Die frühe Nassätzung förderte die Entwicklung von Reinigungs- oder Veraschungsprozessen. Heutzutage ist das Trockenätzen mit Plasma zum Mainstream gewordenÄtzverfahren. Plasma besteht aus Elektronen, Kationen und Radikalen. Die dem Plasma zugeführte Energie bewirkt, dass die äußersten Elektronen des Quellgases im neutralen Zustand abgestreift werden, wodurch diese Elektronen in Kationen umgewandelt werden.
Darüber hinaus können unvollkommene Atome in Molekülen durch Energieeinwirkung abgespalten werden, um elektrisch neutrale Radikale zu bilden. Beim Trockenätzen werden Kationen und Radikale verwendet, aus denen Plasma besteht, wobei Kationen anisotrop (zum Ätzen in eine bestimmte Richtung geeignet) und Radikale isotrop (zum Ätzen in alle Richtungen geeignet) sind. Die Zahl der Radikale ist weitaus größer als die Zahl der Kationen. In diesem Fall sollte das Trockenätzen wie das Nassätzen isotrop sein.
Es ist jedoch das anisotrope Ätzen des Trockenätzens, das ultraminiaturisierte Schaltkreise ermöglicht. Was ist der Grund dafür? Darüber hinaus ist die Ätzgeschwindigkeit von Kationen und Radikalen sehr langsam. Wie können wir angesichts dieses Mangels Plasmaätzverfahren auf die Massenproduktion anwenden?
1. Seitenverhältnis (A/R)
Abbildung 1. Das Konzept des Seitenverhältnisses und die Auswirkungen des technologischen Fortschritts darauf
Das Seitenverhältnis ist das Verhältnis der horizontalen Breite zur vertikalen Höhe (dh Höhe geteilt durch Breite). Je kleiner die kritische Abmessung (CD) der Schaltung ist, desto größer ist der Wert des Seitenverhältnisses. Das heißt, unter der Annahme eines Seitenverhältnisses von 10 und einer Breite von 10 nm sollte die Höhe des während des Ätzprozesses gebohrten Lochs 100 nm betragen. Daher sind für Produkte der nächsten Generation, die eine Ultraminiaturisierung (2D) oder eine hohe Dichte (3D) erfordern, extrem hohe Seitenverhältniswerte erforderlich, um sicherzustellen, dass Kationen während des Ätzens in den unteren Film eindringen können.
Um eine Ultraminiaturisierungstechnologie mit einer kritischen Abmessung von weniger als 10 nm in 2D-Produkten zu erreichen, sollte der Wert des Kondensator-Seitenverhältnisses des dynamischen Direktzugriffsspeichers (DRAM) über 100 gehalten werden. In ähnlicher Weise erfordert auch der 3D-NAND-Flash-Speicher höhere Seitenverhältniswerte um 256 Schichten oder mehr Zellstapelschichten zu stapeln. Selbst wenn die für andere Prozesse erforderlichen Bedingungen erfüllt sind, können die erforderlichen Produkte nicht hergestellt werden, wenn dieÄtzverfahrenentspricht nicht dem Standard. Aus diesem Grund gewinnt die Ätztechnik zunehmend an Bedeutung.
2. Überblick über das Plasmaätzen
Abbildung 2. Bestimmung des Plasmaquellgases nach Filmtyp
Bei Verwendung eines Hohlrohrs gilt: Je kleiner der Rohrdurchmesser, desto leichter kann Flüssigkeit eindringen, was das sogenannte Kapillarphänomen darstellt. Wenn jedoch im freiliegenden Bereich ein Loch (geschlossenes Ende) gebohrt werden soll, wird das Einbringen der Flüssigkeit recht schwierig. Da die kritische Größe des Schaltkreises Mitte der 1970er Jahre bei 3 bis 5 µm lag, ist es trockenRadierunghat nach und nach das Nassätzen als Mainstream abgelöst. Das heißt, obwohl es ionisiert ist, ist es einfacher, in tiefe Löcher einzudringen, da das Volumen eines einzelnen Moleküls kleiner ist als das eines Moleküls einer organischen Polymerlösung.
Beim Plasmaätzen sollte das Innere der zum Ätzen verwendeten Bearbeitungskammer auf einen Vakuumzustand eingestellt werden, bevor das für die jeweilige Schicht geeignete Plasmaquellgas injiziert wird. Beim Ätzen von Festoxidfilmen sollten stärkere Quellgase auf Kohlenstofffluoridbasis verwendet werden. Für relativ schwache Silizium- oder Metallfilme sollten Plasmaquellgase auf Chlorbasis verwendet werden.
Wie sollten also die Gate-Schicht und die darunter liegende Isolierschicht aus Siliziumdioxid (SiO2) geätzt werden?
Zunächst sollte für die Gate-Schicht Silizium mithilfe eines chlorbasierten Plasmas (Silizium + Chlor) mit Polysilizium-Ätzselektivität entfernt werden. Für die untere Isolierschicht sollte der Siliziumdioxidfilm in zwei Schritten unter Verwendung eines Plasmaquellengases auf Kohlenstofffluoridbasis (Siliziumdioxid + Kohlenstofftetrafluorid) mit höherer Ätzselektivität und Wirksamkeit geätzt werden.
3. Reaktives Ionenätzverfahren (RIE oder physikalisch-chemisches Ätzen).
Abbildung 3. Vorteile des reaktiven Ionenätzens (Anisotropie und hohe Ätzrate)
Plasma enthält sowohl isotrope freie Radikale als auch anisotrope Kationen. Wie führt es also eine anisotrope Ätzung durch?
Plasma-Trockenätzen wird hauptsächlich durch reaktives Ionenätzen (RIE, Reactive Ion Etching) oder darauf basierende Anwendungen durchgeführt. Der Kern der RIE-Methode besteht darin, die Bindungskraft zwischen Zielmolekülen im Film zu schwächen, indem anisotrope Kationen den Ätzbereich angreifen. Der geschwächte Bereich wird von freien Radikalen absorbiert, mit den Partikeln, aus denen die Schicht besteht, kombiniert, in Gas (eine flüchtige Verbindung) umgewandelt und freigesetzt.
Obwohl freie Radikale isotrope Eigenschaften haben, werden Moleküle, die die Bodenoberfläche bilden (deren Bindungskraft durch den Angriff von Kationen geschwächt wird), leichter von freien Radikalen eingefangen und in neue Verbindungen umgewandelt als Seitenwände mit starker Bindungskraft. Daher wird das Abwärtsätzen zum Mainstream. Die eingefangenen Partikel werden zu Gas mit freien Radikalen, die unter Einwirkung von Vakuum desorbiert und von der Oberfläche freigesetzt werden.
Zu diesem Zeitpunkt werden die durch physikalische Einwirkung erhaltenen Kationen und die durch chemische Einwirkung erhaltenen freien Radikale zum physikalischen und chemischen Ätzen kombiniert, und die Ätzrate (Ätzrate, der Ätzgrad in einem bestimmten Zeitraum) wird um das Zehnfache erhöht im Vergleich zum Fall des kationischen Ätzens oder des freien Radikalätzens allein. Dieses Verfahren kann nicht nur die Ätzrate des anisotropen Abwärtsätzens erhöhen, sondern auch das Problem der Polymerrückstände nach dem Ätzen lösen. Diese Methode wird als reaktives Ionenätzen (RIE) bezeichnet. Der Schlüssel zum Erfolg des RIE-Ätzens liegt darin, ein Plasmaquellengas zu finden, das zum Ätzen des Films geeignet ist. Hinweis: Plasmaätzen ist RIE-Ätzen und beide können als dasselbe Konzept betrachtet werden.
4. Ätzrate und Kernleistungsindex
Abbildung 4. Core Etch Performance Index in Bezug auf die Ätzrate
Die Ätzrate bezieht sich auf die Filmtiefe, die voraussichtlich in einer Minute erreicht wird. Was bedeutet es also, dass die Ätzrate von Teil zu Teil auf einem einzelnen Wafer variiert?
Das bedeutet, dass die Ätztiefe von Teil zu Teil auf dem Wafer variiert. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, den Endpunkt (EOP) festzulegen, an dem das Ätzen enden soll, indem die durchschnittliche Ätzrate und Ätztiefe berücksichtigt werden. Selbst wenn der EOP festgelegt ist, gibt es immer noch einige Bereiche, in denen die Ätztiefe tiefer (überätzt) oder flacher (unterätzt) ist als ursprünglich geplant. Allerdings verursacht eine Unterätzung beim Ätzen mehr Schaden als eine Überätzung. Denn im Falle einer Unterätzung behindert der unterätzte Teil nachfolgende Prozesse wie die Ionenimplantation.
Mittlerweile ist die Selektivität (gemessen an der Ätzrate) ein wichtiger Leistungsindikator des Ätzprozesses. Der Messstandard basiert auf dem Vergleich der Ätzrate der Maskenschicht (Photoresistfilm, Oxidfilm, Siliziumnitridfilm usw.) und der Zielschicht. Das heißt, je höher die Selektivität, desto schneller wird die Zielschicht geätzt. Je höher der Miniaturisierungsgrad, desto höher sind die Anforderungen an die Selektivität, um sicherzustellen, dass feine Muster perfekt dargestellt werden können. Da die Ätzrichtung gerade ist, ist die Selektivität des kationischen Ätzens gering, während die Selektivität des radikalischen Ätzens hoch ist, was die Selektivität von RIE verbessert.
5. Ätzvorgang
Abbildung 5. Ätzprozess
Zuerst wird der Wafer in einen Oxidationsofen gelegt, dessen Temperatur zwischen 800 und 1000 °C gehalten wird, und dann wird durch ein Trockenverfahren ein Siliziumdioxidfilm (SiO2) mit hohen Isolationseigenschaften auf der Oberfläche des Wafers gebildet. Als nächstes wird der Abscheidungsprozess eingeleitet, um durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD)/physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) eine Siliziumschicht oder eine leitende Schicht auf dem Oxidfilm zu bilden. Wenn eine Siliziumschicht gebildet wird, kann bei Bedarf ein Verunreinigungsdiffusionsprozess durchgeführt werden, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Während des Diffusionsprozesses der Verunreinigungen werden häufig mehrere Verunreinigungen wiederholt hinzugefügt.
Zu diesem Zeitpunkt sollten die Isolierschicht und die Polysiliziumschicht zum Ätzen kombiniert werden. Zunächst wird ein Fotolack verwendet. Anschließend wird eine Maske auf den Fotolackfilm gelegt und durch Eintauchen eine Nassbelichtung durchgeführt, um das gewünschte Muster (für das bloße Auge unsichtbar) auf den Fotolackfilm zu drucken. Wenn der Musterumriss durch die Entwicklung sichtbar wird, wird der Fotolack im lichtempfindlichen Bereich entfernt. Anschließend wird der durch den Fotolithographieprozess bearbeitete Wafer zum Trockenätzen in den Ätzprozess überführt.
Trockenätzen wird hauptsächlich durch reaktives Ionenätzen (RIE) durchgeführt, bei dem das Ätzen hauptsächlich durch Ersetzen des für jeden Film geeigneten Quellgases wiederholt wird. Sowohl das Trockenätzen als auch das Nassätzen zielen darauf ab, das Aspektverhältnis (A/R-Wert) des Ätzens zu erhöhen. Darüber hinaus ist eine regelmäßige Reinigung erforderlich, um das am Boden des Lochs (dem durch das Ätzen entstandenen Spalt) angesammelte Polymer zu entfernen. Der wichtige Punkt ist, dass alle Variablen (wie Materialien, Quellgas, Zeit, Form und Reihenfolge) organisch angepasst werden sollten, um sicherzustellen, dass die Reinigungslösung oder das Plasmaquellgas bis zum Boden des Grabens fließen kann. Eine geringfügige Änderung einer Variablen erfordert eine Neuberechnung anderer Variablen, und dieser Neuberechnungsprozess wird wiederholt, bis er den Zweck jeder Stufe erfüllt. In letzter Zeit sind monoatomare Schichten wie Atomlagenabscheidungsschichten (ALD) dünner und härter geworden. Daher geht die Ätztechnik in Richtung der Verwendung niedriger Temperaturen und Drücke. Der Ätzprozess zielt darauf ab, die kritische Dimension (CD) zu kontrollieren, um feine Muster zu erzeugen und sicherzustellen, dass durch den Ätzprozess verursachte Probleme vermieden werden, insbesondere Unterätzung und Probleme im Zusammenhang mit der Entfernung von Rückständen. Die beiden oben genannten Artikel zum Thema Ätzen sollen den Lesern ein Verständnis für den Zweck des Ätzprozesses, die Hindernisse beim Erreichen der oben genannten Ziele und die Leistungsindikatoren zur Überwindung solcher Hindernisse vermitteln.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 10. September 2024