Tidig våtetsning främjade utvecklingen av rengörings- eller askningsprocesser. Idag har torretsning med plasma blivit mainstreametsningsprocess. Plasma består av elektroner, katjoner och radikaler. Energin som appliceras på plasman gör att källgasens yttersta elektroner i neutralt tillstånd avlägsnas och därigenom omvandlar dessa elektroner till katjoner.
Dessutom kan ofullkomliga atomer i molekyler tas bort genom att applicera energi för att bilda elektriskt neutrala radikaler. Torretsning använder katjoner och radikaler som utgör plasma, där katjoner är anisotropa (lämpliga för etsning i en viss riktning) och radikaler är isotropa (lämpliga för etsning i alla riktningar). Antalet radikaler är mycket större än antalet katjoner. I detta fall bör torretsning vara isotrop som våtetsning.
Det är dock den anisotropiska etsningen av torretsning som gör ultraminiatyriserade kretsar möjliga. Vad är anledningen till detta? Dessutom är etsningshastigheten för katjoner och radikaler mycket långsam. Så hur kan vi tillämpa plasmaetsningsmetoder på massproduktion inför denna brist?
1. Bildförhållande (A/R)
Figur 1. Begreppet bildförhållande och inverkan av tekniska framsteg på det
Bildförhållande är förhållandet mellan horisontell bredd och vertikal höjd (dvs höjd dividerat med bredd). Ju mindre den kritiska dimensionen (CD) av kretsen är, desto större bildförhållande. Det vill säga, om man antar ett bildförhållandevärde på 10 och en bredd på 10 nm, bör höjden på hålet som borras under etsningsprocessen vara 100 nm. För nästa generations produkter som kräver ultraminiatyrisering (2D) eller hög densitet (3D) krävs därför extremt höga bildförhållandevärden för att säkerställa att katjoner kan penetrera bottenfilmen under etsning.
För att uppnå ultraminiatyriseringsteknik med en kritisk dimension på mindre än 10nm i 2D-produkter, bör kondensatorns bildförhållandevärde för dynamiskt direktminne (DRAM) hållas över 100. På samma sätt kräver 3D NAND-flashminne också högre bildförhållandevärden för att stapla 256 lager eller fler av cellstaplingslager. Även om de villkor som krävs för andra processer är uppfyllda, kan de erforderliga produkterna inte produceras ometsningsprocessär inte upp till standard. Det är därför etsningstekniken blir allt viktigare.
2. Översikt över plasmaetsning
Figur 2. Bestämning av plasmakällgas enligt filmtyp
När ett ihåligt rör används, ju smalare rördiametern är, desto lättare är det för vätska att komma in, vilket är det så kallade kapillärfenomenet. Men om ett hål (sluten ände) ska borras i det exponerade området, blir tillförseln av vätskan ganska svår. Därför, eftersom den kritiska storleken på kretsen var 3um till 5um i mitten av 1970-talet, torretsninghar gradvis ersatt våtetsning som mainstream. Det vill säga, även om det är joniserat är det lättare att penetrera djupa hål eftersom volymen av en enskild molekyl är mindre än den för en organisk polymerlösningsmolekyl.
Under plasmaetsning bör det inre av bearbetningskammaren som används för etsning justeras till ett vakuumtillstånd innan plasmakällgasen som är lämplig för det relevanta skiktet injiceras. Vid etsning av fasta oxidfilmer bör starkare kolfluoridbaserade källgaser användas. För relativt svaga kisel- eller metallfilmer bör klorbaserade plasmakällgaser användas.
Så, hur ska grindskiktet och det underliggande isoleringsskiktet av kiseldioxid (SiO2) etsas?
Först, för grindskiktet, bör kisel avlägsnas med en klorbaserad plasma (kisel + klor) med polykiseletsningsselektivitet. För det undre isoleringsskiktet bör kiseldioxidfilmen etsas i två steg med en kolfluoridbaserad plasmakällgas (kiseldioxid + koltetrafluorid) med starkare etsningsselektivitet och effektivitet.
3. Reaktiv jonetsningsprocess (RIE eller fysikalisk-kemisk etsning).
Figur 3. Fördelar med reaktiv jonetsning (anisotropi och hög etsningshastighet)
Plasma innehåller både isotropa fria radikaler och anisotropa katjoner, så hur utför det anisotropisk etsning?
Plasma torretsning utförs huvudsakligen genom reaktiv jonetsning (RIE, Reactive Ion Etching) eller tillämpningar baserade på denna metod. Kärnan i RIE-metoden är att försvaga bindningskraften mellan målmolekyler i filmen genom att attackera etsområdet med anisotropa katjoner. Det försvagade området absorberas av fria radikaler, kombinerat med partiklarna som utgör lagret, omvandlas till gas (en flyktig förening) och frigörs.
Även om fria radikaler har isotropa egenskaper, fångas molekyler som utgör bottenytan (vars bindningskraft försvagas av angrepp av katjoner) lättare upp av fria radikaler och omvandlas till nya föreningar än sidoväggar med stark bindningskraft. Därför blir nedåtgående etsning mainstream. De fångade partiklarna blir gas med fria radikaler, som desorberas och frigörs från ytan under inverkan av vakuum.
Vid denna tidpunkt kombineras katjonerna som erhålls genom fysisk verkan och de fria radikalerna som erhålls genom kemisk verkan för fysisk och kemisk etsning, och etsningshastigheten (Etch Rate, graden av etsning under en viss tidsperiod) ökas med 10 gånger jämfört med fallet med katjonisk etsning eller enbart friradikaletsning. Denna metod kan inte bara öka etsningshastigheten för anisotropisk etsning nedåt, utan också lösa problemet med polymerrester efter etsning. Denna metod kallas reaktiv jonetsning (RIE). Nyckeln till framgången med RIE-etsning är att hitta en plasmakällgas som är lämplig för etsning av filmen. Obs: Plasmaetsning är RIE-etsning, och de två kan betraktas som samma koncept.
4. Etsningshastighet och kärnprestandaindex
Figur 4. Core Etch Performance Index relaterat till Etch Rate
Etsningshastigheten hänvisar till filmdjupet som förväntas nås på en minut. Så vad betyder det att etsningshastigheten varierar från del till del på en enda wafer?
Det betyder att etsdjupet varierar från del till del på wafern. Av denna anledning är det mycket viktigt att ställa in slutpunkten (EOP) där etsningen ska sluta genom att ta hänsyn till den genomsnittliga etshastigheten och etsdjupet. Även om EOP är inställd finns det fortfarande vissa områden där etsdjupet är djupare (överetsat) eller grundare (underetsat) än vad som ursprungligen planerats. Underetsning orsakar dock mer skada än överetsning vid etsning. För i fallet med underetsning kommer den underetsade delen att hindra efterföljande processer såsom jonimplantation.
Samtidigt är selektivitet (mätt med etsningshastighet) en nyckelprestandaindikator för etsningsprocessen. Mätstandarden är baserad på jämförelsen av etsningshastigheten för maskskiktet (fotoresistfilm, oxidfilm, kiselnitridfilm, etc.) och målskiktet. Detta betyder att ju högre selektivitet, desto snabbare etsas målskiktet. Ju högre nivå av miniatyrisering, desto högre selektivitetskrav är för att säkerställa att fina mönster kan presenteras perfekt. Eftersom etsningsriktningen är rak, är selektiviteten för katjonisk etsning låg, medan selektiviteten för radikaletsning är hög, vilket förbättrar selektiviteten för RIE.
5. Etsningsprocess
Figur 5. Etsningsprocess
Först placeras skivan i en oxidationsugn med en temperatur som hålls mellan 800 och 1000 ℃, och sedan bildas en kiseldioxidfilm (SiO2) med höga isoleringsegenskaper på ytan av skivan med en torr metod. Därefter inleds avsättningsprocessen för att bilda ett kiselskikt eller ett ledande skikt på oxidfilmen genom kemisk ångavsättning (CVD)/fysisk ångavsättning (PVD). Om ett kiselskikt bildas kan en föroreningsdiffusionsprocess utföras för att vid behov öka konduktiviteten. Under föroreningsdiffusionsprocessen tillsätts ofta flera föroreningar upprepade gånger.
Vid denna tidpunkt bör isoleringsskiktet och polykiselskiktet kombineras för etsning. Först används en fotoresist. Därefter placeras en mask på fotoresistfilmen och våtexponering utförs genom nedsänkning för att trycka det önskade mönstret (osynligt för blotta ögat) på fotoresistfilmen. När mönsterkonturen avslöjas genom framkallning avlägsnas fotoresisten i det ljuskänsliga området. Därefter överförs skivan som bearbetats genom fotolitografiprocessen till etsningsprocessen för torretsning.
Torretsning utförs huvudsakligen genom reaktiv jonetsning (RIE), där etsningen upprepas huvudsakligen genom att ersätta källgasen som är lämplig för varje film. Både torretsning och våtetsning syftar till att öka bildförhållandet (A/R-värde) för etsningen. Dessutom krävs regelbunden rengöring för att avlägsna polymeren som ackumulerats i botten av hålet (gapet som bildas genom etsning). Det viktiga är att alla variabler (såsom material, källgas, tid, form och sekvens) bör justeras organiskt för att säkerställa att rengöringslösningen eller plasmakällgasen kan rinna ner till botten av diket. En liten förändring i en variabel kräver omräkning av andra variabler, och denna omräkningsprocess upprepas tills den uppfyller syftet med varje steg. På senare tid har monoatomiska skikt som atomic layer deposition (ALD)-skikt blivit tunnare och hårdare. Därför går etsningstekniken mot användningen av låga temperaturer och tryck. Etsningsprocessen syftar till att kontrollera den kritiska dimensionen (CD) för att producera fina mönster och säkerställa att problem som orsakas av etsningsprocessen undviks, särskilt underetsning och problem relaterade till borttagning av rester. Ovanstående två artiklar om etsning syftar till att ge läsarna en förståelse för syftet med etsningsprocessen, hindren för att uppnå ovanstående mål och de resultatindikatorer som används för att övervinna sådana hinder.
Posttid: 2024-09-10