กระบวนการแกะสลักลวดลายสารกึ่งตัวนำ

การกัดแบบเปียกตั้งแต่เนิ่นๆ ช่วยส่งเสริมการพัฒนากระบวนการทำความสะอาดหรือการขัดขี้เถ้า ปัจจุบัน การกัดแบบแห้งโดยใช้พลาสมากลายเป็นกระแสหลักกระบวนการแกะสลัก- พลาสมาประกอบด้วยอิเล็กตรอน แคตไอออน และอนุมูล พลังงานที่จ่ายให้กับพลาสมาจะทำให้อิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของก๊าซต้นทางที่อยู่ในสถานะเป็นกลางถูกดึงออกไป ดังนั้นจึงเปลี่ยนอิเล็กตรอนเหล่านี้ให้เป็นแคตไอออน

นอกจากนี้ อะตอมที่ไม่สมบูรณ์ในโมเลกุลสามารถถูกกำจัดออกได้โดยการใช้พลังงานเพื่อสร้างอนุมูลที่เป็นกลางทางไฟฟ้า การกัดแบบแห้งใช้แคตไอออนและอนุมูลที่ประกอบเป็นพลาสมา โดยที่แคตไอออนเป็นแบบแอนไอโซโทรปิก (เหมาะสำหรับการกัดในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง) และอนุมูลคือแบบไอโซโทรปิก (เหมาะสำหรับการกัดในทุกทิศทาง) จำนวนรากมากกว่าจำนวนแคตไอออนมาก ในกรณีนี้ การกัดแบบแห้งควรเป็นแบบไอโซโทรปิกเหมือนกับการกัดแบบเปียก

อย่างไรก็ตาม การแกะสลักแบบแอนไอโซทรอปิกของการกัดแบบแห้งทำให้วงจรขนาดเล็กมากเป็นไปได้ เหตุผลนี้คืออะไร? นอกจากนี้ความเร็วในการกัดของแคตไอออนและอนุมูลยังช้ามาก แล้วเราจะใช้วิธีการแกะสลักด้วยพลาสมากับการผลิตจำนวนมากเมื่อเผชิญกับข้อบกพร่องนี้ได้อย่างไร

 

1. อัตราส่วนภาพ (A/R)

 

รูปที่ 1 แนวคิดเรื่องอัตราส่วนภาพและผลกระทบของความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี

 

อัตราส่วนภาพคืออัตราส่วนของความกว้างแนวนอนต่อความสูงแนวตั้ง (เช่น ความสูงหารด้วยความกว้าง) ยิ่งขนาดวิกฤต (CD) ของวงจรมีขนาดเล็กลง ค่าอัตราส่วนกว้างยาวก็จะยิ่งมากขึ้น กล่าวคือ สมมติว่าค่าอัตราส่วนภาพเป็น 10 และความกว้าง 10 นาโนเมตร ความสูงของรูที่เจาะระหว่างกระบวนการแกะสลักควรเป็น 100 นาโนเมตร ดังนั้น สำหรับผลิตภัณฑ์ยุคต่อไปที่ต้องการการทำให้มีขนาดเล็กลงเป็นพิเศษ (2D) หรือมีความหนาแน่นสูง (3D) จึงจำเป็นต้องมีค่าอัตราส่วนภาพที่สูงมากเพื่อให้แน่ใจว่าแคตไอออนสามารถทะลุผ่านฟิล์มด้านล่างได้ในระหว่างการกัด

 

เพื่อให้บรรลุถึงเทคโนโลยีการทำให้เล็กลงเป็นพิเศษด้วยขนาดวิกฤตที่น้อยกว่า 10 นาโนเมตรในผลิตภัณฑ์ 2 มิติ ค่าอัตราส่วนภาพของตัวเก็บประจุของ Dynamic Random Access Memory (DRAM) ควรคงไว้สูงกว่า 100 เช่นเดียวกัน หน่วยความจำแฟลช 3D NAND ยังต้องการค่าอัตราส่วนภาพที่สูงกว่า ​​เพื่อซ้อนชั้นเซลล์ซ้อนตั้งแต่ 256 ชั้นขึ้นไป แม้ว่าจะตรงตามเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับกระบวนการอื่นๆ แต่ผลิตภัณฑ์ที่จำเป็นก็ไม่สามารถผลิตได้หากกระบวนการแกะสลักไม่ได้มาตรฐาน นี่คือเหตุผลว่าทำไมเทคโนโลยีการแกะสลักจึงมีความสำคัญมากขึ้น

 

2. ภาพรวมของการแกะสลักด้วยพลาสมา

 

รูปที่ 2 การกำหนดก๊าซจากแหล่งพลาสมาตามประเภทของฟิล์ม

 

เมื่อใช้ท่อกลวง เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อยิ่งแคบ ของเหลวจะเข้าไปได้ง่ายขึ้น ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์เส้นเลือดฝอย อย่างไรก็ตาม หากต้องเจาะรู (ปลายปิด) ในพื้นที่โล่ง การป้อนของเหลวจะค่อนข้างยาก ดังนั้น เนื่องจากขนาดวิกฤติของวงจรคือ 3um ถึง 5um ในช่วงกลางทศวรรษ 1970 จึงแห้งการแกะสลักได้ค่อยๆ เข้ามาแทนที่การกัดแบบเปียกเป็นกระแสหลัก กล่าวคือ ถึงแม้จะแตกตัวเป็นไอออน แต่ก็เจาะหลุมลึกได้ง่ายกว่า เนื่องจากปริมาตรของโมเลกุลเดี่ยวมีขนาดเล็กกว่าปริมาตรของโมเลกุลสารละลายโพลีเมอร์อินทรีย์

ในระหว่างการกัดด้วยพลาสมา ควรปรับด้านในของห้องประมวลผลที่ใช้สำหรับการกัดให้เป็นสุญญากาศก่อนที่จะฉีดก๊าซจากแหล่งพลาสมาที่เหมาะกับชั้นที่เกี่ยวข้อง เมื่อทำการกัดฟิล์มโซลิดออกไซด์ ควรใช้ก๊าซแหล่งกำเนิดที่มีคาร์บอนฟลูออไรด์เข้มข้นกว่า สำหรับฟิล์มซิลิคอนหรือโลหะที่ค่อนข้างอ่อนแอ ควรใช้ก๊าซจากแหล่งกำเนิดพลาสมาที่มีคลอรีน

แล้วชั้นเกตและชั้นฉนวนซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) ที่อยู่เบื้องล่างควรถูกแกะสลักอย่างไร

ขั้นแรก สำหรับชั้นเกต ควรกำจัดซิลิคอนออกโดยใช้พลาสมาที่มีคลอรีนเป็นส่วนประกอบ (ซิลิคอน + คลอรีน) พร้อมความสามารถในการแกะสลักด้วยโพลีซิลิคอน สำหรับชั้นฉนวนด้านล่าง ควรแกะสลักฟิล์มซิลิคอนไดออกไซด์เป็นสองขั้นตอนโดยใช้ก๊าซจากแหล่งพลาสมาที่มีคาร์บอนฟลูออไรด์ (ซิลิคอนไดออกไซด์ + คาร์บอนเตตราฟลูออไรด์) ที่มีคุณสมบัติในการกัดเซาะและประสิทธิภาพที่ดีกว่า

 

3. กระบวนการกัดกรดปฏิกิริยา (RIE หรือการกัดเคมีกายภาพ)

 

รูปที่ 3 ข้อดีของการกัดกรดปฏิกิริยา (แอนไอโซโทรปีและอัตราการกัดสูง)

 

พลาสมามีทั้งอนุมูลอิสระแบบไอโซโทรปิกและแคตไอออนแบบแอนไอโซทรอปิก ดังนั้นพลาสมาจึงทำการกัดแบบแอนไอโซทรอปิกได้อย่างไร

การกัดกรดแบบแห้งด้วยพลาสมาส่วนใหญ่ดำเนินการโดยการกัดกรดปฏิกิริยา (RIE, การกัดไอออนปฏิกิริยา) หรือการใช้งานที่ใช้วิธีนี้ แกนหลักของวิธี RIE คือการลดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเป้าหมายในภาพยนตร์โดยการโจมตีบริเวณกัดด้วยแคตไอออนแบบแอนไอโซทรอปิก บริเวณที่อ่อนแรงจะถูกดูดซับโดยอนุมูลอิสระ รวมกับอนุภาคที่ประกอบเป็นชั้น เปลี่ยนสภาพเป็นก๊าซ (สารประกอบระเหย) แล้วปล่อยออกมา

แม้ว่าอนุมูลอิสระจะมีลักษณะไอโซโทรปิก แต่โมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นพื้นผิวด้านล่าง (ซึ่งแรงยึดเหนี่ยวลดลงจากการโจมตีของแคตไอออน) จะถูกอนุมูลอิสระจับได้ง่ายกว่าและเปลี่ยนเป็นสารประกอบใหม่ได้ง่ายกว่าผนังด้านข้างที่มีแรงยึดเกาะสูง ดังนั้นการแกะสลักด้านล่างจึงกลายเป็นกระแสหลัก อนุภาคที่จับได้จะกลายเป็นก๊าซที่มีอนุมูลอิสระ ซึ่งถูกดูดซับและปล่อยออกมาจากพื้นผิวภายใต้การกระทำของสุญญากาศ

 

ในเวลานี้ ไอออนบวกที่ได้จากการกระทำทางกายภาพและอนุมูลอิสระที่ได้จากการกระทำทางเคมีจะรวมกันสำหรับการกัดทางกายภาพและทางเคมี และอัตราการกัดกรด (อัตราการกัดกรด ระดับของการกัดกรดในช่วงเวลาหนึ่ง) จะเพิ่มขึ้น 10 เท่า เมื่อเทียบกับกรณีของการกัดด้วยประจุบวกหรือการกัดด้วยอนุมูลอิสระเพียงอย่างเดียว วิธีการนี้ไม่เพียงเพิ่มอัตราการแกะสลักของการกัดแบบแอนไอโซทรอปิกลงเท่านั้น แต่ยังช่วยแก้ปัญหาสารตกค้างของโพลีเมอร์หลังจากการกัดด้วย วิธีนี้เรียกว่าการแกะสลักไอออนปฏิกิริยา (RIE) กุญแจสู่ความสำเร็จของการกัด RIE คือการค้นหาก๊าซจากแหล่งพลาสมาที่เหมาะสมสำหรับการกัดฟิล์ม หมายเหตุ: การกัดด้วยพลาสมาคือการกัดแบบ RIE และทั้งสองอย่างนี้ถือได้ว่าเป็นแนวคิดเดียวกัน

 

4. อัตราการจำหลักและดัชนีประสิทธิภาพหลัก

 

รูปที่ 4 ดัชนีประสิทธิภาพการกัดหลักที่เกี่ยวข้องกับอัตราการกัด

 

อัตราการกัดเซาะหมายถึงความลึกของฟิล์มที่คาดว่าจะถึงในหนึ่งนาที แล้วอัตราการกัดกรดจะแตกต่างกันไปในแต่ละส่วนบนเวเฟอร์เดียวหมายความว่าอย่างไร

ซึ่งหมายความว่าความลึกของการกัดจะแตกต่างกันไปในแต่ละส่วนบนแผ่นเวเฟอร์ ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องกำหนดจุดสิ้นสุด (EOP) ซึ่งการกัดควรหยุดโดยพิจารณาจากอัตราการกัดโดยเฉลี่ยและความลึกของการกัด แม้ว่าจะมีการตั้งค่า EOP ไว้ แต่ก็ยังมีบางพื้นที่ที่ความลึกของการกัดลึก (การกัดมากเกินไป) หรือตื้นกว่า (การกัดน้อยเกินไป) มากกว่าที่วางแผนไว้ในตอนแรก อย่างไรก็ตาม การกัดน้อยเกินไปทำให้เกิดความเสียหายมากกว่าการกัดมากเกินไปในระหว่างการกัด เพราะในกรณีของการกัดด้านล่าง ส่วนที่กัดด้านล่างจะขัดขวางกระบวนการที่ตามมา เช่น การฝังไอออน

ในขณะเดียวกัน การเลือก (วัดโดยอัตราการกัด) เป็นตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพหลักของกระบวนการกัด มาตรฐานการวัดจะขึ้นอยู่กับการเปรียบเทียบอัตราการกัดกรดของชั้นหน้ากาก (ฟิล์มโฟโตรีซิส ฟิล์มออกไซด์ ฟิล์มซิลิคอนไนไตรด์ ฯลฯ) และชั้นเป้าหมาย ซึ่งหมายความว่ายิ่งหัวกะทิยิ่งสูงเท่าไร ชั้นเป้าหมายก็จะถูกแกะสลักเร็วขึ้นเท่านั้น ยิ่งระดับการย่อขนาดสูงขึ้นเท่าใด ข้อกำหนดในการคัดเลือกก็จะยิ่งสูงขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่าจะสามารถนำเสนอรูปแบบที่ละเอียดได้อย่างสมบูรณ์แบบ เนื่องจากทิศทางการกัดเป็นเส้นตรง การเลือกของการกัดด้วยประจุบวกจึงต่ำ ในขณะที่ความสามารถในการกัดแบบรุนแรงจะสูง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการเลือกของ RIE

 

5. กระบวนการแกะสลัก

 

รูปที่ 5 กระบวนการแกะสลัก

 

ขั้นแรก วางเวเฟอร์ไว้ในเตาออกซิเดชันโดยมีอุณหภูมิคงอยู่ระหว่าง 800 ถึง 1,000°C จากนั้นจึงเกิดฟิล์มซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) ที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวนสูงบนพื้นผิวของเวเฟอร์โดยวิธีแห้ง จากนั้น กระบวนการตกตะกอนจะถูกป้อนเพื่อสร้างชั้นซิลิคอนหรือชั้นสื่อกระแสไฟฟ้าบนฟิล์มออกไซด์โดยการสะสมไอสารเคมี (CVD)/การสะสมไอทางกายภาพ (PVD) หากมีชั้นซิลิคอนเกิดขึ้น ก็สามารถดำเนินการกระบวนการแพร่สิ่งเจือปนเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าได้หากจำเป็น ในระหว่างกระบวนการแพร่สิ่งเจือปน มักเติมสิ่งเจือปนหลายรายการซ้ำๆ

ในเวลานี้ ควรรวมชั้นฉนวนและชั้นโพลีซิลิคอนเข้าด้วยกันเพื่อการแกะสลัก ขั้นแรกจะใช้เครื่องฉายแสง ต่อจากนั้น หน้ากากจะถูกวางบนฟิล์มโฟโตรีซิสต์ และเปิดรับแสงแบบเปียกโดยการจุ่มเพื่อพิมพ์ลวดลายที่ต้องการ (มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า) บนฟิล์มโฟโตรีซิสต์ เมื่อการพัฒนาเผยให้เห็นโครงร่างของรูปแบบ ตัวต้านทานแสงในบริเวณที่ไวต่อแสงจะถูกลบออก จากนั้น แผ่นเวเฟอร์ที่ประมวลผลโดยกระบวนการโฟโตลิโทกราฟีจะถูกถ่ายโอนไปยังกระบวนการกัดเพื่อการกัดแบบแห้ง

การกัดแบบแห้งส่วนใหญ่ดำเนินการโดยการกัดด้วยไอออนปฏิกิริยา (RIE) ซึ่งการกัดแบบซ้ำจะดำเนินการโดยการเปลี่ยนก๊าซต้นทางที่เหมาะสมสำหรับฟิล์มแต่ละชิ้น การกัดแบบแห้งและการกัดแบบเปียกมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มอัตราส่วนภาพ (ค่า A/R) ของการกัด นอกจากนี้ จำเป็นต้องทำความสะอาดเป็นประจำเพื่อกำจัดโพลีเมอร์ที่สะสมอยู่ที่ด้านล่างของรู (ช่องว่างที่เกิดจากการกัดเซาะ) จุดสำคัญคือควรปรับตัวแปรทั้งหมด (เช่น วัสดุ ก๊าซต้นทาง เวลา รูปแบบ และลำดับ) เพื่อให้แน่ใจว่าสารละลายทำความสะอาดหรือก๊าซจากแหล่งพลาสมาสามารถไหลลงไปที่ด้านล่างของร่องลึกได้ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในตัวแปรจำเป็นต้องมีการคำนวณตัวแปรอื่นๆ ใหม่ และกระบวนการคำนวณใหม่นี้จะถูกทำซ้ำจนกว่าจะบรรลุวัตถุประสงค์ของแต่ละขั้นตอน เมื่อเร็ว ๆ นี้ ชั้นที่มีอะตอมเดี่ยว เช่น ชั้นอะตอมมิกเลเยอร์สะสม (ALD) ได้กลายเป็นชั้นที่บางลงและแข็งขึ้น ดังนั้นเทคโนโลยีการแกะสลักจึงมุ่งไปสู่การใช้อุณหภูมิและความดันต่ำ กระบวนการกัดมีจุดมุ่งหมายเพื่อควบคุมมิติวิกฤติ (CD) เพื่อสร้างรูปแบบที่ละเอียด และช่วยให้แน่ใจว่าปัญหาที่เกิดจากกระบวนการกัดจะหลีกเลี่ยงได้ โดยเฉพาะการกัดน้อยเกินไปและปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการกำจัดสิ่งตกค้าง บทความสองบทความข้างต้นเกี่ยวกับการแกะสลักมีจุดมุ่งหมายเพื่อให้ผู้อ่านเข้าใจถึงวัตถุประสงค์ของกระบวนการแกะสลัก อุปสรรคในการบรรลุเป้าหมายข้างต้น และตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่ใช้ในการเอาชนะอุปสรรคดังกล่าว