સેમિકન્ડક્ટર પેટર્નિંગ પ્રક્રિયા ફ્લો-એચિંગ

પ્રારંભિક ભીનું કોતરકામ સફાઈ અથવા એશિંગ પ્રક્રિયાઓના વિકાસને પ્રોત્સાહન આપે છે. આજે, પ્લાઝ્માનો ઉપયોગ કરીને ડ્રાય ઇચિંગ મુખ્ય પ્રવાહ બની ગયું છેએચીંગ પ્રક્રિયા. પ્લાઝમામાં ઇલેક્ટ્રોન, કેશન અને રેડિકલનો સમાવેશ થાય છે. પ્લાઝમા પર લાગુ ઊર્જા તટસ્થ સ્થિતિમાં સ્ત્રોત ગેસના સૌથી બહારના ઇલેક્ટ્રોનને છીનવી લેવાનું કારણ બને છે, જેનાથી આ ઇલેક્ટ્રોનને કેશનમાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે.

વધુમાં, વિદ્યુત તટસ્થ રેડિકલ બનાવવા માટે ઊર્જાનો ઉપયોગ કરીને અણુઓમાં અપૂર્ણ અણુઓને છીનવી શકાય છે. ડ્રાય ઇચિંગ કેશન અને રેડિકલનો ઉપયોગ કરે છે જે પ્લાઝ્મા બનાવે છે, જ્યાં કેશન્સ એનિસોટ્રોપિક હોય છે (ચોક્કસ દિશામાં એચિંગ માટે યોગ્ય) અને રેડિકલ આઇસોટ્રોપિક (બધી દિશામાં એચિંગ માટે યોગ્ય) હોય છે. રેડિકલની સંખ્યા કેશનની સંખ્યા કરતા ઘણી વધારે છે. આ કિસ્સામાં, ડ્રાય ઇચિંગ ભીના કોતરણીની જેમ આઇસોટ્રોપિક હોવું જોઈએ.

જો કે, તે ડ્રાય ઈચિંગનું એનિસોટ્રોપિક ઈચિંગ છે જે અલ્ટ્રા-મિનિએચરાઈઝ્ડ સર્કિટને શક્ય બનાવે છે. આનું કારણ શું છે? વધુમાં, કેશન અને રેડિકલની એચીંગની ઝડપ ખૂબ જ ધીમી છે. તો આ ખામીને ધ્યાનમાં રાખીને આપણે મોટા પાયે ઉત્પાદન માટે પ્લાઝ્મા એચિંગ પદ્ધતિઓ કેવી રીતે લાગુ કરી શકીએ?

 

1. પાસા રેશિયો (A/R)

 

આકૃતિ 1. પાસા ગુણોત્તરની વિભાવના અને તેના પર તકનીકી પ્રગતિની અસર

 

આસ્પેક્ટ રેશિયો એ આડી પહોળાઈ અને ઊભી ઊંચાઈનો ગુણોત્તર છે (એટલે ​​​​કે, પહોળાઈ દ્વારા વિભાજિત ઊંચાઈ). સર્કિટનું નિર્ણાયક પરિમાણ (CD) જેટલું નાનું, એસ્પેક્ટ રેશિયો મૂલ્ય જેટલું મોટું. એટલે કે, 10 નું આસ્પેક્ટ રેશિયો મૂલ્ય અને 10nm પહોળાઈ ધારીને, એચિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન ડ્રિલ કરેલા છિદ્રની ઊંચાઈ 100nm હોવી જોઈએ. તેથી, નેક્સ્ટ જનરેશન પ્રોડક્ટ્સ માટે કે જેને અલ્ટ્રા-મિનિએચરાઇઝેશન (2D) અથવા ઉચ્ચ ઘનતા (3D) ની જરૂર હોય છે, અત્યંત ઉચ્ચ પાસા ગુણોત્તર મૂલ્યો એ સુનિશ્ચિત કરવા માટે જરૂરી છે કે એચીંગ દરમિયાન કેશન નીચેની ફિલ્મમાં પ્રવેશ કરી શકે છે.

 

2D ઉત્પાદનોમાં 10nm કરતા ઓછા નિર્ણાયક પરિમાણ સાથે અલ્ટ્રા-મિનિએચરાઇઝેશન ટેક્નોલોજી હાંસલ કરવા માટે, ડાયનેમિક રેન્ડમ એક્સેસ મેમરી (DRAM) નું કેપેસિટર એસ્પેક્ટ રેશિયો વેલ્યુ 100 થી ઉપર જાળવવી જોઈએ. તેવી જ રીતે, 3D NAND ફ્લેશ મેમરીને પણ ઉચ્ચ પાસા રેશિયો મૂલ્યોની જરૂર છે. 256 સ્તરો અથવા વધુ સેલ સ્ટેકીંગ સ્તરો સ્ટેક કરવા માટે. જો અન્ય પ્રક્રિયાઓ માટે જરૂરી શરતો પૂરી થાય તો પણ જરૂરી ઉત્પાદનોનું ઉત્પાદન કરી શકાતું નથી જોએચીંગ પ્રક્રિયાધોરણ સુધી નથી. આ જ કારણે એચીંગ ટેકનોલોજી વધુને વધુ મહત્વપૂર્ણ બની રહી છે.

 

2. પ્લાઝ્મા એચિંગની ઝાંખી

 

આકૃતિ 2. ફિલ્મના પ્રકાર અનુસાર પ્લાઝ્મા સ્ત્રોત ગેસનું નિર્ધારણ

 

જ્યારે હોલો પાઇપનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, ત્યારે પાઈપનો વ્યાસ જેટલો સાંકડો હોય છે, તેટલું પ્રવાહી પ્રવેશવાનું સરળ બને છે, જે કહેવાતી કેશિલરી ઘટના છે. જો કે, જો ખુલ્લી જગ્યામાં છિદ્ર (બંધ છેડો) ડ્રિલ કરવાનો હોય, તો પ્રવાહીનું ઇનપુટ તદ્દન મુશ્કેલ બની જાય છે. તેથી, 1970 ના દાયકાના મધ્યમાં સર્કિટનું નિર્ણાયક કદ 3um થી 5um જેટલું હોવાથી, શુષ્કકોતરણીધીમે ધીમે મુખ્ય પ્રવાહ તરીકે ભીનું કોતરકામ બદલાઈ ગયું છે. એટલે કે, આયોનાઇઝ્ડ હોવા છતાં, ઊંડા છિદ્રોમાં પ્રવેશવું સરળ છે કારણ કે એક પરમાણુનું પ્રમાણ કાર્બનિક પોલિમર સોલ્યુશનના પરમાણુ કરતા નાનું હોય છે.

પ્લાઝ્મા ઈચિંગ દરમિયાન, એચિંગ માટે ઉપયોગમાં લેવાતા પ્રોસેસિંગ ચેમ્બરના આંતરિક ભાગને સંબંધિત સ્તર માટે યોગ્ય પ્લાઝ્મા સ્ત્રોત ગેસનું ઇન્જેક્શન આપતા પહેલા વેક્યૂમ સ્થિતિમાં ગોઠવવું જોઈએ. સોલિડ ઓક્સાઇડ ફિલ્મોને એચીંગ કરતી વખતે, મજબૂત કાર્બન ફલોરાઇડ આધારિત સ્ત્રોત વાયુઓનો ઉપયોગ કરવો જોઈએ. પ્રમાણમાં નબળી સિલિકોન અથવા મેટલ ફિલ્મો માટે, ક્લોરિન આધારિત પ્લાઝ્મા સ્ત્રોત વાયુઓનો ઉપયોગ કરવો જોઈએ.

તો, ગેટ લેયર અને અંતર્ગત સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (SiO2) ઇન્સ્યુલેટીંગ લેયરને કેવી રીતે કોતરવામાં આવવું જોઈએ?

સૌપ્રથમ, ગેટ લેયર માટે, પોલિસિલિકોન એચીંગ સિલેક્ટિવિટી સાથે ક્લોરિન આધારિત પ્લાઝ્મા (સિલિકોન + ક્લોરિન) નો ઉપયોગ કરીને સિલિકોન દૂર કરવું જોઈએ. નીચેના ઇન્સ્યુલેટીંગ લેયર માટે, સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ ફિલ્મને કાર્બન ફ્લોરાઇડ આધારિત પ્લાઝ્મા સ્ત્રોત ગેસ (સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ + કાર્બન ટેટ્રાફ્લોરાઇડ) નો ઉપયોગ કરીને બે પગલામાં કોતરણી કરવી જોઈએ.

 

3. પ્રતિક્રિયાશીલ આયન એચીંગ (RIE અથવા ફિઝીકોકેમિકલ એચીંગ) પ્રક્રિયા

 

આકૃતિ 3. પ્રતિક્રિયાશીલ આયન એચીંગના ફાયદા (એનિસોટ્રોપી અને ઉચ્ચ એચીંગ રેટ)

 

પ્લાઝમામાં આઇસોટ્રોપિક ફ્રી રેડિકલ અને એનિસોટ્રોપિક કેશન બંને હોય છે, તો તે એનિસોટ્રોપિક એચીંગ કેવી રીતે કરે છે?

પ્લાઝ્મા ડ્રાય ઈચિંગ મુખ્યત્વે રિએક્ટિવ આયન ઈચિંગ (RIE, રિએક્ટિવ આયન ઈચિંગ) અથવા આ પદ્ધતિ પર આધારિત એપ્લિકેશન દ્વારા કરવામાં આવે છે. RIE પદ્ધતિનો મુખ્ય ભાગ એનિસોટ્રોપિક કેશન્સ વડે એચીંગ એરિયા પર હુમલો કરીને ફિલ્મમાં લક્ષ્ય અણુઓ વચ્ચેના બંધનકર્તા બળને નબળો પાડવાનો છે. નબળા વિસ્તાર મુક્ત રેડિકલ દ્વારા શોષાય છે, જે સ્તર બનાવે છે તે કણો સાથે જોડાય છે, ગેસ (એક અસ્થિર સંયોજન) માં રૂપાંતરિત થાય છે અને મુક્ત થાય છે.

જોકે મુક્ત રેડિકલમાં આઇસોટ્રોપિક લાક્ષણિકતાઓ હોય છે, પરમાણુઓ કે જે નીચેની સપાટી બનાવે છે (જેનું બંધનકર્તા બળ કેશનના હુમલાથી નબળું પડે છે) મુક્ત રેડિકલ દ્વારા વધુ સરળતાથી પકડવામાં આવે છે અને મજબૂત બંધનકર્તા બળ સાથે બાજુની દિવાલો કરતાં નવા સંયોજનોમાં રૂપાંતરિત થાય છે. તેથી, ડાઉનવર્ડ ઈચિંગ મુખ્ય પ્રવાહ બની જાય છે. પકડાયેલા કણો મુક્ત રેડિકલ સાથે ગેસ બની જાય છે, જે વેક્યૂમની ક્રિયા હેઠળ સપાટી પરથી શોષાય છે અને મુક્ત થાય છે.

 

આ સમયે, ભૌતિક ક્રિયા દ્વારા મેળવેલા કેશન અને રાસાયણિક ક્રિયા દ્વારા મેળવેલા મુક્ત રેડિકલને ભૌતિક અને રાસાયણિક એચિંગ માટે જોડવામાં આવે છે, અને એચીંગ રેટ (એચ રેટ, ચોક્કસ સમયગાળામાં એચીંગની ડિગ્રી) 10 ગણો વધે છે. એકલા કેશનિક એચીંગ અથવા ફ્રી રેડિકલ એચીંગના કિસ્સામાં સરખામણી કરો. આ પદ્ધતિ માત્ર એનિસોટ્રોપિક ડાઉનવર્ડ એચીંગના એચીંગ રેટને વધારી શકતી નથી, પરંતુ એચીંગ પછી પોલિમર અવશેષોની સમસ્યાને પણ હલ કરી શકે છે. આ પદ્ધતિને રિએક્ટિવ આયન એચિંગ (RIE) કહેવામાં આવે છે. RIE એચીંગની સફળતાની ચાવી એ છે કે ફિલ્મને એચીંગ કરવા માટે યોગ્ય પ્લાઝ્મા સ્ત્રોત ગેસ શોધવો. નોંધ: પ્લાઝ્મા એચિંગ એ RIE એચિંગ છે, અને બંનેને સમાન ખ્યાલ તરીકે ગણી શકાય.

 

4. ઇચ રેટ અને કોર પરફોર્મન્સ ઇન્ડેક્સ

 

આકૃતિ 4. ઇચ રેટથી સંબંધિત કોર ઇચ પર્ફોર્મન્સ ઇન્ડેક્સ

 

ઇચ રેટ ફિલ્મની ઊંડાઈનો સંદર્ભ આપે છે જે એક મિનિટમાં પહોંચવાની અપેક્ષા છે. તો એનો અર્થ શું થાય છે કે એક વેફર પર ઇચનો દર ભાગથી અલગ અલગ હોય છે?

આનો અર્થ એ છે કે વેફર પર કોતરણીની ઊંડાઈ એક ભાગથી બીજા ભાગમાં બદલાય છે. આ કારણોસર, એવરેજ એચ રેટ અને એચ ડેપ્થને ધ્યાનમાં લઈને એન્ડ પોઈન્ટ (EOP) સેટ કરવું ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે જ્યાં એચિંગ બંધ થવું જોઈએ. જો EOP સેટ કરેલ હોય તો પણ, હજુ પણ કેટલાક વિસ્તારો એવા છે કે જ્યાં કોતરણીની ઊંડાઈ મૂળ આયોજન કરતાં વધુ ઊંડી (ઓવર-એચ્ડ) અથવા છીછરી (અંડર-એચ્ડ) છે. જો કે, એચીંગ દરમિયાન ઓવર-એચિંગ કરતાં અન્ડર-એચિંગ વધુ નુકસાન પહોંચાડે છે. કારણ કે અંડર-એચિંગના કિસ્સામાં, અંડર-એચ્ડ ભાગ આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન જેવી અનુગામી પ્રક્રિયાઓને અવરોધે છે.

દરમિયાન, સિલેક્ટિવિટી (એચ રેટ દ્વારા માપવામાં આવે છે) એ એચિંગ પ્રક્રિયાનું મુખ્ય પ્રદર્શન સૂચક છે. માપન ધોરણ માસ્ક લેયર (ફોટોરેસિસ્ટ ફિલ્મ, ઓક્સાઇડ ફિલ્મ, સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ ફિલ્મ, વગેરે) અને લક્ષ્ય સ્તરના ઇચ રેટની સરખામણી પર આધારિત છે. આનો અર્થ એ છે કે પસંદગીની ક્ષમતા જેટલી વધારે છે, તેટલી ઝડપથી લક્ષ્ય સ્તરને કોતરવામાં આવે છે. લઘુચિત્રીકરણનું સ્તર જેટલું ઊંચું હશે, તેટલી ઊંચી પસંદગીની આવશ્યકતા એ સુનિશ્ચિત કરવા માટે છે કે સુંદર પેટર્ન સંપૂર્ણ રીતે રજૂ કરી શકાય. એચીંગની દિશા સીધી હોવાથી, કેશનીક એચીંગની પસંદગી ઓછી હોય છે, જ્યારે રેડિકલ એચીંગની પસંદગી વધુ હોય છે, જે RIE ની પસંદગીમાં સુધારો કરે છે.

 

5. ઇચિંગ પ્રક્રિયા

 

આકૃતિ 5. ઇચિંગ પ્રક્રિયા

 

પ્રથમ, વેફરને 800 અને 1000 ℃ ની વચ્ચે જાળવવામાં આવતા તાપમાન સાથે ઓક્સિડેશન ભઠ્ઠીમાં મૂકવામાં આવે છે, અને પછી સૂકી પદ્ધતિ દ્વારા વેફરની સપાટી પર ઉચ્ચ ઇન્સ્યુલેશન ગુણધર્મો સાથે સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (SiO2) ફિલ્મ બનાવવામાં આવે છે. આગળ, રાસાયણિક વરાળ ડિપોઝિશન (CVD)/ફિઝિકલ વેપર ડિપોઝિશન (PVD) દ્વારા ઓક્સાઇડ ફિલ્મ પર સિલિકોન સ્તર અથવા વાહક સ્તર બનાવવા માટે ડિપોઝિશન પ્રક્રિયા દાખલ કરવામાં આવે છે. જો સિલિકોન સ્તર રચાય છે, જો જરૂરી હોય તો વાહકતા વધારવા માટે અશુદ્ધતા પ્રસરણ પ્રક્રિયા કરી શકાય છે. અશુદ્ધતા પ્રસરણ પ્રક્રિયા દરમિયાન, ઘણી અશુદ્ધિઓ વારંવાર ઉમેરવામાં આવે છે.

આ સમયે, ઇન્સ્યુલેટીંગ લેયર અને પોલિસીલીકોન લેયરને એચીંગ માટે જોડવા જોઈએ. પ્રથમ, ફોટોરેસિસ્ટનો ઉપયોગ થાય છે. ત્યારબાદ, ફોટોરેસિસ્ટ ફિલ્મ પર માસ્ક મૂકવામાં આવે છે અને ફોટોરેસિસ્ટ ફિલ્મ પર ઇચ્છિત પેટર્ન (નરી આંખે અદ્રશ્ય) છાપવા માટે નિમજ્જન દ્વારા ભીનું એક્સપોઝર કરવામાં આવે છે. જ્યારે પેટર્નની રૂપરેખા વિકાસ દ્વારા જાહેર કરવામાં આવે છે, ત્યારે ફોટોસેન્સિટિવ વિસ્તારમાં ફોટોરેસિસ્ટ દૂર કરવામાં આવે છે. પછી, ફોટોલિથોગ્રાફી પ્રક્રિયા દ્વારા પ્રક્રિયા કરાયેલ વેફરને ડ્રાય ઇચિંગ માટે એચિંગ પ્રક્રિયામાં ટ્રાન્સફર કરવામાં આવે છે.

ડ્રાય ઈચિંગ મુખ્યત્વે રિએક્ટિવ આયન ઈચિંગ (RIE) દ્વારા કરવામાં આવે છે, જેમાં દરેક ફિલ્મ માટે યોગ્ય સ્ત્રોત ગેસને બદલીને એચિંગનું પુનરાવર્તન કરવામાં આવે છે. ડ્રાય ઈચિંગ અને વેટ ઈચિંગ બંનેનો હેતુ એચિંગના એસ્પેક્ટ રેશિયો (A/R મૂલ્ય) વધારવાનો છે. વધુમાં, છિદ્રના તળિયે સંચિત પોલિમરને દૂર કરવા માટે નિયમિત સફાઈ જરૂરી છે (એચિંગ દ્વારા રચાયેલ ગેપ). મહત્વનો મુદ્દો એ છે કે સફાઈ સોલ્યુશન અથવા પ્લાઝ્મા સ્ત્રોત ગેસ ખાઈના તળિયે વહી શકે તેની ખાતરી કરવા માટે તમામ ચલો (જેમ કે સામગ્રી, સ્ત્રોત ગેસ, સમય, સ્વરૂપ અને ક્રમ) ઓર્ગેનિક રીતે ગોઠવવા જોઈએ. ચલમાં થોડો ફેરફાર કરવા માટે અન્ય ચલોની પુનઃગણતરી જરૂરી છે, અને આ પુનઃગણતરી પ્રક્રિયા જ્યાં સુધી તે દરેક તબક્કાના હેતુને પૂર્ણ ન કરે ત્યાં સુધી પુનરાવર્તિત થાય છે. તાજેતરમાં, એક પરમાણુ સ્તરો જેમ કે એટોમિક લેયર ડિપોઝિશન (ALD) સ્તરો પાતળા અને સખત બન્યા છે. તેથી, એચીંગ ટેકનોલોજી નીચા તાપમાન અને દબાણના ઉપયોગ તરફ આગળ વધી રહી છે. એચિંગ પ્રક્રિયાનો ઉદ્દેશ ઝીણવટભરી પેટર્ન બનાવવા માટે નિર્ણાયક પરિમાણ (સીડી) ને નિયંત્રિત કરવાનો છે અને એ સુનિશ્ચિત કરવાનો છે કે એચિંગ પ્રક્રિયાને કારણે થતી સમસ્યાઓ ટાળવામાં આવે છે, ખાસ કરીને અંડર-એચિંગ અને અવશેષો દૂર કરવા સંબંધિત સમસ્યાઓ. એચિંગ પરના ઉપરોક્ત બે લેખોનો ઉદ્દેશ વાચકોને એચિંગ પ્રક્રિયાના હેતુ, ઉપરોક્ત ધ્યેયો હાંસલ કરવા માટેના અવરોધો અને આવા અવરોધોને દૂર કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા પ્રદર્શન સૂચકાંકોની સમજ આપવાનો છે.