Grabado de una sola capa

El grabado de una sola capa es una técnica de procesamiento químico que elimina material capa a capa, ya sea atómica o molecular. Los fabricantes la utilizan en la fabricación de semiconductores para lograr un control preciso de las características de los dispositivos a medida que sus dimensiones se reducen por debajo de los 10 nm. El grabado de capa atómica (ALE) se centra en capas atómicas individuales, mientras que el grabado de capa molecular (MLE) se enfoca en capas moleculares, a menudo en películas orgánicas o híbridas inorgánicas-orgánicas. Estos métodos autolimitantes proporcionan precisión a nanoescala y superficies lisas.

El grabado de una sola capa elimina material capa por capa a escala atómica o molecular. Los fabricantes utilizan esta técnica en la fabricación de semiconductores para un control preciso de las características de los dispositivos. El grabado de capa atómica (ALE) se centra en las capas atómicas. El grabado de capa molecular (MLE) se centra en las capas moleculares, a menudo en películas orgánicas o híbridas.

ALE emplea reacciones secuenciales y autolimitantes. El ciclo consiste en la modificación de la superficie seguida de su eliminación. La modificación expone la superficie a sustancias químicas o plasma que reaccionan con la capa atómica superior para formar una especie reactiva. La eliminación utiliza iones de baja energía u otros agentes para desorber la capa modificada. El proceso se repite, y la profundidad de grabado está determinada por el número de ciclos. En el caso del silicio, el gas cloro o el plasma cloran la superficie para formar una capa de cloruro de silicio de aproximadamente 0,5 nm de espesor. A continuación, iones de argón a ~50 eV pulverizan la capa modificada. La asistencia de plasma acelera las reacciones y permite el procesamiento a baja temperatura. La profundidad de grabado por ciclo suele alcanzar los 0,7 nm, manteniendo superficies lisas y uniformes. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

La autolimitación surge de la saturación: la modificación se detiene después de cubrir la capa superior, y la eliminación afecta solo la porción modificada. La sinergia entre los pasos evita el grabado durante exposiciones aisladas. El ALE direccional utiliza iones para el control anisotrópico en características de alta relación de aspecto. El ALE isotrópico graba uniformemente en todas las direcciones. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

MLE adapta el enfoque a capas moleculares en películas cultivadas mediante deposición de capas moleculares (MLD), como el alucono (un metalcono a base de aluminio, es decir, un material de película delgada híbrido orgánico-inorgánico). ^{[ 7 ]} Las exposiciones secuenciales a sal orgánica de litio y trimetilaluminio graban estos materiales híbridos. La sal de litio rompe los enlaces aluminio-oxígeno y el trimetilaluminio metila la superficie para producir productos volátiles. Las tasas de grabado muestran dependencia de la temperatura: ~0,4 nm por ciclo a 160 °C y ~3,6 nm por ciclo a 266 °C. ^{[ 8 ]}

Los investigadores exploraron conceptos de ALE a partir de finales de la década de 1980. En 1988, se trabajó en el grabado de diamante. En 1989, se demostró el grabado de bicapas de arseniuro de galio . La década de 1990 se centró en el ALE direccional para silicio y compuestos III-V como alternativas al grabado iónico reactivo, por ejemplo, utilizando tetrafluoruro de carbono . La década de 2000 cambió el enfoque hacia los óxidos y los materiales del grupo III-V. El interés aumentó alrededor de 2010 para cumplir con los requisitos de los dispositivos de menos de 10 nm. Lam Research demostró el ALE de silicio asistido por plasma en reactores comerciales en 2013. Las evaluaciones de las plantas de fabricación comenzaron en 2014. Sematech inició talleres de ALE ese mismo año. ^{[ 1 ]}

La técnica MLE se desarrolló más tarde. Los estudios sobre el grabado de películas de conos metálicos aparecieron alrededor de 2020. ^{[ 8 ]} Posteriormente surgieron patentes relacionadas con el grabado de capas moleculares. ^{[ 9 ]}

El grabado de una sola capa permite la fabricación de semiconductores donde se requiere precisión atómica. El grabado asistido por láser (ALE) da forma a las características de los dispositivos lógicos 3D. Elimina material en estructuras de alta relación de aspecto con un daño mínimo. El dióxido de silicio se graba selectivamente sobre el nitruro de silicio mediante métodos basados ​​en fluorocarbonos . Los materiales del grupo III-V, como el arseniuro de galio y el fosfuro de indio, conservan su estequiometría mediante cloración u oxidación seguida de eliminación. ^{[ 1 ]} Los metales, incluido el cobre, se someten a cloración y eliminación con plasma de hidrógeno. Los materiales bidimensionales, como el grafeno, utilizan plasma de oxígeno y haces neutros. Esta técnica facilita las interconexiones y los materiales emergentes en nodos inferiores a 10 nm. ^{[ 1 ]}

MLE controla las geometrías en dispositivos a nanoescala recubiertos mediante MLD. Permite la creación de patrones precisos de películas delgadas híbridas para arquitecturas microscópicas. ^{[ 8 ]}

ALE invierte los principios de la deposición de capas atómicas mediante reacciones térmicas o potenciadas por plasma. ^{[ 6 ]} El plasma genera radicales y permite el grabado direccional. Las cantidades de grabado por ciclo alcanzan escalas de angstrom. El grabado térmico en seco del cobalto utiliza exposiciones secuenciales a cloro y dicetona . ^{[ 10 ]}

La investigación en MLE hace hincapié en los procesos autolimitantes y libres de halógenos. La microbalanza de cristal de cuarzo y la espectroscopia infrarroja verifican los mecanismos. ^{[ 8 ]}

Las revisiones documentan ALE en más de 20 materiales en más de 100 estudios. ^{[ 1 ]}

• Grabado de capas atómicas