As we enter the era of ultra-large-scale integrated circuit manufacture, plasma etching grows more important for fabricating structures with unprecedented dimensions. For feature sizes below 1 μm and aspect ratios (depth/width) much larger than one, etching rates have been observed to depend on aspect ratio and pattern density. Such dependencies tend to increase the cost of manufacturing because even small changes in device design rules, cell design, or wafer layout can result in time-consuming, new plasma process development. In addition, microscopically nonuniform etching affects the trade-off between chips lost from failure to clear and chips lost by damage from overetching. Although aspect ratio and pattern dependent etching have been observed for a large variety of material systems and processing conditions, the fundamental causes underlying these effects are poorly understood. Partly, this results from use of confusing and conflicting nomenclature and a lack of careful, quantitative comparisons between experiment and theory. In this article we review recent literature on microscopic uniformity in plasma etching and carefully define terminology to distinguish between aspect ratio dependent etching (ARDE) and the pattern dependent effect known as microloading. For ARDE, we use dimensional analysis to narrow the range of proposed mechanisms to four which involve ion transport, neutral transport, and surface charging. For microloading, we show that it is formally equivalent to the usual loading effect, where the reactant concentration is depeleted as a result of an excessive substrate load.

Atomic layer etching (ALE) is a technique for removing thin layers of material using sequential reaction steps that are self-limiting. ALE has been studied in the laboratory for more than 25 years. Today, it is being driven by the semiconductor industry as an alternative to continuous etching and is viewed as an essential counterpart to atomic layer deposition. As we enter the era of atomic-scale dimensions, there is need to unify the ALE field through increased effectiveness of collaboration between academia and industry, and to help enable the transition from lab to fab. With this in mind, this article provides defining criteria for ALE, along with clarification of some of the terminology and assumptions of this field. To increase understanding of the process, the mechanistic understanding is described for the silicon ALE case study, including the advantages of plasma-assisted processing. A historical overview spanning more than 25 years is provided for silicon, as well as ALE studies on oxides, III–V compounds, and other materials. Together, these processes encompass a variety of implementations, all following the same ALE principles. While the focus is on directional etching, isotropic ALE is also included. As part of this review, the authors also address the role of power pulsing as a predecessor to ALE and examine the outlook of ALE in the manufacturing of advanced semiconductor devices.

Plasma etching is an essential semiconductor manufacturing technology required to enable the current microelectronics industry. Along with lithographic patterning, thin-film formation methods, and others, plasma etching has dynamically evolved to meet the exponentially growing demands of the microelectronics industry that enables modern society. At this time, plasma etching faces a period of unprecedented changes owing to numerous factors, including aggressive transition to three-dimensional (3D) device architectures, process precision approaching atomic-scale critical dimensions, introduction of new materials, fundamental silicon device limits, and parallel evolution of post-CMOS approaches. The vast growth of the microelectronics industry has emphasized its role in addressing major societal challenges, including questions on the sustainability of the associated energy use, semiconductor manufacturing related emissions of greenhouse gases, and others. The goal of this article is to help both define the challenges for plasma etching and point out effective plasma etching technology options that may play essential roles in defining microelectronics manufacturing in the future. The challenges are accompanied by significant new opportunities, including integrating experiments with various computational approaches such as machine learning/artificial intelligence and progress in computational approaches, including the realization of digital twins of physical etch chambers through hybrid/coupled models. These prospects can enable innovative solutions to problems that were not available during the past 50 years of plasma etch development in the microelectronics industry. To elaborate on these perspectives, the present article brings together the views of various experts on the different topics that will shape plasma etching for microelectronics manufacturing of the future.