El grabado húmedo temprano promovió el desarrollo de procesos de limpieza o incineración. Hoy en día, el grabado en seco mediante plasma se ha convertido en la corriente principal.proceso de grabado. El plasma está formado por electrones, cationes y radicales. La energía aplicada al plasma hace que los electrones más externos del gas fuente en estado neutro sean arrancados, convirtiendo así estos electrones en cationes.
Además, los átomos imperfectos de las moléculas se pueden eliminar aplicando energía para formar radicales eléctricamente neutros. El grabado en seco utiliza cationes y radicales que forman el plasma, donde los cationes son anisotrópicos (adecuados para grabar en una determinada dirección) y los radicales son isotrópicos (adecuados para grabar en todas las direcciones). El número de radicales es mucho mayor que el número de cationes. En este caso, el grabado en seco debe ser isotrópico como el grabado en húmedo.
Sin embargo, es el grabado anisotrópico del grabado en seco lo que hace posibles los circuitos ultraminiaturizados. ¿Cuál es la razón de esto? Además, la velocidad de grabado de cationes y radicales es muy lenta. Entonces, ¿cómo podemos aplicar métodos de grabado con plasma a la producción en masa frente a esta deficiencia?
1. Relación de aspecto (A/R)
Figura 1. El concepto de relación de aspecto y el impacto del progreso tecnológico en él.
La relación de aspecto es la relación entre el ancho horizontal y la altura vertical (es decir, la altura dividida por el ancho). Cuanto menor sea la dimensión crítica (CD) del circuito, mayor será el valor de la relación de aspecto. Es decir, suponiendo un valor de relación de aspecto de 10 y un ancho de 10 nm, la altura del orificio perforado durante el proceso de grabado debe ser de 100 nm. Por lo tanto, para productos de próxima generación que requieren ultraminiaturización (2D) o alta densidad (3D), se requieren valores de relación de aspecto extremadamente altos para garantizar que los cationes puedan penetrar la película inferior durante el grabado.
Para lograr una tecnología de ultraminiaturización con una dimensión crítica de menos de 10 nm en productos 2D, el valor de relación de aspecto del condensador de la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) debe mantenerse por encima de 100. De manera similar, la memoria flash NAND 3D también requiere valores de relación de aspecto más altos. para apilar 256 capas o más de capas de apilamiento de células. Incluso si se cumplen las condiciones requeridas para otros procesos, los productos requeridos no se pueden producir si elproceso de grabadono está a la altura. Por eso la tecnología de grabado está adquiriendo cada vez más importancia.
2. Descripción general del grabado con plasma
Figura 2. Determinación del gas fuente de plasma según el tipo de película
Cuando se utiliza un tubo hueco, cuanto más estrecho es el diámetro del tubo, más fácil es la entrada de líquido, lo que se denomina fenómeno capilar. Sin embargo, si se va a perforar un agujero (extremo cerrado) en el área expuesta, la entrada del líquido se vuelve bastante difícil. Por lo tanto, dado que el tamaño crítico del circuito era de 3 um a 5 um a mediados de la década de 1970,aguafuerteha reemplazado gradualmente al grabado húmedo como corriente principal. Es decir, aunque ionizado, es más fácil penetrar agujeros profundos porque el volumen de una sola molécula es menor que el de una molécula de solución de polímero orgánico.
Durante el grabado con plasma, el interior de la cámara de procesamiento utilizada para el grabado debe ajustarse a un estado de vacío antes de inyectar la fuente de gas de plasma adecuada para la capa relevante. Al grabar películas de óxido sólido, se deben utilizar gases fuente más fuertes a base de fluoruro de carbono. Para películas de silicio o metal relativamente débiles, se deben utilizar gases fuente de plasma a base de cloro.
Entonces, ¿cómo se deben grabar la capa de puerta y la capa aislante de dióxido de silicio (SiO2) subyacente?
En primer lugar, para la capa de puerta, el silicio debe eliminarse utilizando un plasma a base de cloro (silicio + cloro) con selectividad de grabado de polisilicio. Para la capa aislante inferior, la película de dióxido de silicio debe grabarse en dos pasos utilizando una fuente de gas de plasma a base de fluoruro de carbono (dióxido de silicio + tetrafluoruro de carbono) con mayor selectividad y eficacia de grabado.
3. Proceso de grabado con iones reactivos (RIE o grabado fisicoquímico)
Figura 3. Ventajas del grabado con iones reactivos (anisotropía y alta tasa de grabado)
El plasma contiene radicales libres isotrópicos y cationes anisotrópicos, entonces, ¿cómo realiza el grabado anisotrópico?
El grabado en seco con plasma se realiza principalmente mediante grabado con iones reactivos (RIE, Reactive Ion Etching) o aplicaciones basadas en este método. El núcleo del método RIE es debilitar la fuerza de unión entre las moléculas objetivo en la película atacando el área de grabado con cationes anisotrópicos. La zona debilitada es absorbida por los radicales libres, combinados con las partículas que forman la capa, convertidas en gas (un compuesto volátil) y liberadas.
Aunque los radicales libres tienen características isotrópicas, las moléculas que forman la superficie inferior (cuya fuerza de unión se debilita por el ataque de cationes) son capturadas más fácilmente por los radicales libres y convertidas en nuevos compuestos que las paredes laterales con una fuerza de unión fuerte. Por lo tanto, el grabado hacia abajo se convierte en la corriente principal. Las partículas capturadas se convierten en gas con radicales libres, que son desorbidos y liberados de la superficie bajo la acción del vacío.
En este momento, los cationes obtenidos por acción física y los radicales libres obtenidos por acción química se combinan para el grabado físico y químico, y la tasa de grabado (Etch Rate, el grado de grabado en un cierto período de tiempo) aumenta 10 veces. en comparación con el caso del grabado catiónico o el grabado por radicales libres solo. Este método no solo puede aumentar la tasa de grabado anisotrópico hacia abajo, sino que también puede resolver el problema de los residuos de polímero después del grabado. Este método se llama grabado de iones reactivos (RIE). La clave del éxito del grabado RIE es encontrar una fuente de gas de plasma adecuada para grabar la película. Nota: El grabado con plasma es grabado RIE y ambos pueden considerarse el mismo concepto.
4. Tasa de grabado e índice de rendimiento central
Figura 4. Índice de rendimiento de grabado central relacionado con la tasa de grabado
La tasa de grabado se refiere a la profundidad de la película que se espera alcanzar en un minuto. Entonces, ¿qué significa que la velocidad de grabado varía de una parte a otra en una sola oblea?
Esto significa que la profundidad del grabado varía de una parte a otra de la oblea. Por esta razón, es muy importante establecer el punto final (EOP) donde debe detenerse el grabado considerando la velocidad de grabado promedio y la profundidad del grabado. Incluso si se establece el EOP, todavía hay algunas áreas donde la profundidad del grabado es más profunda (sobregrabado) o menos profunda (subgrabado) de lo planeado originalmente. Sin embargo, un grabado insuficiente causa más daño que un grabado excesivo durante el grabado. Porque en el caso de un grabado insuficiente, la parte insuficientemente grabada dificultará procesos posteriores como la implantación de iones.
Mientras tanto, la selectividad (medida por la tasa de grabado) es un indicador clave de rendimiento del proceso de grabado. El estándar de medición se basa en la comparación de la tasa de grabado de la capa de máscara (película fotorresistente, película de óxido, película de nitruro de silicio, etc.) y la capa objetivo. Esto significa que cuanto mayor sea la selectividad, más rápido se grabará la capa objetivo. Cuanto mayor sea el nivel de miniaturización, mayor será el requisito de selectividad para garantizar que los patrones finos se puedan presentar perfectamente. Dado que la dirección del grabado es recta, la selectividad del grabado catiónico es baja, mientras que la selectividad del grabado radical es alta, lo que mejora la selectividad del RIE.
5. Proceso de grabado
Figura 5. Proceso de grabado
Primero, la oblea se coloca en un horno de oxidación con una temperatura mantenida entre 800 y 1000 ℃, y luego se forma una película de dióxido de silicio (SiO2) con altas propiedades aislantes en la superficie de la oblea mediante un método seco. A continuación, se ingresa al proceso de deposición para formar una capa de silicio o una capa conductora sobre la película de óxido mediante deposición química de vapor (CVD)/deposición física de vapor (PVD). Si se forma una capa de silicio, se puede realizar un proceso de difusión de impurezas para aumentar la conductividad si es necesario. Durante el proceso de difusión de impurezas, a menudo se añaden múltiples impurezas repetidamente.
En este momento, la capa aislante y la capa de polisilicio deben combinarse para el grabado. Primero, se utiliza un fotorresistente. Posteriormente, se coloca una máscara sobre la película fotorresistente y se realiza una exposición húmeda por inmersión para imprimir el patrón deseado (invisible a simple vista) en la película fotorresistente. Cuando el revelado revela el contorno del patrón, se elimina el fotoprotector del área fotosensible. Luego, la oblea procesada mediante el proceso de fotolitografía se transfiere al proceso de grabado para grabado en seco.
El grabado en seco se lleva a cabo principalmente mediante grabado con iones reactivos (RIE), en el que el grabado se repite principalmente reemplazando el gas fuente adecuado para cada película. Tanto el grabado en seco como el grabado en húmedo tienen como objetivo aumentar la relación de aspecto (valor A/R) del grabado. Además, se requiere una limpieza regular para eliminar el polímero acumulado en el fondo del orificio (el espacio formado por el grabado). El punto importante es que todas las variables (como materiales, gas fuente, tiempo, forma y secuencia) deben ajustarse orgánicamente para garantizar que la solución de limpieza o el gas fuente de plasma puedan fluir hasta el fondo de la zanja. Un ligero cambio en una variable requiere volver a calcular otras variables, y este proceso de recálculo se repite hasta que cumpla con el propósito de cada etapa. Recientemente, las capas monoatómicas, como las capas de deposición de capas atómicas (ALD), se han vuelto más delgadas y duras. Por tanto, la tecnología de grabado avanza hacia el uso de bajas temperaturas y presiones. El proceso de grabado tiene como objetivo controlar la dimensión crítica (CD) para producir patrones finos y garantizar que se eviten los problemas causados por el proceso de grabado, especialmente el grabado insuficiente y los problemas relacionados con la eliminación de residuos. Los dos artículos anteriores sobre grabado tienen como objetivo brindar a los lectores una comprensión del propósito del proceso de grabado, los obstáculos para lograr los objetivos anteriores y los indicadores de desempeño utilizados para superar dichos obstáculos.
Hora de publicación: 10 de septiembre de 2024