Раннє вологе травлення сприяло розвитку процесів очищення або озолення. Сьогодні сухе травлення за допомогою плазми стало мейнстрімомпроцес травлення. Плазма складається з електронів, катіонів і радикалів. Енергія, прикладена до плазми, призводить до того, що крайні електрони вихідного газу в нейтральному стані відриваються, таким чином перетворюючи ці електрони на катіони.
Крім того, недосконалі атоми в молекулах можуть бути видалені шляхом застосування енергії для утворення електрично нейтральних радикалів. Сухе травлення використовує катіони та радикали, які утворюють плазму, де катіони анізотропні (придатні для травлення в певному напрямку), а радикали є ізотропними (придатні для травлення в усіх напрямках). Число радикалів набагато більше, ніж число катіонів. У цьому випадку сухе травлення має бути ізотропним, як і вологе травлення.
Однак саме анізотропне травлення сухого травлення робить можливими ультрамініатюрні схеми. У чому причина цього? Крім того, швидкість травлення катіонів і радикалів дуже повільна. Отже, як ми можемо застосувати методи плазмового травлення до масового виробництва, незважаючи на цей недолік?
1. Співвідношення сторін (A/R)
Малюнок 1. Поняття про співвідношення сторін і вплив на нього технічного прогресу
Співвідношення сторін — це відношення ширини по горизонталі до висоти по вертикалі (тобто висота поділена на ширину). Чим менший критичний розмір (CD) схеми, тим більше значення співвідношення сторін. Тобто, припускаючи значення співвідношення сторін 10 і ширину 10 нм, висота отвору, просвердленого під час процесу травлення, повинна становити 100 нм. Таким чином, для продуктів наступного покоління, які вимагають ультрамініатюризації (2D) або високої щільності (3D), необхідні надзвичайно високі значення співвідношення сторін, щоб забезпечити можливість проникнення катіонів через нижню плівку під час травлення.
Щоб досягти технології надмініатюризації з критичним розміром менше 10 нм у 2D-продуктах, значення співвідношення сторін конденсатора динамічної пам’яті з довільним доступом (DRAM) має підтримуватися вище 100. Подібним чином флеш-пам’ять 3D NAND також вимагає вищих значень співвідношення сторін щоб укласти 256 шарів або більше шарів укладання клітинок. Навіть якщо умови, необхідні для інших процесів, виконуються, необхідні продукти не можуть бути виготовлені, якщопроцес травленняне відповідає стандартам. Ось чому технологія травлення стає все більш важливою.
2. Огляд плазмового травлення
Рисунок 2. Визначення газу джерела плазми за типом плівки
Коли використовується порожниста труба, чим вужчий діаметр труби, тим легше всередину рідини, що є так званим капілярним явищем. Однак, якщо отвір (закритий кінець) потрібно просвердлити у відкритій зоні, введення рідини стає досить складним. Тому, оскільки в середині 1970-х критичний розмір схеми був від 3 мкм до 5 мкм, сухатравленняпоступово замінив вологе травлення як основний напрям. Тобто, незважаючи на іонізацію, легше проникнути в глибокі отвори, оскільки об’єм однієї молекули менший, ніж об’єм молекули розчину органічного полімеру.
Під час плазмового травлення внутрішню частину робочої камери, яка використовується для травлення, слід відрегулювати до стану вакууму перед введенням газу джерела плазми, придатного для відповідного шару. Під час травлення твердих оксидних плівок слід використовувати сильніші вихідні гази на основі фтористого вуглецю. Для відносно слабких кремнієвих або металевих плівок слід використовувати плазмові гази на основі хлору.
Отже, як слід протравлювати затворний шар і нижній ізоляційний шар із діоксиду кремнію (SiO2)?
По-перше, для затворного шару слід видалити кремній за допомогою плазми на основі хлору (кремній + хлор) із селективністю травлення полікремнію. Для нижнього ізоляційного шару плівку діоксиду кремнію слід протравлювати в два етапи за допомогою плазмового газу на основі фтористого вуглецю (діоксид кремнію + тетрафторид вуглецю) з більшою селективністю та ефективністю травлення.
3. Процес реактивного іонного травлення (RIE або фізико-хімічне травлення).
Рисунок 3. Переваги реактивного іонного травлення (анізотропія та висока швидкість травлення)
Плазма містить як ізотропні вільні радикали, так і анізотропні катіони, тож як вона виконує анізотропне травлення?
Сухе плазмове травлення в основному виконується за допомогою реактивного іонного травлення (RIE, Reactive Ion Etching) або застосувань на основі цього методу. Основою методу RIE є послаблення сили зв’язку між цільовими молекулами в плівці шляхом впливу на зону травлення анізотропними катіонами. Ослаблена ділянка поглинається вільними радикалами, поєднується з частинками, що утворюють шар, перетворюється на газ (летку сполуку) і вивільняється.
Незважаючи на те, що вільні радикали мають ізотропні характеристики, молекули, що утворюють нижню поверхню (сила зв’язування яких послаблюється під впливом атаки катіонів), легше захоплюються вільними радикалами та перетворюються на нові сполуки, ніж бічні стінки з сильною силою зв’язування. Тому травлення вниз стає мейнстрімом. Захоплені частинки стають газом з вільними радикалами, які десорбуються і вивільняються з поверхні під дією вакууму.
У цей час катіони, отримані фізичною дією, і вільні радикали, отримані хімічною дією, поєднуються для фізичного та хімічного травлення, а швидкість травлення (Etch Rate, ступінь травлення за певний період часу) збільшується в 10 разів. порівняно з випадком катіонного травлення або вільнорадикального травлення. Цей метод може не тільки збільшити швидкість травлення анізотропного травлення вниз, але й вирішити проблему залишків полімеру після травлення. Цей метод називається реактивним іонним травленням (RIE). Ключ до успіху травлення RIE полягає в тому, щоб знайти вихідний газ плазми, придатний для травлення плівки. Примітка: плазмове травлення – це травлення RIE, і ці два можна розглядати як одну концепцію.
4. Швидкість травлення та індекс продуктивності ядра
Малюнок 4. Індекс продуктивності Core Etch, пов’язаний зі швидкістю травлення
Швидкість травлення означає глибину плівки, яку очікують за одну хвилину. Отже, що означає, що швидкість травлення змінюється від частини до частини на одній пластині?
Це означає, що глибина травлення змінюється від частини до частини пластини. З цієї причини дуже важливо встановити кінцеву точку (EOP), де має зупинитися травлення, враховуючи середню швидкість травлення та глибину травлення. Навіть якщо EOP встановлено, все ще є деякі ділянки, де глибина травлення глибша (перетравлення) або менша (недотравлення), ніж спочатку планувалося. Однак недостатнє травлення завдає більшої шкоди, ніж надмірне травлення під час травлення. Тому що у випадку недотравлення, недотравлена частина буде перешкоджати наступним процесам, таким як іонна імплантація.
Тим часом селективність (вимірюється швидкістю травлення) є ключовим показником ефективності процесу травлення. Стандарт вимірювання базується на порівнянні швидкості травлення шару маски (плівки фоторезисту, плівки оксиду, плівки нітриду кремнію тощо) і цільового шару. Це означає, що чим вище селективність, тим швидше витравлюється цільовий шар. Чим вищий рівень мініатюризації, тим вище вимога до вибірковості, щоб гарантувати ідеальне представлення тонких візерунків. Оскільки напрямок травлення є прямим, селективність катіонного травлення низька, тоді як селективність радикального травлення висока, що покращує селективність RIE.
5. Процес травлення
Малюнок 5. Процес травлення
Спочатку пластина поміщається в піч окислення з температурою, що підтримується між 800 і 1000 ℃, а потім на поверхні пластини сухим способом формується плівка діоксиду кремнію (SiO2) з високими ізоляційними властивостями. Далі починається процес осадження для формування шару кремнію або провідного шару на оксидній плівці шляхом хімічного осадження з парової фази (CVD)/фізичного осадження з парової фази (PVD). Якщо утворюється кремнієвий шар, можна виконати процес дифузії домішок для збільшення провідності, якщо це необхідно. Під час процесу дифузії домішок численні домішки часто додаються неодноразово.
У цей час ізоляційний шар і шар полікремнію повинні бути об’єднані для травлення. Спочатку використовується фоторезист. Згодом на фоторезистну плівку накладається маска та виконується волога експозиція шляхом занурення, щоб надрукувати бажаний малюнок (невидимий неозброєним оком) на фоторезистній плівці. Коли при прояві виявляється контур візерунка, фоторезист у світлочутливій зоні видаляється. Потім пластина, оброблена процесом фотолітографії, передається на процес травлення для сухого травлення.
Сухе травлення в основному здійснюється шляхом реактивного іонного травлення (RIE), при якому травлення повторюється в основному шляхом заміни вихідного газу, придатного для кожної плівки. І сухе, і вологе травлення мають на меті збільшити співвідношення сторін (значення A/R) травлення. Крім того, необхідна регулярна чистка для видалення полімеру, накопиченого на дні отвору (зазор, утворений травленням). Важливим моментом є те, що всі змінні (такі як матеріали, вихідний газ, час, форма та послідовність) повинні бути скориговані органічно, щоб гарантувати, що очисний розчин або вихідний газ плазми можуть стікати на дно траншеї. Незначна зміна змінної потребує повторного обчислення інших змінних, і цей процес повторного обчислення повторюється, доки він не досягне мети кожного етапу. Останнім часом моноатомні шари, такі як шари атомно-шарового осадження (ALD), стали тоншими та твердішими. Тому технологія травлення рухається в бік використання низьких температур і тиску. Процес травлення має на меті контролювати критичний розмір (CD) для створення тонких візерунків і гарантувати уникнення проблем, спричинених процесом травлення, особливо недостатнього травлення та проблем, пов’язаних із видаленням залишків. Наведені вище дві статті про травлення спрямовані на те, щоб надати читачам розуміння мети процесу травлення, перешкод для досягнення вищезазначених цілей та показників ефективності, які використовуються для подолання таких перешкод.
Час публікації: 10 вересня 2024 р