Tidlig vådætsning fremmede udviklingen af rense- eller askeprocesser. I dag er tørætsning ved hjælp af plasma blevet mainstreamætseproces. Plasma består af elektroner, kationer og radikaler. Den energi, der påføres plasmaet, får de yderste elektroner af kildegassen i neutral tilstand til at blive strippet af, hvorved disse elektroner omdannes til kationer.
Derudover kan uperfekte atomer i molekyler fjernes ved at anvende energi til at danne elektrisk neutrale radikaler. Tørætsning bruger kationer og radikaler, der udgør plasma, hvor kationer er anisotrope (egnede til ætsning i en bestemt retning) og radikaler er isotrope (egnede til ætsning i alle retninger). Antallet af radikaler er langt større end antallet af kationer. I dette tilfælde skal tørætsning være isotropisk ligesom vådætsning.
Det er dog den anisotrope ætsning af tør ætsning, der gør ultra-miniaturiserede kredsløb mulige. Hvad er årsagen til dette? Derudover er ætsningshastigheden af kationer og radikaler meget langsom. Så hvordan kan vi anvende plasmaætsningsmetoder til masseproduktion i lyset af denne mangel?
1. Billedformat (A/R)
Figur 1. Begrebet aspektforhold og virkningen af teknologiske fremskridt på det
Aspect Ratio er forholdet mellem vandret bredde og lodret højde (dvs. højde divideret med bredde). Jo mindre den kritiske dimension (CD) af kredsløbet er, desto større størrelsesforhold. Det vil sige, at hvis man antager en størrelsesforhold på 10 og en bredde på 10 nm, skal højden af hullet, der bores under ætseprocessen, være 100 nm. For næste generations produkter, der kræver ultra-miniaturisering (2D) eller høj densitet (3D), kræves der derfor ekstremt høje størrelsesforhold for at sikre, at kationer kan trænge ind i bundfilmen under ætsning.
For at opnå ultra-miniaturiseringsteknologi med en kritisk dimension på mindre end 10nm i 2D-produkter, bør kondensatorstørrelsesforholdsværdien for dynamisk tilfældig adgangshukommelse (DRAM) holdes over 100. Tilsvarende kræver 3D NAND-flashhukommelse også højere billedformatværdier at stable 256 lag eller flere af cellestablingslag. Selvom betingelserne for andre processer er opfyldt, kan de påkrævede produkter ikke fremstilles, hvisætseproceser ikke op til standarden. Det er grunden til, at ætsningsteknologi bliver stadig vigtigere.
2. Oversigt over plasmaætsning
Figur 2. Bestemmelse af plasmakildegas i henhold til filmtype
Når der bruges et hulrør, er det jo lettere for væske at trænge ind, jo smallere rørdiameteren er, som er det såkaldte kapillarfænomen. Men hvis der skal bores et hul (lukket ende) i det udsatte område, bliver tilførslen af væsken ret vanskelig. Derfor, da den kritiske størrelse af kredsløbet var 3um til 5um i midten af 1970'erne, tørætsninghar efterhånden erstattet vådætsning som mainstream. Det vil sige, at selvom det er ioniseret, er det lettere at trænge ind i dybe huller, fordi volumenet af et enkelt molekyle er mindre end et organisk polymeropløsningsmolekyle.
Under plasmaætsning bør det indre af behandlingskammeret, der bruges til ætsning, justeres til en vakuumtilstand, før den plasmakildegas, der passer til det relevante lag, indsprøjtes. Ved ætsning af faste oxidfilm bør der anvendes stærkere kulstoffluorid-baserede kildegasser. Til relativt svage silicium- eller metalfilm bør der anvendes klorbaserede plasmakildegasser.
Så hvordan skal gatelaget og det underliggende siliciumdioxid (SiO2) isolerende lag ætses?
For det første, for gatelaget, skal silicium fjernes ved hjælp af et klorbaseret plasma (silicium + klor) med polysiliciumætsningsselektivitet. For det nederste isoleringslag skal siliciumdioxidfilmen ætses i to trin ved hjælp af en carbonfluorid-baseret plasmakildegas (siliciumdioxid + carbontetrafluorid) med stærkere ætseselektivitet og effektivitet.
3. Reaktiv ionætsningsproces (RIE eller fysisk-kemisk ætsning).
Figur 3. Fordele ved reaktiv ionætsning (anisotropi og høj ætsningshastighed)
Plasma indeholder både isotrope frie radikaler og anisotrope kationer, så hvordan udfører det anisotropisk ætsning?
Plasma tørætsning udføres hovedsageligt ved reaktiv ionætsning (RIE, Reactive Ion Etching) eller applikationer baseret på denne metode. Kernen i RIE-metoden er at svække bindingskraften mellem målmolekyler i filmen ved at angribe ætseområdet med anisotrope kationer. Det svækkede område absorberes af frie radikaler, kombineret med de partikler, der udgør laget, omdannes til gas (en flygtig forbindelse) og frigives.
Selvom frie radikaler har isotrope egenskaber, bliver molekyler, der udgør bundoverfladen (hvis bindingskraft svækkes ved angreb af kationer), lettere fanget af frie radikaler og omdannet til nye forbindelser end sidevægge med stærk bindingskraft. Derfor bliver nedadgående ætsning mainstream. De opfangede partikler bliver til gas med frie radikaler, som desorberes og frigives fra overfladen under påvirkning af vakuum.
På dette tidspunkt kombineres kationerne opnået ved fysisk påvirkning og de frie radikaler opnået ved kemisk påvirkning til fysisk og kemisk ætsning, og ætsningshastigheden (Etch Rate, graden af ætsning i en vis periode) øges med 10 gange sammenlignet med tilfældet med kationisk ætsning eller fri radikal ætsning alene. Denne metode kan ikke kun øge ætsningshastigheden af anisotropisk nedadgående ætsning, men også løse problemet med polymerrester efter ætsning. Denne metode kaldes reaktiv ionætsning (RIE). Nøglen til succesen med RIE-ætsning er at finde en plasmakildegas, der er egnet til at ætse filmen. Bemærk: Plasmaætsning er RIE-ætsning, og de to kan betragtes som det samme koncept.
4. Etch Rate og Core Performance Index
Figur 4. Core Etch Performance Index relateret til Etch Rate
Etch rate refererer til dybden af filmen, der forventes at blive nået på et minut. Så hvad betyder det, at ætsningshastigheden varierer fra del til del på en enkelt wafer?
Det betyder, at ætsningsdybden varierer fra del til del på waferen. Af denne grund er det meget vigtigt at indstille slutpunktet (EOP), hvor ætsningen skal stoppe ved at overveje den gennemsnitlige ætsningshastighed og ætsningsdybde. Selvom EOP er indstillet, er der stadig nogle områder, hvor ætsningsdybden er dybere (overætset) eller lavere (underætset) end oprindeligt planlagt. Men underætsning forårsager mere skade end overætsning under ætsning. For i tilfælde af underætsning vil den underætsede del hindre efterfølgende processer såsom ionimplantation.
I mellemtiden er selektivitet (målt ved ætsningshastighed) en nøglepræstationsindikator for ætseprocessen. Målestandarden er baseret på sammenligningen af maskelagets ætsehastighed (fotoresistfilm, oxidfilm, siliciumnitridfilm osv.) og mållaget. Det betyder, at jo højere selektivitet, jo hurtigere ætses mållaget. Jo højere miniaturiseringsniveauet er, jo højere er selektivitetskravet for at sikre, at fine mønstre kan præsenteres perfekt. Da ætsningsretningen er lige, er selektiviteten af kationisk ætsning lav, mens selektiviteten af radikal ætsning er høj, hvilket forbedrer RIE-selektiviteten.
5. Ætseproces
Figur 5. Ætseproces
Først placeres waferen i en oxidationsovn med en temperatur, der holdes mellem 800 og 1000 ℃, og derefter dannes en siliciumdioxid (SiO2) film med høje isoleringsegenskaber på overfladen af waferen ved en tør metode. Dernæst går aflejringsprocessen ind for at danne et siliciumlag eller et ledende lag på oxidfilmen ved kemisk dampaflejring (CVD)/fysisk dampaflejring (PVD). Hvis der dannes et siliciumlag, kan der udføres en urenhedsdiffusionsproces for at øge ledningsevnen, hvis det er nødvendigt. Under urenhedsdiffusionsprocessen tilsættes ofte flere urenheder gentagne gange.
På dette tidspunkt skal det isolerende lag og polysiliciumlaget kombineres til ætsning. Først bruges en fotoresist. Efterfølgende anbringes en maske på fotoresistfilmen og våd eksponering udføres ved nedsænkning for at præge det ønskede mønster (usynligt for det blotte øje) på fotoresistfilmen. Når mønsterkonturen afsløres ved fremkaldelse, fjernes fotoresisten i det lysfølsomme område. Derefter overføres waferen behandlet ved fotolitografiprocessen til ætsningsprocessen til tørætsning.
Tørætsning udføres hovedsageligt ved reaktiv ionætsning (RIE), hvor ætsning hovedsageligt gentages ved at erstatte den kildegas, der er egnet til hver film. Både tør ætsning og våd ætsning har til formål at øge billedformatet (A/R værdi) af ætsning. Derudover kræves der regelmæssig rengøring for at fjerne polymeren, der er akkumuleret i bunden af hullet (mellemrummet dannet ved ætsning). Det vigtige er, at alle variabler (såsom materialer, kildegas, tid, form og rækkefølge) skal justeres organisk for at sikre, at renseopløsningen eller plasmakildegassen kan strømme ned til bunden af renden. En lille ændring i en variabel kræver genberegning af andre variable, og denne genberegningsproces gentages, indtil den opfylder formålet med hvert trin. For nylig er monoatomiske lag såsom atomlagaflejring (ALD)-lag blevet tyndere og hårdere. Derfor bevæger ætseteknologien sig mod brugen af lave temperaturer og tryk. Ætseprocessen har til formål at kontrollere den kritiske dimension (CD) for at producere fine mønstre og sikre, at problemer forårsaget af ætningsprocessen undgås, især underætsning og problemer relateret til fjernelse af rester. Ovenstående to artikler om ætsning har til formål at give læserne en forståelse af formålet med ætsningsprocessen, forhindringerne for at nå ovenstående mål og de præstationsindikatorer, der bruges til at overvinde sådanne forhindringer.
Indlægstid: 10. september 2024