技術應用雖然已經開始，但哪一種技術路徑最好、誰家的最好仍不得而知。

經過多年研發，幾家晶圓廠設備供應商終于在去年推出了基于原子層刻蝕（ALE）的下一代蝕刻系統。

ALE雖指向16 / 14nm的技術方向，但其必將在10 / 7nm甚至更遠的技術領域內發揮重要作用。業界也正致力于開發應用于先進邏輯處理器和存儲器生產制造的新一代ALE技術。

傳統蝕刻設備連續的無選擇的蝕刻晶圓，該系統在芯片制造商中已應用多年。新一代蝕刻技術ALE有選擇地去除原子尺度上的目標材料，而不會損壞結構的其他部分，可以蝕刻出具有10?~15? 或5個原子寬度間隙的溝槽。 （1?=0.1nm）

現在業界正開發的幾種類型的ALE，正變得讓人困惑。基本而言，業界目前有以下方向發展：

1、ALE設備供應商正在推出的蝕刻系統仍是基于各向異性等離子體蝕刻技術的ALE。

2、該行業現在專注于高溫ALE的開發，這種ALE可以各向同性或單向的蝕刻。一些其他廠商也正使用一些不同的ALE方法進行各向同性蝕刻。

3、一些正在開發混合高溫等離子體ALE。

4、最終目標是開發出有選擇性的ALE，可以有選擇性地去除表面上的單一類型材料或原子。

總而言之，等離子體ALE正協助各種芯片制造商實現更先進的生產制造。投資銀行Morningstar分析師Abhinav Davuluri表示：“目前，ALE仍處于早期階段。 我們優先考慮在邏輯芯片領域和專業的代工廠里首先應用，當它逐漸發揮作用的時候，DRAM的性能就會一點點提升。”

ALE無法取代很多傳統蝕刻步驟，因為它在產能方面相對而言算是慢的。不過，傳統蝕刻無法完成的工作領域，ALE正獲得應用。應用材料公司蝕刻和掩膜策略方面的副總裁Uday Mitra說：“業界正在更多的向ALE過渡。隨著3D技術的發展，傳統蝕刻技術的限制越來越多。隨著更先進工藝節點的進入，我們將看到ALE更快的增長。”

Applied Materials, Hitachi High-Technologies, Lam Research , TEL是市場上ALE設備的主要供應商。如今，ALE只占整個蝕刻設備市場的一小部分。研究機構Gartner的數據顯示，全球干法蝕刻市場規模2017年將達到96億美元，高于2016年的72億美元。

ALE到底是什么？

蝕刻，從晶圓上去除材料以形成圖形特征的工藝步驟，分為濕法和干法兩大類。濕法蝕刻使用液體化學物質去除材料。干法蝕刻通過等離子體轟擊晶圓面上的物質來去除材料，市場占比更大。

數十年來，芯片制造商在工廠中使用了被稱為反應離子刻蝕（RIE）的干法刻蝕技術。RIE中提到的等離子體(plasma)是由部分電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產生的正負離子組成的離子化氣體狀物質，尺度大于德拜長度的宏觀電中性電離氣體，其運動主要受電磁力支配，并表現出顯著的集體行為。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質存在的第四態。等離子體是一種很好的導電體，利用經過巧妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。當被加熱到足夠高的溫度或其他原因，外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，就像下課后的學生跑到操場上隨意玩耍一樣。電子離開原子核，這個過程就叫做“電離”。這時，物質就變成了由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的、一團均勻的“漿糊”，因此人們戲稱它為離子漿，這些離子漿中正負電荷總量相等，因此它是近似電中性的，所以就叫等離子體。

圖1：傳統等離子刻蝕工藝 來源：Lam Research

RIE設備雖快速可靠，但挑戰仍存。首先，芯片制造商必須處理那些很小甚至沒有空間的微小功能。如據Lam所說，一個晶體管柵極結構可能是10nm寬，制造中只允許在1nm范圍內變化。

然后，傳統蝕刻設備中電極在高溫高壓下激發等離子體轟擊晶片，這對于微小的結構制造很有效，但也有可能會損壞結構。因此，不論是對于這種結構還是其他某種結構，需要有選擇性地去除目標材料而不損壞其他部分。

那這就是ALE應用的場景。應用材料的Mitra認為：“ALE有兩個基本條件：一是它以自我限制的方式去除單個原子層；二是它不會觸及和破壞底層和周圍的材料。”

自20世紀80年代以來，ALE的研發一度停滯過幾年。它是一個一直在尋找適合應用場景的技術。但在過去的一兩年里，ALE市場開始升溫。 Applied，Lam，TEL等設備制造商在市場上推出了第一批基于ALE的蝕刻系統。

最后，芯片制造商發現了未來生產對ALE的需求。 Lam Research高級副總裁兼技術研究員David Hemker在最近的一次活動中表示：“ALE是使某些集成工藝步驟能夠在7nm和5nm進行蝕刻的唯一方式，而且我們看到ALE將會越來越多地被應用。”

ALE正在應用于一些特定的領域。TEL公司技術開發和工藝工程高級總監Peter Biolsi說：“目前ALE在兩個主要領域得到應用，一是那些間距或者空間商非常緊密的可能發生孔洞“堵塞”的蝕刻，二是具有超高選擇性和均勻性應用。”

在技術方面，ALE與原子層沉積（ALD）也有關系。ALD的原理是反應物先被泵入腔室鋪滿表面，然后清除化學物質并重復該過程，從而一次形成單原子層的單層材料。

ALD是一個緩慢的過程，但是技術應用幾年前就已經開始。如今，ALD應用于邏輯芯片制造中高K值金屬柵極的堆棧、DRAM中的電容成型及多重掩膜化。

相比之下，ALE與ALD相反。 ALE以一種自我限制且有序的方式在原子尺度逐層去除材料。

ALE可以匹配不同的應用場景，可以是在現有蝕刻設備配備具有針對性的ALE腔室也可以是專用ALE系統。

但不管如何匹配，ALE過程都涉及到復雜的物理化學反應。在Lam提供的事例中，ALE腔內注入氯氣，氯分子被吸收到表面形成氯化層，從腔室中除去未反應的氯氣，然后注入氬離子轟擊晶圓，除去薄氯化層不需要的部分。

圖2：ALE工藝循環 來源：Lam Research

還有其他通過大量材料組合來實現ALE的方法。那么最好的是什么呢？

TEL的Biolsi說：“我們覺得沒有最好的辦法，我們需要具備使用所有方法的能力，以最好地適應所要蝕刻的材料和應用場景。”

盡管可能有多種分類方法，但根據科羅拉多大學化學與生物化學系教授Steven George的說法，ALE可分為兩大——等離子體ALE和高溫ALE。當然也有試圖結合兩種技術的高溫等離子體ALE技術。

等離子ALE和高溫ALE適用于不同類型的蝕刻，盡管在某些相同的過程中它們是一起使用的 。George說：“ALE方面，等離子體ALE使用高能離子或中性物質從表面上剔除物質的方法來進行蝕刻；而高溫ALE應用于特定的高溫氣相反應。”

長時間以來，等離子體ALE一直在生產中應用。通常是等離子體ALE進行各向異性或定向蝕刻，相反的，高溫ALE執行各向同性或單向蝕刻。

“等離子ALE是定向的。例如，如果您需要鉆一個孔，則需要等離子體來完成該操作。等離子體ALE或等離子體處理一般可以做到的事情，你無法用高溫ALE的方式來完成。”George說。

等離子體ALE具有有限的各向同性能力。他解釋說：“被加速的等離子體是有方向性的，而且等離子體也可以產生其他諸如自由基一類的物質。這些自由基也來自等離子體源，它們的運動有一定范圍，不會四處游走。”

相反，高溫ALE針對更具挑戰的各向同性蝕刻。高溫只是一種各向同性蝕刻方法，但并不唯一。有些廠家正在使用更加激進的方法。

圖3：定向蝕刻（a）垂直方向的蝕刻速率遠大于橫向的蝕刻速率，以及各向同性蝕刻（b），其在所有方向上以相同的速率蝕刻材料。來源：Lam Research。

對于各向同性蝕刻，ALE設備會發出可以在任何地方傳播的氣體分子。所以蝕刻發生在氣體分子存在的任何地方。 George說“這些氣體分子對于原有體系來說是活躍的新物質，就像新闖入一個街區的小孩，吸引著所有人的注意，這就讓高溫ALE具備一些等離子體ALE所不具備的潛在能力。高溫ALE的互補性使它可以讓你決定如何蝕刻而不需要特定材料。這是一個大問題。”

高溫ALE不會取代等離子體ALE，反之亦然。芯片制造商可以使用兩者來完成不同的任務。

同時，一些研究機構正在開發高溫等離子體ALE技術。“這樣就可以獲得一些高溫ALE的優點和等離子體方向性上的優勢。” George說。

混合技術仍然在研發當中。等離子ALE已經應用與生產中，但高溫ALE仍處于早期階段，必須在更廣泛的材料上進行實驗。

然后，不管用何方法，對于ALE的各向異性和各向同性蝕刻都有一些挑戰。據埃因霍溫科技大學（EIT）應用物理系教授Erwin Kessels介紹，對于各向異性的ALE，挑戰在于維持自我限制機制，這要求精確控制離子能量和工藝條件。

各向同性的ALE更具挑戰性。Kessels說：“我一直在說每個人都想要各向同性，但是還沒有人知道如何去做。開發各向同性的ALE工藝是一個挑戰。”

通常，高溫ALE利用氣相反應來實現各向同性的蝕刻。其他人正在使用不同的方法獲得相同的結果。

例如，利用其專用的ALE設備，應用材料公司使用它所認為的先進工藝（radical-based）來進行各向同性蝕刻，通過兩個步驟實現，首先進行表面特殊化處理，然后基于自由基的蝕刻方法去除目標材料。

Applied的Mitra說：“我們不需要繼續加熱，因為（radical-based）工藝溫度更高，這種方法選擇性非常高。它可以蝕刻一種材料而不接觸另一個表面。”

EIT的Kessels在解釋這個特定的過程時說：“這就是我們所說的各向同性蝕刻過程，它是由自由基驅動的。所以，你可以用它做各向同性的蝕刻工藝。根據晶圓上的材料組合，您可以以極佳的選擇性做到這一點。”

總之，ALE實現了廣泛的應用。以下是各向異性和各向同性的一些對比：

1、晶體管結構：目前，ALE正在生產中用于創建自我匹配的連接 （見下面圖3）

2、極紫外光刻：ALE將被用作平滑技術來解決由EUV掩膜版引起的線邊緣粗糙度問題，ALE也是針對類似應用而設計的。

3、全柵極FET：全柵極（GAA）是一種finFET，其側面上具有柵極纏繞的，未來可能出現在5nm工藝中。

圖4：自對準接觸的ALE工藝。來源：Lam Research

GAA流程的第一步是制作由硅鍺（SiGe）和硅（Si）交替層組成的超晶格結構。在工藝過程中，硅鍺層必須被去除而不接觸硅層。對于這個工藝流程，ALE是唯一的方法。

圖5：使用ALE的原因。資料來源：應用材料

ALE的下一步是什么？

綜上，ALE正在生產中應用。但是它未來仍會在業界取得什么重大的進展？

現在得出討論還為時過早。ALE仍處于起步階段，邏輯芯片廠和代工廠是16nm / 14nm/ 10nm的首批采用者。晨星公司的Davuluri說：“10nm工藝下，ALE主要用于形成接觸。未來最有可能的情況，是當我們轉向7nm，5nm和3nm工藝時，它將主要應用于晶體管成型。”

但是和以前一樣，ALE也有一些挑戰 - 成本和產能。他說：“與ALE提高的精確性和準確性相伴，成本也是極高的，工藝流程中的工藝時間和步驟周期，都比一些更傳統的蝕刻方法要大得多。

這將限制英特爾，臺積電和三星采用ALE。他說：“除了絕對必要的地方之外，他們會試圖限制使用AIE。那是一些需要絕對完美的蝕刻的地方。”

還有其他因素。例如，據報道英特爾在10納米的某些步驟使用ALE。最初英特爾的10nm工藝本來應該在今年年底量產。他說：“取代年底量產計劃的，是2018年全面實施。”

考慮到這些問題，ALE市場的總體規模是一個動態的目標。根據晨星公司的數據，目前ALE的業務介于5000萬美元到1億美元之間。他說：“這是一個相當樂觀的估計，到2020財年，包括ALE在內的選擇性蝕刻將具有4.5億美元的市場。”

實際上，應用材料公司銷售兩套ALE系統。第一個設備（Sym3）是一個通用的蝕刻系統。它可以匹配各向異性蝕刻的等離子體ALE，例如自對準接觸和基底間隔物成型。

應用材料的Mitra說：“你可以在現有的反應腔體里做ALE。通過正確的控制做快速切換和脈沖，升級現有的反應腔體。ALE最大的缺點是很慢，關鍵是如何將反應物快速移出。所以你需要一個電導率非常好的反應腔體。“

第二個設備（Selectra）是專門用于各向同性應用的ALE系統。“在選擇性蝕刻領域，我們是唯一有設備能力的公司。”米特拉說。

邏輯芯片是第一個應用，但不是唯一的。 Mitra說：“雖然各向異性現在有更多的應用，但各向同性蝕刻適應新的應用和變化。它使客戶能夠解決新的問題，特別是當客戶正在越來越多的向3D制程進軍時。如果你看一下3D NAND結構，就知道為了深入到結構中進行蝕刻，就可能需要橫向蝕刻。這是傳統的蝕刻系統無法做到的一點。“

然后，在研發方面，應用材料正在為ALE開發下一代電子束等離子設備。電子束在腔室中產生等離子體，得到更低的電勢（0.3eV）和離子能量（<2eV）。Mitra說：“這是才真正的原子控制，電子束是用來產生電勢很低的離子。”

電子束ALE仍處于尋路階段。 Mitra說：“你可以用它來做一些奇特的事情。對于接下來的兩三個節點，我認為你不需要像電子束源那樣的東西。”

所以公司當前的ALE設備可以為未來的兩到三個節點做好工作。展望未來，目前設備的目標是提高能力和產能。

與此同時，Lam Research發布了一個具有定向ALE功能的刻蝕系統。現在，Lam正研究在最新的設備型號（Kiyo和Flex）中應用新的定向ALE技術。

Lam公司蝕刻產品副總裁Thorsten Lill表示：“我們看到ALE可以應用的節點數量不斷增加，大多數關鍵的蝕刻需要方向性，因此定向ALE值得被關注。”

像應用材料一樣，Lam也看到了對各向同性ALE的需求。 Lill說：“垂直器件集成驅動了對各向同性蝕刻的需求，未來將有必要增加各向同性ALE蝕刻技術”。

同時，TEL銷售傳統的蝕刻產品以及ALE氣體化學蝕刻系統（Certas）。TEL的Biolsi說：“TEL已經采用各向異性和各向同性的ALE方法進行硅的電介質蝕刻和各向異性蝕刻。硅的各向同性ALE仍在改進之中。

晶圓廠設備供應商正在忙于研究不同的ALE方法。該技術正在被用于有針對性的場景，但是隨著時間的推移，該技術還將與ALD技術一起應用。

ALE也將在一個名為選擇性沉積的新興領域發揮作用。將新型化學品與ALD相結合，選擇性沉積涉及在確切位置沉積材料和薄膜的工藝。

CU的George說：“ALE將與原子層沉積相輔相成，你可以用ALD控制薄膜。然后使用ALE，就能夠以相輔相成的方式去除材料。”

選擇性ALE是另一項需要關注的技術。當前的ALE技術條件下，設備可以去除目標結構。選擇性ALE更進一步，仍然在研發中。George說：“想象一下你有一個基板或設備，表面上有許多不同的材料。 當你想蝕刻所有的氧化鉿或者蝕刻所有的硅。為了做到這一點，控制將是非常重要的。”

芯片制造商仍在探索ALE的所有可能性。這項技術還處于起步階段，目前正在整合中。 EIT公司的Kessels說：“蝕刻，表面處理或者沉積技術的組合將會誕生許多混合工藝，我們正站在原子尺度制造工藝的開端。”