Vroeg nat etsen bevorderde de ontwikkeling van reinigings- of verassingsprocessen. Tegenwoordig is droogetsen met behulp van plasma de mainstream gewordenetsproces. Plasma bestaat uit elektronen, kationen en radicalen. De energie die op het plasma wordt toegepast, zorgt ervoor dat de buitenste elektronen van het brongas in neutrale toestand worden verwijderd, waardoor deze elektronen in kationen worden omgezet.
Bovendien kunnen imperfecte atomen in moleculen worden verwijderd door energie toe te passen om elektrisch neutrale radicalen te vormen. Bij droog etsen worden kationen en radicalen gebruikt waaruit plasma bestaat, waarbij kationen anisotroop zijn (geschikt om in een bepaalde richting te etsen) en radicalen isotroop (geschikt om in alle richtingen te etsen). Het aantal radicalen is veel groter dan het aantal kationen. In dit geval moet droog etsen net als nat etsen isotroop zijn.
Het is echter het anisotrope etsen of droogetsen dat ultrageminiaturiseerde circuits mogelijk maakt. Wat is de reden hiervoor? Bovendien is de etssnelheid van kationen en radicalen erg langzaam. Dus hoe kunnen we plasma-etsmethoden toepassen op massaproductie, ondanks deze tekortkoming?
1. Beeldverhouding (A/R)
Figuur 1. Het concept van beeldverhouding en de impact van de technologische vooruitgang daarop
Beeldverhouding is de verhouding tussen horizontale breedte en verticale hoogte (dwz hoogte gedeeld door breedte). Hoe kleiner de kritische afmeting (CD) van het circuit, hoe groter de beeldverhoudingswaarde. Dat wil zeggen, uitgaande van een aspectverhouding van 10 en een breedte van 10 nm, zou de hoogte van het gat dat tijdens het etsproces wordt geboord 100 nm moeten zijn. Daarom zijn voor producten van de volgende generatie die ultraminiaturisatie (2D) of hoge dichtheid (3D) vereisen extreem hoge aspectverhoudingswaarden vereist om ervoor te zorgen dat kationen tijdens het etsen de onderste film kunnen binnendringen.
Om ultra-miniaturisatietechnologie met een kritische dimensie van minder dan 10 nm in 2D-producten te bereiken, moet de condensator-beeldverhoudingswaarde van dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen (DRAM) boven de 100 worden gehouden. Op dezelfde manier vereist 3D NAND-flashgeheugen ook hogere beeldverhoudingswaarden om 256 lagen of meer celstapellagen te stapelen. Zelfs als aan de voorwaarden voor andere processen wordt voldaan, kunnen de benodigde producten niet worden geproduceerd als deetsprocesvoldoet niet aan de norm. Daarom wordt etstechnologie steeds belangrijker.
2. Overzicht van plasma-etsen
Figuur 2. Bepaling van plasmabrongas op basis van filmtype
Wanneer een holle buis wordt gebruikt, geldt: hoe smaller de buisdiameter, hoe gemakkelijker vloeistof kan binnendringen, het zogenaamde capillaire fenomeen. Als er echter een gat (gesloten uiteinde) in het blootgestelde gebied moet worden geboord, wordt de invoer van de vloeistof behoorlijk moeilijk. Daarom, aangezien de kritische omvang van het circuit halverwege de jaren zeventig 3um tot 5um bedroeg,etsenheeft geleidelijk de natte ets als mainstream vervangen. Dat wil zeggen, hoewel geïoniseerd, is het gemakkelijker om diepe gaten te penetreren omdat het volume van een enkel molecuul kleiner is dan dat van een molecuul van een organische polymeeroplossing.
Tijdens het plasma-etsen moet het inwendige van de voor het etsen gebruikte verwerkingskamer op een vacuümtoestand worden gebracht voordat het voor de betreffende laag geschikte plasmabrongas wordt geïnjecteerd. Bij het etsen van vaste-oxidefilms moeten sterkere brongassen op basis van koolstoffluoride worden gebruikt. Voor relatief zwakke silicium- of metaalfilms moeten op chloor gebaseerde plasmabrongassen worden gebruikt.
Hoe moeten de poortlaag en de onderliggende isolatielaag van siliciumdioxide (SiO2) worden geëtst?
Ten eerste moet silicium voor de poortlaag worden verwijderd met behulp van een op chloor gebaseerd plasma (silicium + chloor) met polysilicium-etsselectiviteit. Voor de onderste isolatielaag moet de siliciumdioxidefilm in twee stappen worden geëtst met behulp van een op koolstoffluoride gebaseerd plasmabrongas (siliciumdioxide + koolstoftetrafluoride) met een sterkere etsselectiviteit en effectiviteit.
3. Reactief ionenetsproces (RIE of fysisch-chemisch etsen).
Figuur 3. Voordelen van reactief ionenetsen (anisotropie en hoge etssnelheid)
Plasma bevat zowel isotrope vrije radicalen als anisotrope kationen, dus hoe voert het anisotroop etsen uit?
Plasmadroogetsen wordt voornamelijk uitgevoerd door middel van reactief ionenetsen (RIE, Reactive Ion Etching) of toepassingen op basis van deze methode. De kern van de RIE-methode is het verzwakken van de bindingskracht tussen doelmoleculen in de film door het etsgebied aan te vallen met anisotrope kationen. Het verzwakte gebied wordt geabsorbeerd door vrije radicalen, gecombineerd met de deeltjes waaruit de laag bestaat, omgezet in gas (een vluchtige verbinding) en vrijgegeven.
Hoewel vrije radicalen isotrope eigenschappen hebben, worden moleculen waaruit het bodemoppervlak bestaat (waarvan de bindende kracht wordt verzwakt door de aanval van kationen) gemakkelijker door vrije radicalen opgevangen en omgezet in nieuwe verbindingen dan zijwanden met een sterke bindende kracht. Daarom wordt neerwaarts etsen de mainstream. De opgevangen deeltjes worden gas met vrije radicalen, die onder vacuüm worden gedesorbeerd en van het oppervlak vrijkomen.
Op dit moment worden de door fysieke actie verkregen kationen en de door chemische actie verkregen vrije radicalen gecombineerd voor fysisch en chemisch etsen, en wordt de etssnelheid (Etch Rate, de mate van etsen in een bepaalde tijdsperiode) met 10 keer verhoogd. vergeleken met het geval van kationisch etsen of alleen etsen met vrije radicalen. Deze methode kan niet alleen de etssnelheid van anisotroop neerwaarts etsen verhogen, maar ook het probleem van polymeerresidu na het etsen oplossen. Deze methode wordt reactief ionenetsen (RIE) genoemd. De sleutel tot het succes van RIE-etsen is het vinden van een plasmabrongas dat geschikt is voor het etsen van de film. Opmerking: Plasma-etsen is RIE-etsen en deze twee kunnen als hetzelfde concept worden beschouwd.
4. Etspercentage en kernprestatie-index
Figuur 4. Core Etch Performance Index gerelateerd aan Etch Rate
De etssnelheid verwijst naar de filmdiepte die naar verwachting in één minuut zal worden bereikt. Dus wat betekent het dat de etssnelheid van onderdeel tot onderdeel op een enkele wafer varieert?
Dit betekent dat de etsdiepte van onderdeel tot onderdeel op de wafer varieert. Om deze reden is het erg belangrijk om het eindpunt (EOP) in te stellen waar het etsen moet stoppen, door rekening te houden met de gemiddelde etssnelheid en etsdiepte. Zelfs als de EOP is ingesteld, zijn er nog steeds enkele gebieden waar de etsdiepte dieper (overgeëtst) of ondieper (ondergeëtst) is dan oorspronkelijk gepland. Te weinig etsen veroorzaakt echter meer schade dan overetsen tijdens het etsen. Omdat bij onderetsen het ondergeëtste deel daaropvolgende processen zoals ionenimplantatie zal belemmeren.
Ondertussen is selectiviteit (gemeten aan de hand van de etssnelheid) een belangrijke prestatie-indicator van het etsproces. De meetstandaard is gebaseerd op de vergelijking van de etssnelheid van de maskerlaag (fotoresistfilm, oxidefilm, siliciumnitridefilm, enz.) en de doellaag. Dit betekent dat hoe hoger de selectiviteit, hoe sneller de doellaag wordt geëtst. Hoe hoger het niveau van miniaturisatie, hoe hoger de selectiviteitsvereiste om ervoor te zorgen dat fijne patronen perfect kunnen worden gepresenteerd. Omdat de etsrichting recht is, is de selectiviteit van kationisch etsen laag, terwijl de selectiviteit van radicaaletsen hoog is, wat de selectiviteit van RIE verbetert.
5. Etsproces
Figuur 5. Etsproces
Eerst wordt de wafel in een oxidatieoven geplaatst met een temperatuur tussen 800 en 1000 ℃, en vervolgens wordt op het oppervlak van de wafel volgens een droge methode een siliciumdioxide (SiO2) film met hoge isolatie-eigenschappen gevormd. Vervolgens wordt het depositieproces ingevoerd om een siliciumlaag of een geleidende laag op de oxidefilm te vormen door middel van chemische dampafzetting (CVD)/fysische dampafzetting (PVD). Als er een siliciumlaag wordt gevormd, kan indien nodig een onzuiverheidsdiffusieproces worden uitgevoerd om de geleidbaarheid te vergroten. Tijdens het diffusieproces van onzuiverheden worden vaak meerdere onzuiverheden herhaaldelijk toegevoegd.
Op dit moment moeten de isolatielaag en de polysiliciumlaag worden gecombineerd voor het etsen. Eerst wordt een fotoresist gebruikt. Vervolgens wordt een masker op de fotoresistfilm geplaatst en wordt natte belichting uitgevoerd door onderdompeling om het gewenste patroon (onzichtbaar voor het blote oog) op de fotoresistfilm af te drukken. Wanneer de patroonomtrek door ontwikkeling zichtbaar wordt, wordt de fotoresist in het lichtgevoelige gebied verwijderd. Vervolgens wordt de door het fotolithografieproces verwerkte wafel overgebracht naar het etsproces voor droog etsen.
Droog etsen wordt hoofdzakelijk uitgevoerd door middel van reactief ionenetsen (RIE), waarbij het etsen voornamelijk wordt herhaald door het voor elke film geschikte brongas te vervangen. Zowel droog etsen als nat etsen hebben tot doel de aspectverhouding (A/R-waarde) van het etsen te vergroten. Bovendien is regelmatig schoonmaken vereist om het polymeer te verwijderen dat zich op de bodem van het gat heeft opgehoopt (de opening gevormd door etsen). Het belangrijke punt is dat alle variabelen (zoals materialen, brongas, tijd, vorm en volgorde) organisch moeten worden aangepast om ervoor te zorgen dat de reinigingsoplossing of het plasmabrongas naar de bodem van de greppel kan stromen. Een kleine verandering in een variabele vereist herberekening van andere variabelen, en dit herberekeningsproces wordt herhaald totdat het voldoet aan het doel van elke fase. Onlangs zijn monoatomaire lagen, zoals atomaire laagafzettingslagen (ALD), dunner en harder geworden. Daarom evolueert de etstechnologie naar het gebruik van lage temperaturen en drukken. Het etsproces heeft tot doel de kritische dimensie (CD) te beheersen om fijne patronen te produceren en ervoor te zorgen dat problemen veroorzaakt door het etsproces worden vermeden, vooral onderetsen en problemen die verband houden met het verwijderen van resten. De bovenstaande twee artikelen over etsen zijn bedoeld om lezers inzicht te geven in het doel van het etsproces, de obstakels voor het bereiken van de bovengenoemde doelen en de prestatie-indicatoren die worden gebruikt om dergelijke obstakels te overwinnen.
Posttijd: 10 september 2024