عملية نقش تدفق أشباه الموصلات

شجع النقش الرطب المبكر على تطوير عمليات التنظيف أو الرماد. اليوم، أصبح النقش الجاف باستخدام البلازما هو الاتجاه السائدعملية النقش. تتكون البلازما من الإلكترونات والكاتيونات والجذور. تتسبب الطاقة المطبقة على البلازما في تجريد الإلكترونات الخارجية للغاز المصدر في حالة محايدة، وبالتالي تحويل هذه الإلكترونات إلى كاتيونات.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن تجريد الذرات غير الكاملة في الجزيئات من خلال استخدام الطاقة لتكوين جذور محايدة كهربائيًا. يستخدم النقش الجاف الكاتيونات والجذور التي تشكل البلازما، حيث تكون الكاتيونات متباينة الخواص (مناسبة للحفر في اتجاه معين) والجذور متناحية الخواص (مناسبة للحفر في جميع الاتجاهات). عدد الجذور أكبر بكثير من عدد الكاتيونات. في هذه الحالة، يجب أن يكون النقش الجاف متناحيًا مثل النقش الرطب.

ومع ذلك، فإن النقش متباين الخواص للحفر الجاف هو الذي يجعل الدوائر المصغرة للغاية ممكنة. ما هو سبب هذا؟ بالإضافة إلى ذلك، فإن سرعة حفر الكاتيونات والجذور بطيئة جدًا. فكيف يمكننا تطبيق أساليب النقش بالبلازما على الإنتاج الضخم في مواجهة هذا العيب؟

 

 

1. نسبة العرض إلى الارتفاع (أ/ر)

 

الشكل 1. مفهوم نسبة العرض إلى الارتفاع وتأثير التقدم التكنولوجي عليه

 

نسبة العرض إلى الارتفاع هي نسبة العرض الأفقي إلى الارتفاع الرأسي (أي الارتفاع مقسومًا على العرض). كلما كان البعد الحرج (CD) للدائرة أصغر، كلما زادت قيمة نسبة العرض إلى الارتفاع. أي، بافتراض أن قيمة نسبة العرض إلى الارتفاع 10 وعرض 10 نانومتر، يجب أن يكون ارتفاع الثقب الذي تم حفره أثناء عملية الحفر 100 نانومتر. لذلك، بالنسبة لمنتجات الجيل التالي التي تتطلب تصغيرًا فائقًا (2D) أو كثافة عالية (3D)، تكون قيم نسبة العرض إلى الارتفاع عالية للغاية مطلوبة لضمان قدرة الكاتيونات على اختراق الفيلم السفلي أثناء النقش.

 

لتحقيق تقنية التصغير الفائق ذات البعد الحرج الذي يقل عن 10 نانومتر في المنتجات ثنائية الأبعاد، يجب الحفاظ على قيمة نسبة العرض إلى الارتفاع للمكثف لذاكرة الوصول العشوائي الديناميكي (DRAM) أعلى من 100. وبالمثل، تتطلب ذاكرة فلاش NAND ثلاثية الأبعاد أيضًا قيم نسبة عرض إلى ارتفاع أعلى. لتكديس 256 طبقة أو أكثر من طبقات تكديس الخلايا. وحتى لو تم استيفاء الشروط المطلوبة للعمليات الأخرى، فلا يمكن إنتاج المنتجات المطلوبة إذا تمعملية النقشلا يصل إلى مستوى قياسي. هذا هو السبب في أن تكنولوجيا النقش أصبحت ذات أهمية متزايدة.

 

 

2. نظرة عامة على النقش بالبلازما

 

الشكل 2. تحديد مصدر الغاز البلازما وفقا لنوع الفيلم

 

عند استخدام أنبوب مجوف، كلما كان قطر الأنبوب أضيق، كان من الأسهل دخول السائل، وهو ما يسمى بالظاهرة الشعرية. ومع ذلك، إذا كان سيتم حفر ثقب (نهاية مغلقة) في المنطقة المكشوفة، يصبح إدخال السائل صعبًا للغاية. ولذلك، نظرًا لأن الحجم الحرج للدائرة كان يتراوح من 3 ميكرومتر إلى 5 ميكرومتر في منتصف سبعينيات القرن العشرين، فقد تم تجفيفهاالنقشلقد حلت تدريجياً محل النقش الرطب باعتباره الاتجاه السائد. أي أنه على الرغم من تأينه، إلا أنه من الأسهل اختراق الثقوب العميقة لأن حجم الجزيء الواحد أصغر من حجم جزيء محلول البوليمر العضوي.

أثناء حفر البلازما، يجب تعديل الجزء الداخلي من غرفة المعالجة المستخدمة في الحفر إلى حالة فراغ قبل حقن غاز مصدر البلازما المناسب للطبقة ذات الصلة. عند حفر أفلام الأكسيد الصلب، يجب استخدام غازات مصدر أقوى تعتمد على فلوريد الكربون. بالنسبة للأفلام السيليكونية أو المعدنية الضعيفة نسبيًا، يجب استخدام غازات مصدر البلازما المعتمدة على الكلور.

إذن، كيف ينبغي حفر طبقة البوابة والطبقة العازلة لثاني أكسيد السيليكون (SiO2)؟

أولاً، بالنسبة لطبقة البوابة، يجب إزالة السيليكون باستخدام بلازما تحتوي على الكلور (سيليكون + كلور) مع انتقائية للحفر من البولي سيليكون. بالنسبة للطبقة العازلة السفلية، يجب أن يتم حفر طبقة ثاني أكسيد السيليكون في خطوتين باستخدام غاز مصدر البلازما المعتمد على فلوريد الكربون (ثاني أكسيد السيليكون + رباعي فلوريد الكربون) مع انتقائية وفعالية أقوى للحفر.

 

 

3. عملية النقش الأيوني التفاعلي (RIE أو النقش الفيزيائي الكيميائي).

 

الشكل 3. مزايا النقش الأيوني التفاعلي (تباين الخواص ومعدل النقش العالي)

 

تحتوي البلازما على كل من الجذور الحرة المتناحية والكاتيونات متباينة الخواص، فكيف تؤدي التنميش متباين الخواص؟

يتم تنفيذ النقش الجاف بالبلازما بشكل أساسي عن طريق النقش الأيوني التفاعلي (RIE، النقش الأيوني التفاعلي) أو التطبيقات القائمة على هذه الطريقة. جوهر طريقة RIE هو إضعاف قوة الربط بين الجزيئات المستهدفة في الفيلم عن طريق مهاجمة منطقة الحفر بالكاتيونات متباينة الخواص. يتم امتصاص المنطقة الضعيفة بواسطة الجذور الحرة، جنبًا إلى جنب مع الجزيئات التي تشكل الطبقة، وتحويلها إلى غاز (مركب متطاير) وإطلاقها.

على الرغم من أن الجذور الحرة لها خصائص متناحية، إلا أن الجزيئات التي تشكل السطح السفلي (التي تضعف قوة ربطها بسبب هجوم الكاتيونات) يتم التقاطها بسهولة بواسطة الجذور الحرة وتحويلها إلى مركبات جديدة مقارنة بالجدران الجانبية ذات قوة ربط قوية. لذلك، يصبح النقش الهبوطي هو الاتجاه السائد. تصبح الجسيمات الملتقطة غازات ذات جذور حرة، والتي يتم امتصاصها وإطلاقها من السطح تحت تأثير الفراغ.

 

في هذا الوقت، يتم الجمع بين الكاتيونات التي تم الحصول عليها عن طريق الفعل الفيزيائي والجذور الحرة التي تم الحصول عليها عن طريق العمل الكيميائي للنقش الفيزيائي والكيميائي، ويتم زيادة معدل النقش (معدل النقش، درجة النقش في فترة زمنية معينة) بمقدار 10 مرات مقارنة بحالة النقش الكاتيوني أو النقش الجذري الحر وحده. لا تؤدي هذه الطريقة إلى زيادة معدل النقش للحفر المتباين الخواص فحسب، بل يمكنها أيضًا حل مشكلة بقايا البوليمر بعد النقش. تسمى هذه الطريقة بالنقش الأيوني التفاعلي (RIE). مفتاح نجاح حفر RIE هو العثور على مصدر غاز بلازما مناسب لنقش الفيلم. ملحوظة: النقش بالبلازما هو نقش RIE، ويمكن اعتبارهما نفس المفهوم.

 

 

4. معدل الحفر ومؤشر الأداء الأساسي

 

الشكل 4. مؤشر أداء الحفر الأساسي المتعلق بمعدل الحفر

 

يشير معدل الحفر إلى عمق الفيلم المتوقع الوصول إليه خلال دقيقة واحدة. إذن ماذا يعني أن معدل الحفر يختلف من جزء إلى آخر على الرقاقة الواحدة؟

وهذا يعني أن عمق الحفر يختلف من جزء إلى آخر على الرقاقة. لهذا السبب، من المهم جدًا تحديد نقطة النهاية (EOP) حيث يجب أن يتوقف النقش من خلال النظر في متوسط ​​معدل النقش وعمق النقش. حتى إذا تم تعيين EOP، فلا تزال هناك بعض المناطق التي يكون فيها عمق الحفر أعمق (محفورًا بشكل زائد) أو أقل عمقًا (محفورًا بشكل ناقص) مما كان مخططًا له في الأصل. ومع ذلك، فإن النقش الناقص يسبب ضررًا أكبر من النقش الزائد أثناء النقش. لأنه في حالة النقش الناقص، فإن الجزء الناقص النقش سوف يعيق العمليات اللاحقة مثل زرع الأيونات.

وفي الوقت نفسه، تعد الانتقائية (المقاسة بمعدل النقش) مؤشرًا رئيسيًا لأداء عملية النقش. يعتمد معيار القياس على مقارنة معدل الحفر لطبقة القناع (فيلم مقاوم للضوء، فيلم أكسيد، فيلم نيتريد السيليكون، إلخ) والطبقة المستهدفة. وهذا يعني أنه كلما زادت الانتقائية، كلما كان حفر الطبقة المستهدفة أسرع. كلما ارتفع مستوى التصغير، زادت متطلبات الانتقائية لضمان إمكانية عرض الأنماط الدقيقة بشكل مثالي. نظرًا لأن اتجاه النقش مستقيم، فإن انتقائية النقش الكاتيوني منخفضة، في حين أن انتقائية النقش الجذري عالية، مما يحسن انتقائية RIE.

 

 

5. عملية النقش

 

الشكل 5. عملية النقش

 

أولاً، يتم وضع الرقاقة في فرن الأكسدة مع الحفاظ على درجة الحرارة بين 800 و1000 درجة مئوية، ومن ثم يتم تشكيل طبقة ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) ذات خصائص عزل عالية على سطح الرقاقة بطريقة جافة. بعد ذلك، يتم الدخول في عملية الترسيب لتكوين طبقة سيليكون أو طبقة موصلة على طبقة الأكسيد عن طريق ترسيب البخار الكيميائي (CVD)/ترسيب البخار الفيزيائي (PVD). إذا تم تشكيل طبقة السيليكون، يمكن إجراء عملية نشر الشوائب لزيادة الموصلية إذا لزم الأمر. أثناء عملية نشر الشوائب، غالبًا ما تتم إضافة شوائب متعددة بشكل متكرر.

في هذا الوقت، ينبغي الجمع بين الطبقة العازلة وطبقة البولي سيليكون للحفر. أولاً، يتم استخدام مقاوم الضوء. بعد ذلك، يتم وضع قناع على الفيلم المقاوم للضوء ويتم إجراء التعريض الرطب عن طريق الغمر لطبع النموذج المطلوب (غير مرئي للعين المجردة) على الفيلم المقاوم للضوء. عندما يتم الكشف عن مخطط النمط من خلال التطوير، تتم إزالة مقاوم الضوء في المنطقة الحساسة للضوء. بعد ذلك، يتم نقل الرقاقة المعالجة بعملية الطباعة الحجرية الضوئية إلى عملية النقش للحفر الجاف.

يتم تنفيذ النقش الجاف بشكل أساسي عن طريق النقش الأيوني التفاعلي (RIE)، حيث يتم تكرار النقش بشكل أساسي عن طريق استبدال الغاز المصدر المناسب لكل فيلم. يهدف كل من النقش الجاف والحفر الرطب إلى زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع (قيمة A/R) للحفر. بالإضافة إلى ذلك، يلزم التنظيف المنتظم لإزالة البوليمر المتراكم في قاع الحفرة (الفجوة الناتجة عن الحفر). النقطة المهمة هي أن جميع المتغيرات (مثل المواد والغاز المصدر والوقت والشكل والتسلسل) يجب تعديلها عضويًا لضمان إمكانية تدفق محلول التنظيف أو غاز مصدر البلازما إلى أسفل الخندق. إن التغيير الطفيف في أحد المتغيرات يتطلب إعادة حساب المتغيرات الأخرى، وتتكرر عملية إعادة الحساب هذه حتى تحقق الغرض من كل مرحلة. في الآونة الأخيرة، أصبحت الطبقات أحادية الذرة مثل طبقات ترسيب الطبقة الذرية (ALD) أرق وأكثر صلابة. ولذلك، فإن تكنولوجيا الحفر تتجه نحو استخدام درجات الحرارة والضغوط المنخفضة. تهدف عملية النقش إلى التحكم في البعد الحرج (CD) لإنتاج أنماط دقيقة والتأكد من تجنب المشاكل الناجمة عن عملية النقش، وخاصة مشاكل النقش الناقص والمشاكل المتعلقة بإزالة البقايا. تهدف المقالتان أعلاه حول النقش إلى تزويد القراء بفهم للغرض من عملية النقش، والعقبات التي تحول دون تحقيق الأهداف المذكورة أعلاه، ومؤشرات الأداء المستخدمة للتغلب على هذه العقبات.