Wczesne trawienie na mokro sprzyjało rozwojowi procesów czyszczenia lub spopielania. Obecnie głównym nurtem stało się trawienie na sucho przy użyciu plazmyproces trawienia. Plazma składa się z elektronów, kationów i rodników. Energia przyłożona do plazmy powoduje oderwanie najbardziej zewnętrznych elektronów z gazu źródłowego w stanie neutralnym, przekształcając w ten sposób te elektrony w kationy.
Ponadto niedoskonałe atomy w cząsteczkach można usunąć, przykładając energię, tworząc elektrycznie obojętne rodniki. W procesie trawienia na sucho wykorzystuje się kationy i rodniki tworzące plazmę, przy czym kationy są anizotropowe (nadają się do trawienia w określonym kierunku), a rodniki są izotropowe (nadają się do trawienia we wszystkich kierunkach). Liczba rodników jest znacznie większa niż liczba kationów. W takim przypadku trawienie na sucho powinno być izotropowe jak trawienie na mokro.
Jednak to anizotropowe trawienie suchego trawienia umożliwia ultraminiaturowe obwody. Jaki jest tego powód? Ponadto szybkość trawienia kationów i rodników jest bardzo mała. Jak więc możemy zastosować metody trawienia plazmowego w produkcji masowej w obliczu tej wady?
1. Proporcje (A/R)
Rysunek 1. Pojęcie współczynnika kształtu i wpływ na nie postępu technologicznego
Współczynnik proporcji to stosunek szerokości w poziomie do wysokości w pionie (tj. wysokość podzielona przez szerokość). Im mniejszy wymiar krytyczny (CD) obwodu, tym większa wartość współczynnika kształtu. Oznacza to, że zakładając współczynnik kształtu wynoszący 10 i szerokość 10 nm, wysokość otworu wywierconego podczas procesu trawienia powinna wynosić 100 nm. Dlatego w przypadku produktów nowej generacji, które wymagają ultraminiaturyzacji (2D) lub dużej gęstości (3D), wymagane są wyjątkowo wysokie wartości współczynnika kształtu, aby zapewnić, że kationy będą mogły przenikać przez dolną warstwę podczas trawienia.
Aby osiągnąć technologię ultraminiaturyzacji o krytycznym wymiarze mniejszym niż 10 nm w produktach 2D, wartość współczynnika kształtu kondensatora dynamicznej pamięci o dostępie swobodnym (DRAM) powinna być utrzymywana powyżej 100. Podobnie pamięć flash 3D NAND wymaga również wyższych wartości współczynnika kształtu aby ułożyć 256 lub więcej warstw układania komórek. Nawet jeśli spełnione są warunki wymagane dla innych procesów, wymagane produkty nie mogą zostać wytworzone, jeśliproces trawienianie jest zgodne ze standardem. Dlatego technologia trawienia staje się coraz ważniejsza.
2. Przegląd trawienia plazmowego
Rysunek 2. Określanie gazu źródła plazmy według rodzaju folii
W przypadku stosowania rur pustych, im węższa średnica rury, tym łatwiej jest przedostać się ciecz, co jest tzw. zjawiskiem kapilarnym. Jeśli jednak w odsłoniętym obszarze ma zostać wywiercony otwór (zamknięty koniec), wprowadzenie cieczy staje się dość trudne. Dlatego też, ponieważ w połowie lat 70. krytyczny rozmiar obwodu wynosił od 3 um do 5 um, sucheakwafortastopniowo zastąpiło trawienie na mokro jako główny nurt. Oznacza to, że chociaż jest zjonizowany, łatwiej jest penetrować głębokie dziury, ponieważ objętość pojedynczej cząsteczki jest mniejsza niż cząsteczka roztworu polimeru organicznego.
Podczas trawienia plazmowego wnętrze komory technologicznej służącej do trawienia należy doprowadzić do stanu próżni przed wstrzyknięciem gazu źródłowego plazmy odpowiedniego dla danej warstwy. Podczas trawienia folii ze stałego tlenku należy stosować silniejsze gazy źródłowe na bazie fluorku węgla. W przypadku stosunkowo słabych warstw krzemu lub metalu należy zastosować gazy plazmowe na bazie chloru.
Jak zatem należy wytrawić warstwę bramkową i znajdującą się pod nią warstwę izolacyjną z dwutlenku krzemu (SiO2)?
W pierwszej kolejności z warstwy bramowej należy usunąć krzem za pomocą plazmy na bazie chloru (krzem + chlor) z selektywnością trawienia polikrzemu. W przypadku dolnej warstwy izolacyjnej warstwę dwutlenku krzemu należy wytrawić w dwóch etapach przy użyciu gazu plazmowego na bazie fluorku węgla (dwutlenek krzemu + tetrafluorek węgla) o większej selektywności i skuteczności trawienia.
3. Proces reaktywnego trawienia jonowego (RIE lub trawienie fizykochemiczne).
Rysunek 3. Zalety trawienia jonami reaktywnymi (anizotropia i duża szybkość trawienia)
Plazma zawiera zarówno izotropowe wolne rodniki, jak i anizotropowe kationy, więc w jaki sposób wykonuje trawienie anizotropowe?
Trawienie plazmowe na sucho wykonywane jest głównie metodą reaktywnego trawienia jonowego (RIE, Reactive Ion Etching) lub zastosowaniami bazującymi na tej metodzie. Istotą metody RIE jest osłabienie siły wiązania pomiędzy cząsteczkami docelowymi w folii poprzez atakowanie obszaru trawienia kationami anizotropowymi. Osłabiony obszar jest absorbowany przez wolne rodniki, łączony z cząsteczkami tworzącymi warstwę, przekształcany w gaz (lotny związek) i uwalniany.
Chociaż wolne rodniki mają właściwości izotropowe, cząsteczki tworzące dolną powierzchnię (której siła wiązania jest osłabiona przez atak kationów) są łatwiej wychwytywane przez wolne rodniki i przekształcane w nowe związki niż ściany boczne o dużej sile wiązania. Dlatego trawienie w dół staje się głównym nurtem. Wychwycone cząstki stają się gazem z wolnymi rodnikami, które pod wpływem próżni ulegają desorbcji i uwalnianiu z powierzchni.
W tym czasie kationy uzyskane w wyniku działania fizycznego i wolne rodniki uzyskane w wyniku działania chemicznego łączy się w celu trawienia fizycznego i chemicznego, a szybkość trawienia (szybkość wytrawiania, stopień wytrawiania w określonym czasie) zwiększa się 10-krotnie w porównaniu z przypadkiem trawienia kationowego lub samego trawienia wolnorodnikowego. Ta metoda może nie tylko zwiększyć szybkość trawienia anizotropowego w dół, ale także rozwiązać problem pozostałości polimeru po trawieniu. Ta metoda nazywa się reaktywnym trawieniem jonowym (RIE). Kluczem do sukcesu trawienia RIE jest znalezienie źródła gazu plazmowego odpowiedniego do trawienia folii. Uwaga: Trawienie plazmowe to trawienie RIE i można je traktować jako tę samą koncepcję.
4. Szybkość trawienia i wskaźnik wydajności rdzenia
Rysunek 4. Wskaźnik wydajności rdzenia w powiązaniu z szybkością trawienia
Szybkość trawienia odnosi się do głębokości warstwy, która ma zostać osiągnięta w ciągu jednej minuty. Co więc oznacza, że szybkość trawienia różni się w zależności od części pojedynczej płytki?
Oznacza to, że głębokość trawienia różni się w zależności od części płytki. Z tego powodu bardzo ważne jest określenie punktu końcowego (EOP), w którym trawienie powinno się zakończyć, biorąc pod uwagę średnią szybkość trawienia i głębokość trawienia. Nawet jeśli ustawiono EOP, w niektórych obszarach głębokość trawienia jest głębsza (nadmierne trawienie) lub płytsza (niedotrawienie) niż pierwotnie planowano. Jednak niedostateczne trawienie powoduje więcej uszkodzeń niż nadmierne trawienie podczas trawienia. Ponieważ w przypadku podtrawienia, niedotrawiona część będzie utrudniać późniejsze procesy, takie jak implantacja jonów.
Tymczasem selektywność (mierzona szybkością trawienia) jest kluczowym wskaźnikiem wydajności procesu trawienia. Wzorzec pomiarowy opiera się na porównaniu szybkości trawienia warstwy maski (warstwy fotorezystu, warstewki tlenkowej, warstewki azotku krzemu itp.) i warstwy docelowej. Oznacza to, że im wyższa selektywność, tym szybciej trawiona jest warstwa docelowa. Im wyższy poziom miniaturyzacji, tym wyższe wymagania dotyczące selektywności, aby zapewnić doskonałą prezentację drobnych wzorów. Ponieważ kierunek trawienia jest prosty, selektywność trawienia kationowego jest niska, natomiast selektywność trawienia rodnikowego jest wysoka, co poprawia selektywność RIE.
5. Proces trawienia
Rysunek 5. Proces trawienia
Najpierw wafel umieszcza się w piecu do utleniania, w którym utrzymuje się temperaturę od 800 do 1000℃, a następnie metodą suchą na powierzchni płytki formuje się warstwę dwutlenku krzemu (SiO2) o wysokich właściwościach izolacyjnych. Następnie rozpoczyna się proces osadzania w celu utworzenia warstwy krzemu lub warstwy przewodzącej na warstwie tlenku poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD)/fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD). Jeśli utworzy się warstwa krzemu, można w razie potrzeby przeprowadzić proces dyfuzji zanieczyszczeń w celu zwiększenia przewodności. Podczas procesu dyfuzji zanieczyszczeń często dodaje się wiele zanieczyszczeń wielokrotnie.
W tym momencie należy połączyć warstwę izolacyjną i warstwę polikrzemu w celu wytrawienia. Najpierw stosuje się fotomaskę. Następnie na błonę fotorezystu nakłada się maskę i przeprowadza się naświetlanie na mokro poprzez zanurzenie w celu odbicia na folii pożądanego wzoru (niewidocznego gołym okiem). Kiedy zarys wzoru zostanie ujawniony w wyniku wywołania, fotomaska w obszarze światłoczułym jest usuwana. Następnie płytka poddana procesowi fotolitografii przekazywana jest do procesu trawienia w celu trawienia na sucho.
Trawienie na sucho przeprowadza się głównie metodą reaktywnego trawienia jonowego (RIE), podczas którego trawienie powtarza się głównie poprzez wymianę gazu źródłowego odpowiedniego dla każdej folii. Zarówno trawienie na sucho, jak i na mokro ma na celu zwiększenie współczynnika kształtu (wartości A/R) trawienia. Ponadto wymagane jest regularne czyszczenie w celu usunięcia polimeru nagromadzonego na dnie otworu (szczeliny powstałej w wyniku trawienia). Ważne jest, aby wszystkie zmienne (takie jak materiały, gaz źródłowy, czas, forma i kolejność) zostały dostosowane organicznie, aby zapewnić, że roztwór czyszczący lub gaz źródłowy plazmowy będzie mógł spłynąć na dno wykopu. Niewielka zmiana zmiennej wymaga przeliczenia innych zmiennych i proces przeliczenia jest powtarzany, aż do osiągnięcia celu każdego etapu. Ostatnio warstwy monoatomowe, takie jak warstwy osadzania warstw atomowych (ALD), stały się cieńsze i twardsze. Dlatego technologia trawienia zmierza w kierunku stosowania niskich temperatur i ciśnień. Celem procesu trawienia jest kontrolowanie wymiaru krytycznego (CD), aby uzyskać drobne wzory i zapewnić uniknięcie problemów spowodowanych procesem trawienia, zwłaszcza niedotrawienia i problemów związanych z usuwaniem pozostałości. Powyższe dwa artykuły na temat trawienia mają na celu zapewnienie czytelnikom zrozumienia celu procesu trawienia, przeszkód w osiągnięciu powyższych celów oraz wskaźników wydajności stosowanych do pokonania takich przeszkód.
Czas publikacji: 10 września 2024 r