فرآیند الگوبرداری نیمه هادی جریان اچینگ

حکاکی مرطوب اولیه توسعه فرآیندهای تمیز کردن یا خاکستر کردن را ارتقا داد. امروزه، اچ کردن خشک با استفاده از پلاسما به جریان اصلی تبدیل شده استفرآیند اچینگ. پلاسما از الکترون ها، کاتیون ها و رادیکال ها تشکیل شده است. انرژی اعمال شده به پلاسما باعث می شود که بیرونی ترین الکترون های گاز منبع در حالت خنثی از بین بروند و در نتیجه این الکترون ها به کاتیون تبدیل شوند.

علاوه بر این، اتم های ناقص در مولکول ها را می توان با اعمال انرژی برای تشکیل رادیکال های خنثی الکتریکی از بین برد. اچ خشک از کاتیون ها و رادیکال هایی استفاده می کند که پلاسما را تشکیل می دهند، جایی که کاتیون ها ناهمسانگرد هستند (مناسب برای حکاکی در یک جهت خاص) و رادیکال ها همسانگرد هستند (مناسب برای اچ در همه جهات). تعداد رادیکال ها به مراتب بیشتر از تعداد کاتیون هاست. در این حالت اچ خشک باید مانند اچ مرطوب همسانگرد باشد.

با این حال، این اچ ناهمسانگرد حکاکی خشک است که مدارهای فوق کوچک را ممکن می کند. دلیل این امر چیست؟ علاوه بر این، سرعت اچ کاتیون ها و رادیکال ها بسیار پایین است. پس چگونه می‌توانیم روش‌های اچ پلاسما را برای تولید انبوه در مواجهه با این کاستی اعمال کنیم؟

 

1. نسبت تصویر (A/R)

 

شکل 1. مفهوم نسبت ابعاد و تاثیر پیشرفت تکنولوژی بر آن

 

Aspect Ratio نسبت عرض افقی به ارتفاع عمودی است (یعنی تقسیم ارتفاع بر عرض). هرچه بعد بحرانی (CD) مدار کوچکتر باشد، مقدار نسبت ابعاد بزرگتر است. یعنی با فرض مقدار نسبت ابعاد 10 و عرض 10 نانومتر، ارتفاع سوراخ حفر شده در طول فرآیند اچ باید 100 نانومتر باشد. بنابراین، برای محصولات نسل بعدی که نیاز به کوچک‌سازی فوق‌العاده (2D) یا چگالی بالا (3D) دارند، مقادیر نسبت ابعاد بسیار بالایی لازم است تا اطمینان حاصل شود که کاتیون‌ها می‌توانند در حین اچ کردن به لایه پایین نفوذ کنند.

 

برای دستیابی به فناوری فوق کوچک سازی با ابعاد بحرانی کمتر از 10 نانومتر در محصولات دوبعدی، مقدار نسبت تصویر خازن حافظه با دسترسی تصادفی پویا (DRAM) باید بالای 100 حفظ شود. به طور مشابه، حافظه فلش NAND 3 بعدی نیز به مقادیر نسبت تصویر بالاتر نیاز دارد. برای چیدن 256 لایه یا بیشتر از لایه های انباشته سلولی. حتی اگر شرایط مورد نیاز برای سایر فرآیندها برآورده شود، محصولات مورد نیاز نمی توانند تولید شوندفرآیند اچینگدر حد استاندارد نیست به همین دلیل است که فناوری اچینگ اهمیت فزاینده ای پیدا می کند.

 

2. مروری بر اچ پلاسما

 

شکل 2. تعیین گاز منبع پلاسما بر اساس نوع فیلم

 

هنگامی که از یک لوله توخالی استفاده می شود، هر چه قطر لوله باریکتر باشد، ورود مایع آسانتر می شود که به اصطلاح پدیده مویرگی است. با این حال، اگر قرار باشد یک سوراخ (انتهای بسته) در ناحیه در معرض سوراخ ایجاد شود، ورود مایع بسیار دشوار می شود. بنابراین، از آنجایی که اندازه بحرانی مدار در اواسط دهه 1970 بین 3 تا 5 متر بود، خشکحکاکی کردنبه تدریج جایگزین حکاکی مرطوب به عنوان جریان اصلی شده است. یعنی اگرچه یونیزه است، اما نفوذ به سوراخ های عمیق آسان تر است زیرا حجم یک مولکول منفرد از حجم یک مولکول محلول پلیمری آلی کوچکتر است.

در حین اچ پلاسما، قبل از تزریق گاز منبع پلاسما مناسب برای لایه مربوطه، فضای داخلی محفظه پردازش مورد استفاده برای اچینگ باید در حالت خلاء تنظیم شود. هنگام اچ کردن فیلم‌های اکسید جامد، باید از گازهای منبع قوی‌تر مبتنی بر فلوراید کربن استفاده شود. برای فیلم های سیلیکونی یا فلزی نسبتاً ضعیف، باید از گازهای منبع پلاسما مبتنی بر کلر استفاده شود.

بنابراین، چگونه باید لایه دروازه و لایه عایق دی اکسید سیلیکون زیرین (SiO2) اچ شوند؟

ابتدا، برای لایه گیت، سیلیکون باید با استفاده از پلاسمای مبتنی بر کلر (سیلیکون + کلر) با انتخاب پذیری اچینگ پلی سیلیکون حذف شود. برای لایه عایق پایین، فیلم دی اکسید سیلیکون باید در دو مرحله با استفاده از گاز منبع پلاسما مبتنی بر فلوراید کربن (دی اکسید سیلیکون + تترا فلوراید کربن) با انتخاب پذیری و اثربخشی اچ قوی تر اچ شود.

 

3. فرآیند اچ یون واکنشی (RIE یا اچ فیزیکوشیمیایی).

 

شکل 3. مزایای اچینگ یونی راکتیو (ناهمسانگردی و سرعت اچ بالا)

 

پلاسما حاوی رادیکال های آزاد همسانگرد و کاتیون های ناهمسانگرد است، بنابراین چگونه اچ ناهمسانگرد را انجام می دهد؟

اچینگ خشک پلاسما عمدتاً توسط اچ یون واکنشی (RIE, Reactive Ion Etching) یا کاربردهای مبتنی بر این روش انجام می شود. هسته روش RIE تضعیف نیروی اتصال بین مولکول های هدف در فیلم با حمله به ناحیه اچ با کاتیون های ناهمسانگرد است. ناحیه ضعیف شده توسط رادیکال های آزاد جذب شده، با ذرات تشکیل دهنده لایه ترکیب شده، به گاز (یک ترکیب فرار) تبدیل شده و آزاد می شود.

اگرچه رادیکال‌های آزاد ویژگی‌های همسانگرد دارند، مولکول‌هایی که سطح زیرین را تشکیل می‌دهند (که نیروی اتصال آنها در اثر حمله کاتیون‌ها ضعیف می‌شود) راحت‌تر توسط رادیکال‌های آزاد گرفته شده و به ترکیبات جدید تبدیل می‌شوند تا دیواره‌های جانبی با نیروی اتصال قوی. بنابراین، اچ کردن رو به پایین به جریان اصلی تبدیل می شود. ذرات جذب شده با رادیکال های آزاد به گاز تبدیل می شوند که تحت اثر خلاء جذب شده و از سطح آزاد می شوند.

 

در این زمان کاتیون های حاصل از عمل فیزیکی و رادیکال های آزاد حاصل از عمل شیمیایی برای اچ فیزیکی و شیمیایی با هم ترکیب می شوند و سرعت اچینگ (Etch Rate، درجه اچینگ در یک دوره زمانی معین) 10 برابر افزایش می یابد. در مقایسه با مورد اچ کاتیونی یا اچ رادیکال آزاد به تنهایی. این روش نه تنها می تواند نرخ اچینگ اچینگ ناهمسانگرد رو به پایین را افزایش دهد، بلکه مشکل باقیمانده پلیمری پس از اچ را نیز حل می کند. این روش را حکاکی یونی واکنشی (RIE) می نامند. کلید موفقیت اچینگ RIE یافتن یک گاز منبع پلاسما مناسب برای اچ کردن فیلم است. توجه: اچ پلاسما اچ RIE است و این دو را می توان به عنوان یک مفهوم در نظر گرفت.

 

4. Etch Rate و Core Performance Index

 

شکل 4. شاخص عملکرد هسته اچ مربوط به نرخ اچ

 

نرخ اچ به عمق فیلمی اشاره دارد که انتظار می رود در یک دقیقه به آن برسد. بنابراین به چه معناست که نرخ اچ از قسمتی به قسمت دیگر در یک ویفر متفاوت است؟

این بدان معنی است که عمق اچ از قسمتی به قسمت دیگر روی ویفر متفاوت است. به همین دلیل، تعیین نقطه پایانی (EOP) که در آن اچ باید متوقف شود، با در نظر گرفتن میانگین نرخ اچ و عمق اچ بسیار مهم است. حتی اگر EOP تنظیم شده باشد، هنوز مناطقی وجود دارد که عمق اچ عمیق‌تر (بیش از حد اچ) یا کم‌تر (کم‌تر اچ) از آنچه در ابتدا برنامه‌ریزی شده بود است. با این حال، اچ کم باعث آسیب بیشتر نسبت به اچ بیش از حد در حین اچ می شود. زیرا در مورد کم اچینگ، قسمت کم اچ شده مانع از فرآیندهای بعدی مانند کاشت یون می شود.

در همین حال، گزینش پذیری (اندازه گیری شده با نرخ اچ) یک شاخص عملکرد کلیدی فرآیند اچ است. استاندارد اندازه گیری بر اساس مقایسه میزان اچ لایه ماسک (فیلم مقاوم به نور، فیلم اکسید، فیلم نیترید سیلیکون و غیره) و لایه هدف است. این بدان معناست که هرچه گزینش پذیری بالاتر باشد، لایه هدف سریعتر اچ می شود. هر چه سطح کوچک سازی بالاتر باشد، برای اطمینان از اینکه الگوهای ظریف می توانند به طور کامل ارائه شوند، نیاز انتخابی بالاتر است. از آنجایی که جهت اچ مستقیم است، گزینش پذیری اچ کاتیونی کم است، در حالی که گزینش پذیری اچ رادیکال بالا است، که انتخاب پذیری RIE را بهبود می بخشد.

 

5. فرآیند اچینگ

 

شکل 5. فرآیند اچینگ

 

ابتدا ویفر را در یک کوره اکسیداسیون با دمای بین 800 تا 1000 درجه سانتیگراد قرار می دهند و سپس یک لایه سیلیسیم دی اکسید (SiO2) با خاصیت عایق کاری بالا به روش خشک روی سطح ویفر تشکیل می شود. در مرحله بعد، فرآیند رسوب گذاری وارد می شود تا یک لایه سیلیکونی یا یک لایه رسانا بر روی فیلم اکسیدی با رسوب شیمیایی بخار (CVD) / رسوب بخار فیزیکی (PVD) تشکیل شود. اگر یک لایه سیلیکونی تشکیل شود، می توان فرآیند انتشار ناخالصی را برای افزایش رسانایی در صورت لزوم انجام داد. در طول فرآیند انتشار ناخالصی، ناخالصی های متعدد اغلب به طور مکرر اضافه می شوند.

در این زمان، لایه عایق و لایه پلی سیلیکون باید برای اچ با هم ترکیب شوند. ابتدا از یک فتوریست استفاده می شود. پس از آن، یک ماسک بر روی فیلم فوتورزیست قرار داده می شود و نوردهی مرطوب با غوطه وری انجام می شود تا الگوی مورد نظر (غیر قابل مشاهده با چشم غیر مسلح) بر روی فیلم مقاوم به نور باشد. هنگامی که طرح کلی الگو با توسعه آشکار می شود، مقاومت نوری در ناحیه حساس به نور حذف می شود. سپس، ویفر پردازش شده توسط فرآیند فوتولیتوگرافی به فرآیند اچ برای اچینگ خشک منتقل می شود.

اچینگ خشک عمدتاً توسط اچینگ یونی راکتیو (RIE) انجام می شود که در آن اچ عمدتاً با جایگزینی گاز منبع مناسب برای هر فیلم تکرار می شود. هدف هر دو اچ خشک و اچ مرطوب افزایش نسبت تصویر (مقدار A/R) اچ است. علاوه بر این، تمیز کردن منظم برای حذف پلیمر انباشته شده در پایین سوراخ (شکاف ایجاد شده توسط اچ) مورد نیاز است. نکته مهم این است که همه متغیرها (مانند مواد، گاز منبع، زمان، شکل و ترتیب) باید به صورت ارگانیک تنظیم شوند تا اطمینان حاصل شود که محلول تمیز کننده یا گاز منبع پلاسما می تواند به پایین ترانشه جریان یابد. تغییر جزئی در یک متغیر مستلزم محاسبه مجدد متغیرهای دیگر است و این فرآیند محاسبه مجدد تا رسیدن به هدف هر مرحله تکرار می شود. اخیراً لایه‌های تک اتمی مانند لایه‌های رسوب لایه اتمی (ALD) نازک‌تر و سخت‌تر شده‌اند. بنابراین تکنولوژی اچینگ به سمت استفاده از دما و فشار پایین حرکت می کند. هدف فرآیند اچ، کنترل بعد بحرانی (CD) برای تولید الگوهای ظریف و اطمینان از جلوگیری از مشکلات ناشی از فرآیند اچ است، به خصوص کم کاری و مشکلات مربوط به حذف باقیمانده. هدف دو مقاله فوق در مورد اچینگ این است که درکی از هدف فرآیند اچینگ، موانع دستیابی به اهداف فوق و شاخص های عملکردی که برای غلبه بر چنین موانعی به کار می روند، به خوانندگان ارائه دهد.