Khắc ướt sớm đã thúc đẩy sự phát triển của quá trình làm sạch hoặc tro hóa. Ngày nay, khắc khô sử dụng plasma đã trở thành xu hướng chủ đạoquá trình khắc. Plasma bao gồm các electron, cation và các gốc tự do. Năng lượng cung cấp cho plasma làm cho các electron ngoài cùng của khí nguồn ở trạng thái trung tính bị tách ra, từ đó chuyển đổi các electron này thành cation.
Ngoài ra, các nguyên tử không hoàn hảo trong phân tử có thể bị loại bỏ bằng cách sử dụng năng lượng để tạo thành các gốc trung hòa điện. Khắc khô sử dụng cation và gốc tạo nên plasma, trong đó cation là dị hướng (thích hợp để khắc theo một hướng nhất định) và gốc là đẳng hướng (thích hợp để khắc theo mọi hướng). Số lượng gốc lớn hơn nhiều so với số lượng cation. Trong trường hợp này, khắc khô phải đẳng hướng như khắc ướt.
Tuy nhiên, chính phương pháp ăn mòn dị hướng của phương pháp ăn mòn khô đã tạo ra các mạch siêu thu nhỏ. Lý do cho điều này là gì? Ngoài ra, tốc độ ăn mòn của cation và gốc tự do rất chậm. Vậy làm thế nào chúng ta có thể áp dụng phương pháp khắc plasma vào sản xuất hàng loạt trước nhược điểm này?
1. Tỷ lệ khung hình (A/R)
Hình 1. Khái niệm về tỷ lệ khung hình và tác động của tiến bộ công nghệ đối với nó
Tỷ lệ khung hình là tỷ lệ giữa chiều rộng ngang và chiều cao dọc (tức là chiều cao chia cho chiều rộng). Kích thước tới hạn (CD) của mạch càng nhỏ thì giá trị tỷ lệ khung hình càng lớn. Nghĩa là, giả sử giá trị tỷ lệ khung hình là 10 và chiều rộng là 10nm, chiều cao của lỗ được khoan trong quá trình ăn mòn phải là 100nm. Do đó, đối với các sản phẩm thế hệ tiếp theo yêu cầu siêu thu nhỏ (2D) hoặc mật độ cao (3D), cần có giá trị tỷ lệ khung hình cực cao để đảm bảo rằng các cation có thể xuyên qua màng đáy trong quá trình ăn mòn.
Để đạt được công nghệ siêu thu nhỏ có kích thước tới hạn dưới 10nm trong các sản phẩm 2D, giá trị tỷ lệ khung hình tụ điện của bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) phải được duy trì trên 100. Tương tự, bộ nhớ flash 3D NAND cũng yêu cầu giá trị tỷ lệ khung hình cao hơn để xếp chồng 256 lớp hoặc nhiều hơn các lớp xếp chồng ô. Ngay cả khi các điều kiện cần thiết cho các quy trình khác được đáp ứng thì các sản phẩm được yêu cầu cũng không thể được sản xuất nếuquá trình khắckhông đạt tiêu chuẩn. Đây là lý do tại sao công nghệ khắc ngày càng trở nên quan trọng.
2. Tổng quan về khắc plasma
Hình 2. Xác định khí nguồn plasma theo loại màng
Khi sử dụng ống rỗng, đường kính ống càng hẹp thì chất lỏng càng dễ đi vào, gọi là hiện tượng mao dẫn. Tuy nhiên, nếu khoan một lỗ (đầu kín) ở khu vực lộ thiên thì việc đưa chất lỏng vào sẽ trở nên khá khó khăn. Do đó, vì kích thước tới hạn của mạch là 3um đến 5um vào giữa những năm 1970, khôkhắcđã dần dần thay thế phương pháp khắc ướt thành xu hướng chủ đạo. Nghĩa là, mặc dù bị ion hóa nhưng việc xâm nhập vào các lỗ sâu sẽ dễ dàng hơn vì thể tích của một phân tử đơn lẻ nhỏ hơn thể tích của phân tử dung dịch polymer hữu cơ.
Trong quá trình khắc plasma, bên trong buồng xử lý được sử dụng để khắc phải được điều chỉnh về trạng thái chân không trước khi bơm khí nguồn plasma thích hợp cho lớp liên quan. Khi khắc màng oxit rắn, nên sử dụng khí nguồn gốc cacbon florua mạnh hơn. Đối với màng silicon hoặc kim loại tương đối yếu, nên sử dụng khí nguồn plasma gốc clo.
Vậy lớp cổng và lớp cách điện silicon dioxide (SiO2) bên dưới nên được khắc như thế nào?
Đầu tiên, đối với lớp cổng, silicon nên được loại bỏ bằng cách sử dụng plasma gốc clo (silicon + clo) có tính chọn lọc khắc polysilicon. Đối với lớp cách nhiệt phía dưới, màng silicon dioxide phải được khắc theo hai bước bằng cách sử dụng khí nguồn plasma gốc carbon florua (silicon dioxide + carbon tetrafluoride) với tính chọn lọc và hiệu quả khắc mạnh hơn.
3. Quá trình khắc ion phản ứng (RIE hay khắc hóa lý)
Hình 3. Ưu điểm của phương pháp ăn mòn ion phản ứng (bất đẳng hướng và tốc độ ăn mòn cao)
Huyết tương chứa cả gốc tự do đẳng hướng và cation dị hướng, vậy nó thực hiện ăn mòn dị hướng như thế nào?
Khắc khô bằng plasma chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp khắc ion phản ứng (RIE, Reactive Ion Etching) hoặc các ứng dụng dựa trên phương pháp này. Cốt lõi của phương pháp RIE là làm suy yếu lực liên kết giữa các phân tử mục tiêu trong màng bằng cách tấn công vùng ăn mòn bằng các cation dị hướng. Vùng bị suy yếu được hấp thụ bởi các gốc tự do, kết hợp với các hạt tạo nên lớp đó, chuyển hóa thành khí (một hợp chất dễ bay hơi) và giải phóng.
Mặc dù các gốc tự do có đặc tính đẳng hướng, nhưng các phân tử tạo nên bề mặt đáy (có lực liên kết bị suy yếu do sự tấn công của các cation) dễ bị các gốc tự do bắt giữ và chuyển đổi thành hợp chất mới hơn so với các vách bên có lực liên kết mạnh. Vì vậy, khắc xuống trở thành xu hướng chủ đạo. Các hạt bị giữ lại trở thành khí với các gốc tự do, được giải hấp và giải phóng khỏi bề mặt dưới tác động của chân không.
Tại thời điểm này, các cation thu được bằng tác động vật lý và các gốc tự do thu được bằng tác động hóa học được kết hợp để ăn mòn vật lý và hóa học, và tốc độ ăn mòn (Tốc độ ăn mòn, mức độ ăn mòn trong một khoảng thời gian nhất định) tăng lên 10 lần so với trường hợp ăn mòn cation hoặc ăn mòn gốc tự do đơn thuần. Phương pháp này không chỉ có thể làm tăng tốc độ ăn mòn của quá trình ăn mòn hướng xuống bất đẳng hướng mà còn giải quyết được vấn đề cặn polyme sau khi ăn mòn. Phương pháp này được gọi là khắc ion phản ứng (RIE). Chìa khóa thành công của phương pháp khắc axit RIE là tìm ra nguồn khí plasma phù hợp để khắc phim. Lưu ý: Khắc plasma là khắc RIE và cả hai có thể được coi là cùng một khái niệm.
4. Tỷ lệ Etch và Chỉ số hiệu suất cốt lõi
Hình 4. Chỉ số hiệu suất Etch cốt lõi liên quan đến tỷ lệ Etch
Tốc độ khắc đề cập đến độ sâu của phim dự kiến sẽ đạt được trong một phút. Vậy tốc độ ăn mòn thay đổi từ bộ phận này sang bộ phận khác trên một tấm bán dẫn có nghĩa là gì?
Điều này có nghĩa là độ sâu khắc thay đổi từ phần này sang phần khác trên tấm bán dẫn. Vì lý do này, điều rất quan trọng là phải đặt điểm cuối (EOP) nơi quá trình ăn mòn sẽ dừng lại bằng cách xem xét tốc độ ăn mòn trung bình và độ sâu ăn mòn. Ngay cả khi EOP được đặt, vẫn có một số khu vực có độ sâu ăn mòn sâu hơn (ăn mòn quá mức) hoặc nông hơn (ăn mòn kém) so với kế hoạch ban đầu. Tuy nhiên, việc khắc kém gây ra nhiều thiệt hại hơn so với việc khắc quá nhiều trong quá trình khắc. Vì trong trường hợp under-etching, phần chưa được khắc sẽ cản trở các quá trình tiếp theo như cấy ion.
Trong khi đó, độ chọn lọc (được đo bằng tốc độ ăn mòn) là chỉ số hiệu suất chính của quá trình ăn mòn. Tiêu chuẩn đo lường dựa trên việc so sánh tốc độ ăn mòn của lớp mặt nạ (màng cản quang, màng oxit, màng silicon nitride, v.v.) và lớp mục tiêu. Điều này có nghĩa là độ chọn lọc càng cao thì lớp mục tiêu được khắc càng nhanh. Mức độ thu nhỏ càng cao thì yêu cầu về tính chọn lọc càng cao để đảm bảo rằng các mẫu đẹp có thể được trình bày một cách hoàn hảo. Do hướng ăn mòn thẳng nên độ chọn lọc của quá trình ăn mòn cation thấp, trong khi độ chọn lọc của quá trình ăn mòn triệt để cao, giúp cải thiện tính chọn lọc của RIE.
5. Quá trình khắc
Hình 5. Quá trình khắc
Đầu tiên, tấm bán dẫn được đặt trong lò oxy hóa với nhiệt độ duy trì trong khoảng từ 800 đến 1000oC, sau đó một màng silicon dioxide (SiO2) có đặc tính cách nhiệt cao được hình thành trên bề mặt tấm bán dẫn bằng phương pháp khô. Tiếp theo, quá trình lắng đọng được thực hiện để tạo thành lớp silicon hoặc lớp dẫn điện trên màng oxit bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)/lắng đọng hơi vật lý (PVD). Nếu lớp silicon được hình thành, quá trình khuếch tán tạp chất có thể được thực hiện để tăng độ dẫn điện nếu cần thiết. Trong quá trình khuếch tán tạp chất, nhiều tạp chất thường được thêm vào nhiều lần.
Lúc này, nên kết hợp lớp cách điện và lớp polysilicon để khắc. Đầu tiên, một chất quang dẫn được sử dụng. Sau đó, một mặt nạ được đặt trên màng cản quang và quá trình phơi sáng ướt được thực hiện bằng cách ngâm để in mẫu mong muốn (mắt thường không thể nhìn thấy) trên màng cản quang. Khi đường viền của mẫu được bộc lộ trong quá trình phát triển, chất quang dẫn trong vùng cảm quang sẽ bị loại bỏ. Sau đó, tấm bán dẫn được xử lý bằng quy trình quang khắc được chuyển sang quy trình khắc axit để khắc khô.
Quá trình ăn mòn khô chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp ăn mòn ion phản ứng (RIE), trong đó quá trình ăn mòn được lặp lại chủ yếu bằng cách thay thế nguồn khí phù hợp cho từng màng. Cả khắc khô và khắc ướt đều nhằm mục đích tăng tỷ lệ khung hình (giá trị A/R) của khắc. Ngoài ra, cần phải vệ sinh thường xuyên để loại bỏ polyme tích tụ ở đáy lỗ (khe hở hình thành do khắc). Điểm quan trọng là tất cả các biến số (chẳng hạn như vật liệu, nguồn khí, thời gian, hình thức và trình tự) phải được điều chỉnh một cách hữu cơ để đảm bảo rằng dung dịch làm sạch hoặc khí nguồn plasma có thể chảy xuống đáy rãnh. Một sự thay đổi nhỏ của một biến đòi hỏi phải tính toán lại các biến khác và quá trình tính toán lại này được lặp lại cho đến khi đáp ứng được mục đích của từng giai đoạn. Gần đây, các lớp đơn nguyên tử như lớp lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) đã trở nên mỏng hơn và cứng hơn. Do đó, công nghệ khắc đang hướng tới việc sử dụng nhiệt độ và áp suất thấp. Quá trình khắc nhằm mục đích kiểm soát kích thước tới hạn (CD) để tạo ra các mẫu đẹp và đảm bảo tránh được các vấn đề do quá trình khắc gây ra, đặc biệt là khắc chưa đủ và các vấn đề liên quan đến loại bỏ cặn. Hai bài viết về khắc trên nhằm mục đích cung cấp cho người đọc sự hiểu biết về mục đích của quá trình khắc, những trở ngại để đạt được các mục tiêu trên và các chỉ số hiệu suất được sử dụng để vượt qua những trở ngại đó.
Thời gian đăng: Sep-10-2024