补性使它可以让你决定如何蚀刻而不需要特定材料。这是一个大问题。”
高温ALE不会取代等离子体ALE，反之亦然。芯片制造商可以使用两者来完成不同的任务。
同时，一些研究机构正在开发高温等离子体ALE技术。“这样就可以获得一些高温ALE的优点和等离子体方向性上的优势。” George说。
