Раннее влажное травление способствовало развитию процессов очистки или озоления. Сегодня сухое травление с использованием плазмы стало основным направлением.процесс травления. Плазма состоит из электронов, катионов и радикалов. Энергия, приложенная к плазме, приводит к отрыву крайних электронов исходного газа в нейтральном состоянии, тем самым превращая эти электроны в катионы.
Кроме того, несовершенные атомы в молекулах можно удалить, применяя энергию для образования электрически нейтральных радикалов. При сухом травлении используются катионы и радикалы, составляющие плазму, где катионы анизотропны (подходят для травления в определенном направлении), а радикалы изотропны (подходят для травления во всех направлениях). Число радикалов значительно превышает число катионов. В этом случае сухое травление должно быть изотропным, как и мокрое травление.
Однако именно анизотропное травление при сухом травлении делает возможным создание ультраминиатюрных схем. В чем причина этого? Кроме того, скорость травления катионов и радикалов очень мала. Так как же мы можем применять методы плазменного травления в массовом производстве, несмотря на этот недостаток?
1. Соотношение сторон (A/R)
Рисунок 1. Понятие соотношения сторон и влияние на него технического прогресса
Соотношение сторон — это отношение ширины по горизонтали к высоте по вертикали (т. е. высота, деленная на ширину). Чем меньше критический размер (CD) схемы, тем больше значение соотношения сторон. То есть, принимая соотношение сторон 10 и ширину 10 нм, высота отверстия, просверленного в процессе травления, должна составлять 100 нм. Поэтому для продуктов следующего поколения, требующих ультраминиатюризации (2D) или высокой плотности (3D), требуются чрезвычайно высокие значения соотношения сторон, чтобы катионы могли проникать в нижнюю пленку во время травления.
Для достижения технологии сверхминиатюризации с критическим размером менее 10 нм в 2D-продуктах значение соотношения сторон конденсатора динамической оперативной памяти (DRAM) должно поддерживаться выше 100. Аналогичным образом, флэш-память 3D NAND также требует более высоких значений соотношения сторон. для укладки 256 или более слоев укладки ячеек. Даже если условия, необходимые для других процессов, соблюдены, требуемую продукцию невозможно произвести, еслипроцесс травленияне соответствует стандарту. Вот почему технология травления становится все более важной.
2. Обзор плазменного травления.
Рисунок 2. Определение газа источника плазмы в зависимости от типа пленки
При использовании полой трубы, чем уже диаметр трубы, тем легче проникает жидкость, что является так называемым капиллярным явлением. Однако если в открытой зоне необходимо просверлить отверстие (с закрытым концом), ввод жидкости становится весьма затруднительным. Таким образом, поскольку в середине 1970-х годов критический размер схемы составлял от 3 до 5 мкм, сухойтравлениепостепенно вытеснило мокрое травление в качестве основного направления. То есть, несмотря на ионизацию, легче проникать в глубокие отверстия, поскольку объем отдельной молекулы меньше, чем объем молекулы раствора органического полимера.
Во время плазменного травления внутренняя часть камеры обработки, используемой для травления, должна быть доведена до состояния вакуума перед впрыскиванием газа источника плазмы, подходящего для соответствующего слоя. При травлении твердых оксидных пленок следует использовать более сильные исходные газы на основе фторида углерода. Для относительно слабых кремниевых или металлических пленок следует использовать источники плазмы на основе хлора.
Итак, как следует протравливать слой затвора и лежащий под ним изолирующий слой диоксида кремния (SiO2)?
Во-первых, для затворного слоя кремний следует удалить с помощью плазмы на основе хлора (кремний + хлор) с селективным травлением поликремния. Для нижнего изолирующего слоя пленку диоксида кремния следует травить в два этапа с использованием исходного плазменного газа на основе фторида углерода (диоксид кремния + тетрафторид углерода) с более высокой селективностью и эффективностью травления.
3. Процесс реактивного ионного травления (РИЭ или физико-химическое травление).
Рис. 3. Преимущества реактивного ионного травления (анизотропия и высокая скорость травления)
Плазма содержит как изотропные свободные радикалы, так и анизотропные катионы, так как же она осуществляет анизотропное травление?
Плазменное сухое травление в основном выполняется методом реактивного ионного травления (RIE, Reactive Ion Etching) или применениями на основе этого метода. Суть метода RIE заключается в ослаблении силы связи между целевыми молекулами в пленке путем воздействия на область травления анизотропными катионами. Ослабленный участок поглощается свободными радикалами, соединяясь с частицами, составляющими слой, превращается в газ (летучее соединение) и высвобождается.
Хотя свободные радикалы обладают изотропными характеристиками, молекулы, составляющие нижнюю поверхность (чья сила связывания ослаблена атакой катионов), легче захватываются свободными радикалами и превращаются в новые соединения, чем боковые стенки с сильной силой связывания. Таким образом, травление вниз становится основным направлением. Захваченные частицы превращаются в газ со свободными радикалами, которые десорбируются и высвобождаются с поверхности под действием вакуума.
В это время катионы, полученные физическим воздействием, и свободные радикалы, полученные химическим действием, объединяются для физического и химического травления, а скорость травления (Etch Speed, степень травления за определенный период времени) увеличивается в 10 раз. по сравнению со случаем катионного травления или только свободнорадикального травления. Этот метод позволяет не только увеличить скорость анизотропного травления вниз, но и решить проблему остатков полимера после травления. Этот метод называется реактивным ионным травлением (РИЭ). Ключом к успеху травления RIE является поиск источника плазмы, подходящего для травления пленки. Примечание. Плазменное травление — это травление RIE, и их можно рассматривать как одну и ту же концепцию.
4. Скорость травления и индекс производительности ядра
Рисунок 4. Индекс эффективности травления сердцевины, связанный со скоростью травления
Скорость травления относится к глубине пленки, которая, как ожидается, будет достигнута за одну минуту. Так что же означает, что скорость травления варьируется от детали к детали на одной пластине?
Это означает, что глубина травления варьируется от части к части пластины. По этой причине очень важно установить конечную точку (EOP), где травление должно прекратиться, учитывая среднюю скорость травления и глубину травления. Даже если EOP установлен, все равно остаются области, в которых глубина травления больше (перетравление) или меньше (недостаток травления), чем первоначально планировалось. Однако недостаточное травление причиняет больше вреда, чем чрезмерное травление во время травления. Потому что в случае недостаточного травления недопротравленная деталь будет препятствовать последующим процессам, таким как ионная имплантация.
Между тем, селективность (измеренная скоростью травления) является ключевым показателем эффективности процесса травления. Эталон измерений основан на сравнении скорости травления маскирующего слоя (пленки фоторезиста, оксидной пленки, пленки нитрида кремния и т. д.) и целевого слоя. Это означает, что чем выше селективность, тем быстрее травится целевой слой. Чем выше уровень миниатюризации, тем выше требования к избирательности для обеспечения идеального представления мелких рисунков. Поскольку направление травления прямолинейное, селективность катионного травления низкая, а селективность радикального травления высокая, что повышает селективность РИЭ.
5. Процесс травления
Рисунок 5. Процесс травления
Сначала пластину помещают в печь окисления с температурой, поддерживаемой от 800 до 1000℃, а затем на поверхности пластины сухим методом формируется пленка диоксида кремния (SiO2) с высокими изоляционными свойствами. Затем начинается процесс осаждения для формирования слоя кремния или проводящего слоя на оксидной пленке путем химического осаждения из паровой фазы (CVD)/физического осаждения из паровой фазы (PVD). Если образуется слой кремния, при необходимости можно выполнить процесс диффузии примесей для увеличения проводимости. В процессе диффузии примесей несколько примесей часто добавляются повторно.
В это время изолирующий слой и слой поликремния должны быть объединены для травления. Сначала используется фоторезист. Затем на пленку фоторезиста накладывают маску и проводят влажное экспонирование путем погружения для отпечатка желаемого рисунка (невидимого невооруженным глазом) на пленке фоторезиста. Когда при проявке выявляется контур рисунка, фоторезист в светочувствительной зоне удаляется. Затем пластина, обработанная методом фотолитографии, передается в процесс травления для сухого травления.
Сухое травление в основном осуществляется методом реактивного ионного травления (РИЭ), при котором травление повторяется преимущественно за счет замены исходного газа, подходящего для каждой пленки. Как сухое травление, так и влажное травление направлены на увеличение соотношения сторон (значения A/R) травления. Кроме того, требуется регулярная очистка для удаления полимера, скопившегося на дне отверстия (зазора, образовавшегося при травлении). Важным моментом является то, что все переменные (такие как материалы, исходный газ, время, форма и последовательность) должны быть органично отрегулированы, чтобы гарантировать, что очищающий раствор или плазмообразующий газ могут стечь на дно траншеи. Небольшое изменение переменной требует пересчета других переменных, и этот процесс пересчета повторяется до тех пор, пока не будет достигнута цель каждого этапа. В последнее время моноатомные слои, такие как слои атомно-слоевого осаждения (ALD), стали тоньше и тверже. Поэтому технология травления движется в сторону использования низких температур и давлений. Процесс травления направлен на контроль критического размера (CD) для создания тонких рисунков и предотвращения проблем, вызванных процессом травления, особенно недостаточного травления и проблем, связанных с удалением остатков. Две вышеупомянутые статьи о травлении призваны дать читателям понимание цели процесса травления, препятствий на пути достижения вышеуказанных целей и показателей эффективности, используемых для преодоления таких препятствий.
Время публикации: 10 сентября 2024 г.