תחריט זרימה של תהליך דפוס מוליכים למחצה

תחריט רטוב מוקדם קידם התפתחות של תהליכי ניקוי או אפר. כיום, תחריט יבש באמצעות פלזמה הפך למיינסטריםתהליך תחריט. פלזמה מורכבת מאלקטרונים, קטיונים ורדיקלים. האנרגיה המופעלת על הפלזמה גורמת להסרת האלקטרונים החיצוניים ביותר של גז המקור במצב ניטרלי, ובכך הופכים אלקטרונים אלה לקטיונים.

בנוסף, ניתן להסיר אטומים לא מושלמים במולקולות על ידי הפעלת אנרגיה ליצירת רדיקלים ניטרליים מבחינה חשמלית. תחריט יבש משתמש בקטיונים ורדיקלים המרכיבים את הפלזמה, כאשר הקטיונים הם אניזוטרופיים (מתאימים לחריטה בכיוון מסוים) ורדיקלים הם איזוטריים (מתאימים לחריטה לכל הכיוונים). מספר הרדיקלים גדול בהרבה ממספר הקטיונים. במקרה זה, תחריט יבש צריך להיות איזוטרופי כמו תחריט רטוב.

עם זאת, התחריט האניזוטרופי של תחריט יבש הוא שמאפשר מעגלים ממוזערים במיוחד. מה הסיבה לכך? בנוסף, מהירות הצריבה של קטיונים ורדיקלים איטית מאוד. אז איך נוכל ליישם שיטות תחריט פלזמה לייצור המוני מול החיסרון הזה?

 

1. יחס גובה-רוחב (A/R)

 

איור 1. מושג יחס הממדים והשפעת הקידמה הטכנולוגית עליו

 

יחס גובה-רוחב הוא היחס בין רוחב אופקי לגובה אנכי (כלומר, גובה חלקי רוחב). ככל שהממד הקריטי (CD) של המעגל קטן יותר, כך ערך יחס הגובה-רוחב גדול יותר. כלומר, בהנחה של יחס גובה-רוחב של 10 ורוחב של 10 ננומטר, גובה החור שנקדח במהלך תהליך התחריט צריך להיות 100 ננומטר. לכן, עבור מוצרים מהדור הבא הדורשים מזעור אולטרה (2D) או צפיפות גבוהה (3D), נדרשים ערכי יחס רוחב-גובה גבוהים במיוחד כדי להבטיח שהקטיונים יכולים לחדור לסרט התחתון במהלך התחריט.

 

כדי להשיג טכנולוגיית מזעור אולטרה עם מימד קריטי של פחות מ-10 ננומטר במוצרים דו-ממדיים, יש לשמור על ערך יחס הגובה-רוחב של הקבלים של זיכרון גישה אקראית דינמית (DRAM) מעל 100. באופן דומה, זיכרון פלאש תלת-ממד NAND דורש גם ערכי יחס רוחב-גובה גבוהים יותר כדי לערום 256 שכבות או יותר של שכבות ערימת תאים. גם אם מתקיימים התנאים הנדרשים לתהליכים אחרים, לא ניתן לייצר את המוצרים הנדרשים אםתהליך תחריטאינו עומד בתקן. זו הסיבה שטכנולוגיית התחריט הופכת חשובה יותר ויותר.

 

2. סקירה כללית של תחריט פלזמה

 

איור 2. קביעת גז מקור פלזמה לפי סוג הסרט

 

כשמשתמשים בצינור חלול, ככל שקוטר הצינור צר יותר, כך קל יותר להיכנס לנוזל, שזו התופעה הנקראת קפילרית. עם זאת, אם יש לקדוח חור (קצה סגור) באזור החשוף, הזנת הנוזל הופכת קשה למדי. לכן, מכיוון שהגודל הקריטי של המעגל היה 3um עד 5um באמצע שנות ה-70, יבשתַחרִיטהחליף בהדרגה את התחריט הרטוב כמיינסטרים. כלומר, למרות מיונן, קל יותר לחדור לחורים עמוקים מכיוון שנפחה של מולקולה בודדת קטן מזה של מולקולת תמיסת פולימר אורגנית.

במהלך תחריט פלזמה, יש להתאים את פנים תא העיבוד המשמש לתחריט למצב ואקום לפני הזרקת גז מקור הפלזמה המתאים לשכבה הרלוונטית. בעת תחריט סרטי תחמוצת מוצקים, יש להשתמש בגזי מקור חזקים יותר מבוססי פחמן פלואוריד. עבור סרטי סיליקון או מתכת חלשים יחסית, יש להשתמש בגזי מקור פלזמה על בסיס כלור.

אז איך צריך לחרוט את שכבת השער ואת שכבת הבידוד הבסיסית של סיליקון דו חמצני (SiO2)?

ראשית, עבור שכבת השער, יש להסיר סיליקון באמצעות פלזמה על בסיס כלור (סיליקון + כלור) עם סלקטיביות של צריבת פוליסיליקון. עבור שכבת הבידוד התחתונה, יש לחרוט את סרט הסיליקון דו חמצני בשני שלבים באמצעות גז מקור פלזמה מבוסס פחמן פלואוריד (סיליקון דו חמצני + פחמן טטרפלואוריד) עם סלקטיביות ואפקטיביות תחריט חזקות יותר.

 

3. תהליך תחריט יונים תגובתי (RIE או צריבה פיזיקוכימית).

 

איור 3. יתרונות של תחריט יונים תגובתי (אניזוטרופיה וקצב תחריט גבוה)

 

הפלזמה מכילה גם רדיקלים חופשיים איזוטרופיים וגם קטיונים אנזוטרופיים, אז איך היא מבצעת תחריט אנזוטרופי?

תחריט יבש בפלזמה מתבצע בעיקר על ידי תחריט יונים תגובתי (RIE, Reactive Ion Etching) או יישומים המבוססים על שיטה זו. הליבה של שיטת RIE היא החלשת כוח הקישור בין מולקולות המטרה בסרט על ידי תקיפת אזור התחריט בקטיונים אנזוטרופיים. האזור המוחלש נספג ברדיקלים חופשיים, בשילוב עם החלקיקים המרכיבים את השכבה, הופך לגז (תרכובת נדיפה) ומשתחרר.

למרות שלרדיקלים חופשיים מאפיינים איזוטריים, מולקולות המרכיבות את פני השטח התחתון (שכוח הקישור שלהם נחלש על ידי התקפת קטיונים) נתפסות בקלות רבה יותר על ידי רדיקלים חופשיים והופכות לתרכובות חדשות מאשר דפנות צד בעלות כוח קישור חזק. לכן, תחריט כלפי מטה הופך למיינסטרים. החלקיקים שנלכדו הופכים לגז עם רדיקלים חופשיים, אשר נספגים ומשתחררים מפני השטח תחת פעולת ואקום.

 

בשלב זה משולבים הקטיונים המתקבלים בפעולה פיזית והרדיקלים החופשיים המתקבלים בפעולה כימית לצורך תחריט פיסיקלי וכימי, וקצב התחריט (Etch Rate, מידת התחריט בפרק זמן מסוים) גדל פי 10 בהשוואה למקרה של תחריט קטיוני או תחריט רדיקלים חופשיים בלבד. שיטה זו יכולה לא רק להגביר את קצב התחריט של תחריט אנזוטרופי כלפי מטה, אלא גם לפתור את הבעיה של שאריות פולימר לאחר תחריט. שיטה זו נקראת תחריט יונים תגובתיים (RIE). המפתח להצלחת תחריט RIE הוא למצוא גז מקור פלזמה המתאים לחריטת הסרט. הערה: תחריט פלזמה הוא תחריט RIE, וניתן לראות בשניהם אותו מושג.

 

4. קצב תחריט ומדד ביצועי ליבה

 

איור 4. מדד ביצועי צריבה ליבה הקשור לקצב הצריבה

 

קצב תחריט מתייחס לעומק הסרט שצפוי להגיע אליו תוך דקה אחת. אז מה זה אומר שקצב החריטה משתנה מחלק לחלק על רקיק בודד?

משמעות הדבר היא שעומק הצריבה משתנה מחלק לחלק על הוופל. מסיבה זו, חשוב מאוד להגדיר את נקודת הסיום (EOP) שבה תחריט צריך להפסיק על ידי התחשבות בקצב החריטה הממוצע ובעומק החריטה. גם אם ה-EOP מוגדר, עדיין ישנם אזורים שבהם עומק החריטה עמוק יותר (חרוט יתר על המידה) או רדוד יותר (חרוט מתחת) ממה שתוכנן במקור. עם זאת, תחריט תת גורם לנזק רב יותר מאשר חריטה יתר במהלך התחריט. מכיוון שבמקרה של תחריט תת, החלק התת חרוט יעכב תהליכים הבאים כגון השתלת יונים.

בינתיים, סלקטיביות (נמדדת לפי קצב תחריט) היא אינדיקטור ביצועים מרכזי של תהליך התחריט. תקן המדידה מבוסס על השוואה בין קצב הצריבה של שכבת המסכה (סרט פוטו-רזיסט, סרט תחמוצת, סרט סיליקון ניטריד וכו') לבין שכבת המטרה. המשמעות היא שככל שהסלקטיביות גבוהה יותר, כך שכבת המטרה נחרטת מהר יותר. ככל שרמת המזעור גבוהה יותר, דרישת הסלקטיביות גבוהה יותר כדי להבטיח שניתן להציג בצורה מושלמת דפוסים עדינים. מכיוון שכיוון התחריט הוא ישר, הסלקטיביות של תחריט קטיוני נמוכה, בעוד שהסלקטיביות של תחריט רדיקלי גבוהה, מה שמשפר את הסלקטיביות של RIE.

 

5. תהליך תחריט

 

איור 5. תהליך תחריט

 

ראשית, הוופל ממוקם בכבשן חמצון עם טמפרטורה שנשמרת בין 800 ל- 1000 ℃, ולאחר מכן נוצר סרט של סיליקון דו חמצני (SiO2) בעל תכונות בידוד גבוהות על פני הרקיק בשיטה יבשה. לאחר מכן, נכנסים לתהליך השקיעה כדי ליצור שכבת סיליקון או שכבה מוליכה על סרט התחמוצת על ידי שקיעת אדים כימית (CVD) / שקיעת אדים פיזית (PVD). אם נוצרת שכבת סיליקון, ניתן לבצע תהליך דיפוזיה של טומאה להגברת המוליכות במידת הצורך. במהלך תהליך פיזור הטומאה, לעיתים קרובות מוסיפים שוב ושוב זיהומים מרובים.

בשלב זה יש לשלב את שכבת הבידוד ושכבת הפוליסיליקון לצורך תחריט. ראשית, נעשה שימוש בפוטורסיסט. לאחר מכן, מניחים מסכה על סרט הפוטו-רזיסט וחשיפה רטובה מתבצעת בטבילה כדי להטביע את הדוגמה הרצויה (בלתי נראית לעין בלתי מזוינת) על סרט הפוטו-רזיסט. כאשר מתאר הדפוס מתגלה בפיתוח, הפוטו-רזיסט באזור הרגיש לאור מוסר. לאחר מכן, הפרוסה המעובדת בתהליך הפוטוליתוגרפיה מועברת לתהליך התחריט לצורך תחריט יבש.

תחריט יבש מתבצע בעיקר על ידי תחריט יונים תגובתיים (RIE), שבה החריטה חוזרת בעיקר על ידי החלפת גז המקור המתאים לכל סרט. גם תחריט יבש וגם תחריט רטוב מטרתם להגדיל את יחס הגובה-רוחב (ערך A/R) של תחריט. בנוסף, נדרש ניקוי שוטף כדי להסיר את הפולימר שהצטבר בתחתית החור (הרווח שנוצר בתחריט). הנקודה החשובה היא שכל המשתנים (כגון חומרים, גז מקור, זמן, צורה ורצף) צריכים להיות מתאימים באופן אורגני כדי להבטיח שתמיסת הניקוי או גז מקור הפלזמה יוכלו לזרום למטה לתחתית התעלה. שינוי קל במשתנה מצריך חישוב מחדש של משתנים אחרים, ותהליך חישוב זה חוזר על עצמו עד שהוא עונה על המטרה של כל שלב. לאחרונה, שכבות מונואטומיות כגון שכבות שכבה אטומית (ALD) הפכו דקות וקשות יותר. לכן, טכנולוגיית התחריט נעה לעבר שימוש בטמפרטורות ולחצים נמוכים. תהליך התחריט נועד לשלוט במימד הקריטי (CD) כדי לייצר תבניות עדינות ולהבטיח שבעיות הנגרמות מתהליך התחריט יימנעו, במיוחד תחריט תת ובעיות הקשורות להסרת שאריות. שני המאמרים לעיל בנושא תחריט מטרתם לספק לקוראים הבנה של מטרת תהליך התחריט, המכשולים להשגת המטרות הנ"ל, ומדדי הביצוע המשמשים להתגברות על מכשולים כאלה.