Derin Okuma — Plazma Etch ALE

Kapının önünde duran plazma

Bir yarı iletken fabrikasında 300 milimetrelik bir silisyum pulu, plazma odasından çıktığında yüzeyinde iki nanometre derinliğinde bir oyuk kalır. Operatör bunu gözle görmez. Görse de önemsemez, çünkü o oyuk zaten kapanacaktır. İşin tuhaf tarafı burada başlıyor. Kapanması istenen oyuk, kazınan oyuktan daha kritik bir mühendislik problemidir.

Atom Katmanı Aşındırma (Atomic Layer Etching, kısaca ALE) tam olarak bu paradoksun etrafında kurulmuş bir süreçtir. Kazıma işlemi kendi kendini sınırlar, sonra yüzey kendini onarır. İki adım arasındaki denge, çipin elektriksel ömrünü belirler. Peki kendini durduran bir kazıma neden normal etch'ten daha değerli hale geldi?

Kendini durduran kazıma neden mümkün

Klasik plazma etch, bir bahçe hortumuyla toprağı yıkamaya benzer. Suyu açarsın, istediğin derinliğe inene kadar beklersin, sonra kapatırsın. Sorun şu ki hortumun ucu her yeri eşit yıkamaz. Bazı bölgeler çukurlaşır, bazıları sığ kalır. Çip üreticileri on yıllardır bu eşitsizliği kimyasal inhibitörlerle, manyetik alanlarla ve sıcaklık gradyanlarıyla bastırmaya çalışıyor.

ALE bu mantığı tersine çevirir. Yüzeye önce bir kimyasal tabaka yapıştırılır. Tabaka tek atom kalınlığında kalır, çünkü yüzeyde bağlanacak serbest bölge kalmayınca reaksiyon kendiliğinden durur. Ardından düşük enerjili iyonlar gönderilir. İyonlar yalnızca bu zayıf tabakayı koparır, alttaki sağlam kristale dokunmaz. Bir turda kazınan derinlik 0,5 ile 2 nanometre arasında kalır.

İşin güzelliği burada. Kazıma miktarı süreye değil, yüzeyin kimyasal doygunluğuna bağlıdır. On saniye de beklesen, otuz saniye de beklesen aynı derinliği alırsın. Bu, üretimde tekrarlanabilirliği bir üst basamağa taşır.

Kendini sınırlama tek başına yeterli değil. Yüzeyin her noktasında aynı sayıda bağ bölgesi olması gerekir. Kristal yüzeylerinde bu şart doğal olarak sağlanır, çünkü düzenli atom dizilimi her bölgede aynı sayıda serbest bağ bırakır. Amorf yüzeylerde ise bağ bölgeleri rastgele dağılır ve doyma noktası noktadan noktaya kayar. O yüzden ALE en temiz sonucu tek kristal silisyum ve tek kristal metal yüzeylerde verir.

Pürüzlülük de bu mekanizmanın doğal çıktısıdır. Klasik etch'te yüzey zamanla tırtıklanır, çünkü hızlı kazınan bölgeler daha da hızlı kazınır. ALE'de her döngü yüzeyi bir atom katmanı kadar düzleştirir. Otuz döngü sonunda başlangıçtaki 0,8 nanometrelik pürüzlülük 0,2 nanometreye iner. Bu, kazıma değil, atomik ölçekte rendeleme işidir.

Kendini sınırlamanın sınır koşulu şurada. Doygunluk, yüzeyin tamamının reaktif gazla temas ettiği varsayımına dayanır. Yüksek en-boy oranlı bir delikte gaz molekülü dibe ulaşamazsa, tabaka orada oluşmaz ve o bölge kazılmaz. Aynı döngüde hem dipte hem yüzeyde farklı derinlik çıkabilir. Bu, ALE'nin tek başına çözemediği bir geometri problemidir ve 40'a 1 en-boy oranının üstünde belirginleşir.

İki yarım turun arasındaki kimya

ALE döngüsü iki yarım adımdan oluşur. İlk yarım adımda reaktif bir gaz, genelde klor veya flor içeren bir bileşik, odaya verilir. Gaz yüzeyle temas eder ve yalnızca en dıştaki atomlarla bağ kurar. İkinci yarım adımda argon iyonları düşük enerjiyle, tipik olarak 20 ile 50 elektronvolt aralığında, yüzeye çarpar.

Enerji aralığı kritik. 100 elektronvoltu aşan iyonlar alt katmanı da kırar, süreç kendini sınırlamayı bırakır ve klasik etch'e döner. 10 elektronvoltu altındaki iyonlar ise yüzeydeki tabakayı koparmaya yetmez, döngü boşa döner. Dar pencere, ALE reaktörlerinin neden bu kadar pahalı olduğunu açıklar.

Eşik değerleri kimyaya göre kayar. Klor tabakası için kopma eşiği 30 ile 40 elektronvolt aralığındayken, flor tabakası 15 ile 25 elektronvoltta kopar. Flor daha hafif iyonlarla çalışmaya izin verir ama oksit yüzeylerde seçiciliği düşürür. Reaktör tasarımcısı bu dengeyi her katman için ayrı ayarlar.

İyon enerjisi tek başına belirleyici değil. İyonların yüzeye dik gelmesi gerekir. Eğik gelen iyonlar yan duvarları da aşındırır ve profili bozar. O yüzden reaktörlerde plazma, pul tutucunun altına yerleştirilen radyo frekans kaynağıyla yönlendirilir. 13,56 megahertz standart frekanstır, bazı sistemlerde 2 megahertz ile 60 megahertz arası iki ayrı kaynak birlikte çalışır. Alt kaynak iyon enerjisini, üst kaynak plazma yoğunluğunu kontrol eder.

İyon açısı dağılımı, yüzeydeki plazma kılıfının kalınlığına bağlıdır. Kılıf kalınlığı, Debye uzunluğuyla ölçeklenir ve düşük basınçta mikron mertebesine çıkar. Kalın kılıf, iyonları doğrultur, çünkü iyon kılıfı geçerken çarpışma yapmaz ve elektrik alan çizgilerini takip eder. Basınç yükselirse iyonlar kılıf içinde çarpışır ve açı dağılımı genişler. O yüzden ALE reaktörleri düşük basınçta, genelde 5 militorrun altında çalışır.

Kimyasal seçicilik de burada devreye girer. Aynı döngüde silisyum dioksit ile silisyum nitrür arasındaki kazıma oranı 10'a 1'i aşabilir. Bu, bir katmanı kazırken alttaki katmanı korumanın tek yoludur. Seçicilik reaktif gazın kimyasına bağlıdır. Klor bazlı kimya silisyumu, flor bazlı kimya oksidi daha hızlı yer.

Seçiciliğin ölçüsü yalnızca oran değil, oranın döngü boyunca sabit kalmasıdır. İlk döngülerde yüzey oksitlenmişse seçicilik düşük başlar, beşinci döngüden sonra kararlı hale gelir. O yüzden üreticiler ilk 3 ile 5 döngüyü "kondisyon" turu sayar ve ölçümü altıncı döngüden sonra alır.

Her döngü 5 ile 30 saniye arasında sürer. Bir çip katmanı için tipik olarak 20 ile 100 döngü gerekir. Toplam süreç süresi birkaç dakikadan yarım saate kadar çıkabilir. Klasik plazma etch aynı işi 30 saniyede yapar. ALE'nin yavaşlığı bir kusur değil, satın alınan hassasiyetin bedelidir.

Sıcaklık, basınç ve odaya sığmayan gerçek

Oda sıcaklığı 20 ile 80 santigrat derece arasında tutulur. Daha yüksek sıcaklık kimyasal reaksiyonu hızlandırır ama kendini sınırlama özelliğini bozar. Basınç ise 1 ile 100 militorr bandında gezdirilir. Atmosfer basıncının yüz binde biri civarındaki bu ortamda, gaz molekülleri birbirine değmeden yüzeye ulaşır.

Sıcaklığın üst sınırı kimyaya göre değişir. Klor tabakası 80 santigrat derecenin üstünde yüzeyde tutunamaz, çünkü desorpsiyon hızı adsorpsiyon hızını geçer. Flor tabakası 120 santigrat dereceye kadar dayanır ama o noktada yan reaksiyonlar başlar. Alt sınır ise 20 santigrat derece civarındadır, çünkü daha düşük sıcaklıkta yüzey reaksiyonu kinetik olarak yavaşlar ve doygunluk için gereken süre döngü süresini aşar.

Plazma yoğunluğu santimetreküpte 10 üzeri 10 ile 10 üzeri 11 iyon mertebesindedir. Sayı kulağa soyut gelir. Somutlaştırmak için şunu düşün. Bir çay kaşığı havada yaklaşık 10 üzeri 19 molekül vardır. ALE odasındaki iyon sayısı bunun milyarda biri kadardır. Az sayıda iyon, çok hassas bir iş yapar.

Yoğunluk düşük tutulur çünkü iyon akısı yükselirse aynı yarım adımda birden fazla atom katmanı kopar. Her iyon bir bağ bölgesine denk gelmeli ki kendini sınırlama korunsun. O yüzden ALE kaynakları, klasik etch kaynaklarının kabaca onda biri akıyla çalışır.

Kritik boyut 3 nanometre düğümüne indiğinde, kapı oksit kalınlığı birkaç atom katmanına düşer. Ölçekte klasik etch'in bıraktığı yüzey pürüzü, transistörün sızıntı akımını ikiye katlayabilir. ALE bu yüzden 2010'ların ortasından itibaren FinFET ve gate-all-around yapılarında standart hale geldi.

Sızıntı akımının pürüzlülüğe bağlılığı doğrusal değil, üstel. Kapı oksit kalınlığı 1,2 nanometreden 1,0 nanometreye indiğinde tünelleme akımı yaklaşık üç katına çıkar, çünkü tünelleme olasılığı kalınlıkla üstel olarak azalır. Yüzeydeki 0,3 nanometrelik bir çukur, yerel kalınlığı 0,9 nanometreye düşürür ve o bölgede akım on katına çıkar. Tek bir çukur, tüm transistörün güvenilirliğini belirler.

Odaya sığmayan bir gerçek de var. ALE döngüsel olduğu için her yarım adım arasında odayı temizlemek gerekir. Aksi halde gaz fazında kalan reaktif moleküller bir sonraki adıma taşınır ve kendini sınırlama bozulur. Temizleme adımı, döngü süresinin yüzde 40'ını yiyebilir. Reaktör üreticilerinin asıl yarışı burada. Pompa hızını artırmak, döngü süresini kısaltmanın en doğrudan yoludur.

Temizleme süresinin alt sınırı odanın hacmiyle belirlenir. 40 litrelik bir odada bir tur gaz değişimi kabaca 1 saniye sürer, ama duvarlara tutunan moleküllerin salınması ek 2 ile 3 saniye ister. O yüzden modern ALE odaları küçültülür, 10 litrenin altına indirilir ve duvarlar pasifleştirici kaplamayla kaplanır. Her santimetrekare duvar alanı, döngü süresine doğrudan eklenir.

Yüksek en-boy oranlı yapılar ayrı bir sınav. 3 nanometre düğümünde bir hafıza deliğinin derinliği genişliğinin 40 katına çıkabilir. İyonlar bu dar deliğin dibine ulaşmakta zorlanır, çünkü yan duvarlara çarpıp enerji kaybeder. O yüzden ALE ile klasik etch sık sık birleştirilir. Önce klasik etch ile deliğin büyük kısmı açılır, sonra ALE ile dip kısmı atom katmanı hassasiyetinde temizlenir.

Piyasa Hafızası - 2018'de Applied Materials'ın ALE hamlesi

2018 yılının ortasında Applied Materials, atom katmanı aşındırma için tasarlanmış ilk ticari yüksek hacimli üretim platformunu duyurdu. Şirket, bu sistemin 3 nanometre ve altındaki düğümlerde kapı yapılarının şekillendirilmesinde kullanılacağını açıkladı. Duyuru, sektörde sessiz ama belirleyici bir eşiğin geçildiğini gösteriyordu. ALE artık laboratuvar tekniği değil, fabrika zemininde çalışan bir üretim adımıydı.

O dönemde çip üreticileri 7 nanometre düğümüne geçiş yapıyordu. Her yeni düğüm, aşındırma adımlarının sayısını kabaca yüzde 20 ile 30 artırıyordu. ALE'nin ticari olgunluğa erişmesi, bu artışın maliyetini kontrol altında tutmanın tek yoluydu. Ders şu. Bir süreç teknolojisi, ancak ölçeklenebilir bir platforma dönüştüğünde gerçek anlamda var olur.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, temsili bir 3 nanometre mantık çipinin bir metal katmanı için ALE ekonomisini gösterir. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Tablodaki en çarpıcı satır son iki satırdır. ALE'nin çip başına maliyeti 1 doların altında kalırken, onu atlamanın verim kaybı 1,20 doları buluyor. Yani ALE pahalı değil, atlanması pahalı.

Duyarlılık tarafına bakalım. Döngü süresi 12 saniyeden 15 saniyeye çıksa, pul başına süre 120 dakikaya, maliyet 800 dolara yükselir. Çip başına maliyet 1,14 dolara çıkar ve verim kaybıyla neredeyse eşitlenir. O yüzden reaktör üreticileri için döngü süresini kısaltmak, doğrudan kar marjı demektir.

İkinci bir duyarlılık ekseni daha var. Verim kaybı yüzde 4'ten yüzde 6'ya çıksa, çip başına kayıp 1,80 dolara yükselir. Senaryoda ALE'nin maliyeti ne olursa olsun, atlanması rasyonel değildir.

Üçüncü eksen adım sayısı. 3 nanometreden 2 nanometreye geçişte ALE adımı 12'den 18'e çıkarsa, pul başına süre 144 dakikaya, maliyet 960 dolara ulaşır. Çip başına maliyet 1,37 dolara çıkar ve verim kaybını aşar. Eşikte tasarımcılar ALE'yi yalnızca kritik katmanlara uygulamaya başlar.

Üç katmanlı okuma

Birincisi, ALE bir hız oyunu değil, bir kontrol oyunudur. Kazıma miktarını süreye değil, yüzey kimyasına bağlayarak üretimdeki değişkenliği ortadan kaldırır. İkincisi, bu teknolojinin değeri tek başına ölçülemez. Değeri, önlediği verim kaybıyla ölçülür. Üçüncüsü, 3 nanometre altındaki her düğüm, ALE'yi opsiyonel bir adımdan zorunlu bir adıma dönüştürür.

Çipin ömrü, kazınan derinlikte değil, kapanan yüzeyin düzeninde saklıdır.