Atomic layer etching: chips wegslijpen atoom voor atoom
Stel je voor dat je een stapel plakbriefjes van elkaar moet halen, en dat je daarbij gegarandeerd precies één briefje tegelijk wilt lostrekken, nooit twee, nooit een half briefje. Dat is ongeveer wat atomic layer etching (ALE) doet, maar dan met materiaal op een computerchip. ALE is een techniek waarmee fabrikanten van halfgeleiders (de siliciumchips in elke computer, telefoon en auto) laag voor laag, atoom voor atoom, materiaal van een oppervlak kunnen wegslijpen. 'Etsen' is de vakterm voor het chemisch of fysisch wegnemen van materiaal om een patroon in een chip te maken.
Het bijzondere aan ALE is de precisie. Bij traditioneel etsen werkt een machine ongeveer zoals een zandstraler: je spuit deeltjes op een oppervlak en hoopt dat je precies genoeg materiaal wegneemt, niet te veel en niet te weinig. Op de schaal van een moderne chip, waar structuren nog maar enkele nanometers (miljoensten van een millimeter) groot zijn, is die aanpak te grof geworden. ALE lost dit op door het proces op te knippen in hele kleine, zichzelf begrenzende stapjes, zodat er per cyclus gegarandeerd maar één atoomlaagje verdwijnt. Daardoor kunnen ingenieurs precies bepalen hoeveel materiaal ze weghalen, tot op de atoom nauwkeurig.
Wat is het precies?
ALE werkt met een cyclus die uit twee stappen bestaat, en die cyclus wordt net zo vaak herhaald als nodig is om de gewenste hoeveelheid materiaal te verwijderen. De eerste stap is de modificatiestap: een gas of plasma (een elektrisch geladen gaswolk) reageert met de bovenste laag atomen van het materiaal en verandert die chemisch, bijvoorbeeld door er chloor- of fluoratomen aan te binden. Deze reactie stopt vanzelf zodra de hele bovenste laag is aangepast, er is dan simpelweg niets meer om mee te reageren. Dat noemen chemici een zelf-begrenzende reactie: het proces kan niet doorschieten naar de laag eronder.
De tweede stap is de verwijderingsstap. Hierin wordt alleen die chemisch aangepaste bovenste laag weggehaald, bijvoorbeeld door lichte ionenbeschieting (bij plasma-ALE) of door een chemische reactie die de aangepaste atomen als gasmolecuul laat losraken (bij thermische ALE, die zonder plasma werkt en dus minder kans geeft op beschadiging van kwetsbare structuren). Ook deze stap stopt vanzelf zodra de aangepaste laag weg is, want de onaangetaste laag daaronder reageert niet op dezelfde manier. Eén cyclus van modificatie plus verwijdering haalt typisch een fractie van een nanometer tot één atoomlaag weg. Door de cyclus te herhalen, bouwt de machine als het ware in omgekeerde richting: niet laag voor laag opbouwen zoals bij 3d-printen, maar laag voor laag afbreken, met dezelfde voorspelbaarheid.
Wat wil men ermee bereiken?
De halfgeleiderindustrie probeert al decennia transistors, de schakelaartjes die samen een chip vormen, steeds kleiner te maken. Dit staat bekend als de Wet van Moore: ruwweg elke twee jaar verdubbelt het aantal transistors dat op eenzelfde oppervlak past. Bij de allernieuwste chipontwerpen, zoals FinFET-transistors (met een verticale, vinvormige geleider) en gate-all-around-transistors (waarbij de sturende elektrode het geleidende kanaal helemaal omsluit), zijn de kritieke afmetingen zo klein geworden dat een verschil van een paar atoomlagen al meetbaar invloed heeft op hoe de chip functioneert.
Traditioneel etsen laat vaak een oneffen, ruw randje achter op structuren, in het Engels line-edge roughness genoemd: een soort microscopische kartelrand langs een lijn die eigenlijk kaarsrecht zou moeten zijn. Bij nanometerschaal transistors telt zo'n kartelrand relatief zwaar mee en kan die de prestaties en betrouwbaarheid van de chip verminderen. ALE belooft gladdere, nauwkeurigere randen en minder schade aan het onderliggende materiaal, omdat elke stap zo beheerst verloopt. Daarnaast is ALE aantrekkelijk voor het etsen van zeer diepe, smalle gaten met een grote aspect ratio (de verhouding tussen diepte en breedte), zoals nodig is bij 3d-geheugenchips waar tientallen tot honderden geheugenlagen op elkaar gestapeld worden.
Voorbeelden uit de praktijk
ALE is inmiddels geen zuiver theoretisch concept meer, maar wordt op verschillende plekken toegepast en onderzocht:
- Lam Research (Verenigde Staten) is een van de belangrijkste bouwers van commerciële plasma-ALE-apparatuur. Hun etsmachines worden sinds het einde van de jaren 2010 door grote chipfabrikanten ingezet voor het maken van FinFET- en gate-all-around-transistors op de meest geavanceerde procesknooppunten.
- De onderzoeksgroep van Steven George aan de University of Colorado Boulder geldt in de vakliteratuur als pionier van thermische ALE, waarbij geen plasma nodig is. Rond 2015-2016 publiceerde deze groep invloedrijk werk over het thermisch etsen van aluminiumoxide (Al2O3) met een combinatie van waterstoffluoride en een tin-organische verbinding, een aanpak die later als voorbeeld diende voor thermische ALE van andere materialen.
- imec in Leuven, België, een vooraanstaand onderzoekscentrum voor nano-elektronica, onderzoekt ALE-processen in de context van toekomstige gate-all-around nanosheet-transistoren, als onderdeel van hun bredere onderzoek naar chipproductie voorbij de huidige generatie.
- De onderzoeksgroep rond hoogleraar Erwin Kessels aan de TU Eindhoven is internationaal bekend op het gebied van atomaire-schaal-processen, waaronder zowel atomic layer deposition (het omgekeerde proces, waarbij juist laag voor laag materiaal wordt toegevoegd) als atomic layer etching.
- In de fabricage van 3d-NAND-geheugenchips, zoals geproduceerd door bedrijven als Samsung en SK Hynix, wordt gewerkt aan (en deels al gebruikgemaakt van) ALE-achtige technieken om de smalle, diepe kanalen te etsen die door tientallen gestapelde geheugenlagen heen lopen.
Hoe ver is de techniek?
Plasma-ALE is het verst ontwikkeld: het wordt al industrieel toegepast bij toonaangevende chipfabrikanten voor specifieke, kritieke processtappen in de productie van geavanceerde logica-chips. Het is inmiddels een gevestigd onderdeel van het gereedschap waarmee de nieuwste procesknooppunten gemaakt worden.
Thermische ALE, die zonder plasma werkt en daardoor in theorie nog nauwkeuriger en schadevrijer is, bevindt zich grotendeels nog in de onderzoeks- en pilotfase. Er zijn wel demonstraties voor diverse materialen gepubliceerd, maar het aantal materiaalsystemen waarvoor een betrouwbaar, herhaalbaar thermisch ALE-recept bestaat, is nog beperkt vergeleken met wat de industrie op termijn nodig heeft.
Een belangrijk obstakel is snelheid: omdat ALE in kleine, herhaalde stapjes werkt, duurt het langer dan doorlopend (continu) etsen. Voor massaproductie moet die doorvoersnelheid (throughput) omhoog, anders wordt het proces te duur voor toepassingen waar de extra precisie niet strikt noodzakelijk is. Andere obstakels zijn de uitbreiding van ALE naar meer materialen, waaronder metalen en zogeheten high-k diëlektrica (isolerende materialen met een hoge diëlektrische constante, gebruikt in moderne transistors), en de integratie van ALE-stappen in een volledige, complexe productielijn zonder dat andere onderdelen van de chip beschadigd raken.
Wie werken eraan?
Aan de apparatuurkant zijn Lam Research, Applied Materials, Tokyo Electron (TEL) en ASM International de belangrijkste bedrijven die etsmachines met ALE-mogelijkheden ontwikkelen en verkopen aan chipfabrikanten wereldwijd.
Op onderzoeksgebied springen imec in België en de University of Colorado Boulder in de Verenigde Staten eruit, naast diverse universiteiten met sterke groepen op het gebied van atomaire-schaal-processen, waaronder de TU Eindhoven in Nederland. Veel van dit onderzoek wordt gedeeld op de jaarlijkse ALD/ALE-conferentie, georganiseerd door de American Vacuum Society (AVS), die ook het vaktijdschrift Journal of Vacuum Science & Technology uitgeeft.
Geografisch is de ontwikkeling geconcentreerd in landen met een sterke halfgeleiderindustrie of -onderzoekstraditie: de Verenigde Staten, Nederland en België (onder meer via imec), Japan en Zuid-Korea, en Taiwan, waar de grootste contractfabrikanten (foundries) de nieuwste procesknooppunten in productie nemen.