Les premières gravures humides ont favorisé le développement de procédés de nettoyage ou de incinération. Aujourd’hui, la gravure sèche à l’aide du plasma est devenue la normeprocessus de gravure. Le plasma est constitué d'électrons, de cations et de radicaux. L'énergie appliquée au plasma provoque l'élimination des électrons les plus externes du gaz source à l'état neutre, convertissant ainsi ces électrons en cations.
De plus, les atomes imparfaits des molécules peuvent être éliminés en appliquant de l’énergie pour former des radicaux électriquement neutres. La gravure sèche utilise des cations et des radicaux qui composent le plasma, où les cations sont anisotropes (adaptés à la gravure dans une certaine direction) et les radicaux sont isotropes (adaptés à la gravure dans toutes les directions). Le nombre de radicaux est bien supérieur au nombre de cations. Dans ce cas, la gravure sèche doit être isotrope comme la gravure humide.
Cependant, c'est la gravure anisotrope de la gravure sèche qui permet des circuits ultra-miniaturisés. Quelle en est la raison ? De plus, la vitesse de gravure des cations et des radicaux est très lente. Alors, comment pouvons-nous appliquer les méthodes de gravure au plasma à la production de masse face à cette lacune ?
1. Rapport hauteur/largeur (A/R)
Figure 1. La notion de rapport d'aspect et l'impact du progrès technologique sur celui-ci
Le rapport hauteur/largeur est le rapport entre la largeur horizontale et la hauteur verticale (c'est-à-dire la hauteur divisée par la largeur). Plus la dimension critique (CD) du circuit est petite, plus la valeur du rapport hauteur/largeur est grande. Autrement dit, en supposant une valeur de rapport d'aspect de 10 et une largeur de 10 nm, la hauteur du trou percé pendant le processus de gravure doit être de 100 nm. Par conséquent, pour les produits de nouvelle génération nécessitant une ultra-miniaturisation (2D) ou une haute densité (3D), des valeurs de rapport d'aspect extrêmement élevées sont nécessaires pour garantir que les cations puissent pénétrer dans le film inférieur pendant la gravure.
Pour obtenir une technologie d'ultra-miniaturisation avec une dimension critique inférieure à 10 nm dans les produits 2D, la valeur du rapport d'aspect du condensateur de la mémoire vive dynamique (DRAM) doit être maintenue au-dessus de 100. De même, la mémoire flash NAND 3D nécessite également des valeurs de rapport d'aspect plus élevées. pour empiler 256 couches ou plus de couches d'empilement de cellules. Même si les conditions requises pour d'autres processus sont remplies, les produits requis ne peuvent pas être fabriqués si leprocessus de gravuren'est pas aux normes. C'est pourquoi la technologie de gravure devient de plus en plus importante.
2. Aperçu de la gravure plasma
Figure 2. Détermination du gaz source de plasma en fonction du type de film
Lorsqu'un tuyau creux est utilisé, plus le diamètre du tuyau est étroit, plus il est facile pour le liquide de pénétrer, ce qu'on appelle le phénomène capillaire. Cependant, si un trou (extrémité fermée) doit être percé dans la zone exposée, l'entrée du liquide devient assez difficile. Par conséquent, puisque la taille critique du circuit était de 3 um à 5 um au milieu des années 1970,gravurea progressivement remplacé la gravure humide comme courant dominant. Autrement dit, bien qu’ionisé, il est plus facile de pénétrer dans des trous profonds car le volume d’une molécule unique est plus petit que celui d’une molécule de solution de polymère organique.
Pendant la gravure au plasma, l'intérieur de la chambre de traitement utilisée pour la gravure doit être mis sous vide avant d'injecter le gaz source de plasma adapté à la couche concernée. Lors de la gravure de films d’oxyde solide, des gaz sources plus puissants à base de fluorure de carbone doivent être utilisés. Pour les films de silicium ou de métal relativement faibles, des gaz sources de plasma à base de chlore doivent être utilisés.
Alors, comment la couche de grille et la couche isolante sous-jacente en dioxyde de silicium (SiO2) doivent-elles être gravées ?
Tout d'abord, pour la couche de grille, le silicium doit être éliminé à l'aide d'un plasma à base de chlore (silicium + chlore) avec une sélectivité de gravure du polysilicium. Pour la couche isolante inférieure, le film de dioxyde de silicium doit être gravé en deux étapes à l'aide d'un gaz source plasma à base de fluorure de carbone (dioxyde de silicium + tétrafluorure de carbone) avec une sélectivité et une efficacité de gravure plus élevées.
3. Procédé de gravure ionique réactive (RIE ou gravure physico-chimique)
Figure 3. Avantages de la gravure ionique réactive (anisotropie et vitesse de gravure élevée)
Le plasma contient à la fois des radicaux libres isotropes et des cations anisotropes, alors comment effectue-t-il une gravure anisotrope ?
La gravure sèche au plasma est principalement réalisée par gravure ionique réactive (RIE, Reactive Ion Etching) ou par des applications basées sur cette méthode. Le cœur de la méthode RIE consiste à affaiblir la force de liaison entre les molécules cibles dans le film en attaquant la zone de gravure avec des cations anisotropes. La zone fragilisée est absorbée par les radicaux libres, combinés aux particules qui composent la couche, convertis en gaz (un composé volatil) et libérés.
Bien que les radicaux libres aient des caractéristiques isotropes, les molécules qui constituent la surface inférieure (dont la force de liaison est affaiblie par l'attaque des cations) sont plus facilement capturées par les radicaux libres et converties en de nouveaux composés que les parois latérales ayant une forte force de liaison. Par conséquent, la gravure vers le bas devient la norme. Les particules capturées se transforment en gaz contenant des radicaux libres, qui sont désorbés et libérés de la surface sous l'action du vide.
À ce stade, les cations obtenus par action physique et les radicaux libres obtenus par action chimique sont combinés pour une gravure physique et chimique, et le taux de gravure (Etch Rate, le degré de gravure dans une certaine période de temps) est augmenté de 10 fois. par rapport au cas de la gravure cationique ou de la gravure radicalaire seule. Cette méthode peut non seulement augmenter le taux de gravure de la gravure anisotrope vers le bas, mais également résoudre le problème des résidus de polymère après la gravure. Cette méthode est appelée gravure ionique réactive (RIE). La clé du succès de la gravure RIE est de trouver une source de plasma gazeuse adaptée à la gravure du film. Remarque : La gravure au plasma est une gravure RIE, et les deux peuvent être considérées comme le même concept.
4. Taux de gravure et indice de performance de base
Figure 4. Indice de performance de gravure de base lié au taux de gravure
Le taux de gravure fait référence à la profondeur du film qui devrait être atteinte en une minute. Alors, qu'est-ce que cela signifie que le taux de gravure varie d'une pièce à l'autre sur une seule tranche ?
Cela signifie que la profondeur de gravure varie d'une partie à l'autre sur la tranche. Pour cette raison, il est très important de définir le point final (EOP) auquel la gravure doit s'arrêter en tenant compte de la vitesse de gravure moyenne et de la profondeur de gravure. Même si l'EOP est défini, il existe encore certaines zones dans lesquelles la profondeur de gravure est plus profonde (sur-gravée) ou moins profonde (sous-gravée) que celle initialement prévue. Cependant, une sous-gravure provoque plus de dégâts qu'une sur-gravure lors de la gravure. Car dans le cas d’une sous-gravure, la partie sous-gravée gênera les processus ultérieurs tels que l’implantation ionique.
Parallèlement, la sélectivité (mesurée par le taux de gravure) est un indicateur clé de performance du processus de gravure. La norme de mesure est basée sur la comparaison du taux de gravure de la couche de masque (film photorésistant, film d'oxyde, film de nitrure de silicium, etc.) et de la couche cible. Cela signifie que plus la sélectivité est élevée, plus la couche cible est gravée rapidement. Plus le niveau de miniaturisation est élevé, plus l’exigence de sélectivité est élevée pour garantir une présentation parfaite des motifs fins. Puisque la direction de gravure est droite, la sélectivité de la gravure cationique est faible, tandis que la sélectivité de la gravure radicalaire est élevée, ce qui améliore la sélectivité du RIE.
5. Processus de gravure
Figure 5. Processus de gravure
Tout d'abord, la tranche est placée dans un four d'oxydation avec une température maintenue entre 800 et 1 000 ℃, puis un film de dioxyde de silicium (SiO2) aux propriétés isolantes élevées est formé sur la surface de la tranche par voie sèche. Ensuite, le processus de dépôt est lancé pour former une couche de silicium ou une couche conductrice sur le film d'oxyde par dépôt chimique en phase vapeur (CVD)/dépôt physique en phase vapeur (PVD). Si une couche de silicium est formée, un processus de diffusion d'impuretés peut être effectué pour augmenter la conductivité si nécessaire. Au cours du processus de diffusion des impuretés, plusieurs impuretés sont souvent ajoutées à plusieurs reprises.
A ce stade, la couche isolante et la couche de polysilicium doivent être combinées pour la gravure. Tout d’abord, une résine photosensible est utilisée. Par la suite, un masque est placé sur le film photorésistant et une exposition humide est réalisée par immersion pour imprimer le motif souhaité (invisible à l'œil nu) sur le film photorésistant. Lorsque le contour du motif est révélé par le développement, la résine photosensible présente dans la zone photosensible est retirée. Ensuite, la tranche traitée par le processus de photolithographie est transférée au processus de gravure pour une gravure sèche.
La gravure sèche est principalement réalisée par gravure ionique réactive (RIE), dans laquelle la gravure est répétée principalement en remplaçant le gaz source approprié pour chaque film. La gravure sèche et la gravure humide visent toutes deux à augmenter le rapport hauteur/largeur (valeur A/R) de la gravure. De plus, un nettoyage régulier est nécessaire pour éliminer le polymère accumulé au fond du trou (l'espace formé par la gravure). Le point important est que toutes les variables (telles que les matériaux, la source de gaz, le temps, la forme et la séquence) doivent être ajustées de manière organique pour garantir que la solution de nettoyage ou la source de plasma puisse s'écouler jusqu'au fond de la tranchée. Un léger changement dans une variable nécessite le recalcul d'autres variables, et ce processus de recalcul est répété jusqu'à ce qu'il réponde à l'objectif de chaque étape. Récemment, les couches monoatomiques telles que les couches de dépôt de couches atomiques (ALD) sont devenues plus fines et plus dures. Par conséquent, la technologie de gravure évolue vers l’utilisation de basses températures et pressions. Le processus de gravure vise à contrôler la dimension critique (CD) pour produire des motifs fins et garantir que les problèmes causés par le processus de gravure sont évités, notamment la sous-gravure et les problèmes liés à l'élimination des résidus. Les deux articles ci-dessus sur la gravure visent à fournir aux lecteurs une compréhension de l'objectif du processus de gravure, des obstacles à la réalisation des objectifs ci-dessus et des indicateurs de performance utilisés pour surmonter ces obstacles.
Heure de publication : 10 septembre 2024