عملية تشكيل أنماط أشباه الموصلات - الحفر

ساهمت عمليات الحفر الرطب المبكرة في تطوير عمليات التنظيف أو إزالة الرماد. أما اليوم، فقد أصبح الحفر الجاف باستخدام البلازما هو الأسلوب السائد.عملية الحفرتتكون البلازما من إلكترونات وأيونات موجبة وجذور حرة. الطاقة المطبقة على البلازما تتسبب في تجريد الإلكترونات الخارجية للغاز المصدر في حالة متعادلة، مما يحول هذه الإلكترونات إلى أيونات موجبة.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن إزالة الذرات غير الكاملة في الجزيئات بتطبيق طاقة لتكوين جذور حرة متعادلة كهربائيًا. يستخدم الحفر الجاف الكاتيونات والجذور الحرة التي تُكوّن البلازما، حيث تكون الكاتيونات غير متناحية الخواص (مناسبة للحفر في اتجاه معين) بينما تكون الجذور الحرة متناحية الخواص (مناسبة للحفر في جميع الاتجاهات). عدد الجذور الحرة أكبر بكثير من عدد الكاتيونات. في هذه الحالة، يجب أن يكون الحفر الجاف متناحيًا مثل الحفر الرطب.

مع ذلك، فإنّ الحفر غير المتناحي في الحفر الجاف هو ما يُتيح تصنيع الدوائر فائقة الصغر. ما السبب في ذلك؟ إضافةً إلى ذلك، فإنّ سرعة حفر الكاتيونات والجذور بطيئة للغاية. فكيف يُمكننا تطبيق أساليب حفر البلازما في الإنتاج الضخم في ظلّ هذا القصور؟

 

 

1. نسبة العرض إلى الارتفاع (A/R)

 

الشكل 1. مفهوم نسبة العرض إلى الارتفاع وتأثير التقدم التكنولوجي عليها

 

نسبة العرض إلى الارتفاع هي نسبة العرض الأفقي إلى الارتفاع الرأسي (أي الارتفاع مقسومًا على العرض). كلما صغر البعد الحرج (CD) للدائرة، زادت قيمة نسبة العرض إلى الارتفاع. على سبيل المثال، بافتراض قيمة نسبة عرض إلى ارتفاع تبلغ 10 وعرض 10 نانومتر، يجب أن يكون ارتفاع الثقب المحفور أثناء عملية الحفر 100 نانومتر. لذلك، بالنسبة لمنتجات الجيل القادم التي تتطلب تصغيرًا فائقًا (ثنائي الأبعاد) أو كثافة عالية (ثلاثية الأبعاد)، يلزم قيم عالية للغاية لنسبة العرض إلى الارتفاع لضمان قدرة الكاتيونات على اختراق الطبقة السفلية أثناء الحفر.

 

لتحقيق تقنية التصغير الفائق بأبعاد حرجة أقل من 10 نانومتر في المنتجات ثنائية الأبعاد، يجب الحفاظ على نسبة أبعاد المكثف في ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) أعلى من 100. وبالمثل، تتطلب ذاكرة فلاش NAND ثلاثية الأبعاد نسب أبعاد أعلى لتكديس 256 طبقة أو أكثر من طبقات تكديس الخلايا. حتى في حال استيفاء الشروط المطلوبة للعمليات الأخرى، لا يمكن إنتاج المنتجات المطلوبة إذا...عملية الحفرلا يرقى إلى المستوى المطلوب. ولهذا السبب أصبحت تقنية الحفر ذات أهمية متزايدة.

 

 

2. لمحة عامة عن الحفر بالبلازما

 

الشكل 2. تحديد غاز مصدر البلازما وفقًا لنوع الفيلم

 

عند استخدام أنبوب مجوف، كلما قل قطر الأنبوب، سهُل دخول السائل إليه، وهي الظاهرة المعروفة باسم الخاصية الشعرية. مع ذلك، إذا تم حفر ثقب (طرف مغلق) في المنطقة المكشوفة، يصبح دخول السائل صعبًا للغاية. لذلك، ولأن الحجم الحرج للدائرة كان يتراوح بين 3 و5 ميكرومتر في منتصف سبعينيات القرن الماضي، فقد تم استخدام أنابيب جافة.النقشحلت تقنية الحفر الرطب تدريجياً محل تقنية الحفر التقليدية لتصبح التقنية السائدة. أي أنه على الرغم من تأينها، إلا أنه من الأسهل اختراق الثقوب العميقة لأن حجم الجزيء الواحد أصغر من حجم جزيء محلول البوليمر العضوي.

أثناء عملية الحفر بالبلازما، يجب ضبط حجرة المعالجة المستخدمة للحفر على حالة فراغ قبل حقن غاز مصدر البلازما المناسب للطبقة المعنية. عند حفر أغشية الأكسيد الصلبة، يُنصح باستخدام غازات مصدر بلازما أقوى تعتمد على فلوريد الكربون. أما بالنسبة لأغشية السيليكون أو المعادن الأضعف نسبيًا، فيُنصح باستخدام غازات مصدر بلازما تعتمد على الكلور.

إذن، كيف ينبغي حفر طبقة البوابة وطبقة العزل الأساسية من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)؟

أولًا، بالنسبة لطبقة البوابة، يجب إزالة السيليكون باستخدام بلازما أساسها الكلور (سيليكون + كلور) ذات انتقائية عالية في حفر البولي سيليكون. أما بالنسبة للطبقة العازلة السفلية، فيجب حفر طبقة ثاني أكسيد السيليكون على مرحلتين باستخدام غاز مصدر بلازما أساسه فلوريد الكربون (ثاني أكسيد السيليكون + رابع فلوريد الكربون) ذي انتقائية وفعالية حفر أعلى.

 

 

3. عملية الحفر الأيوني التفاعلي (RIE أو الحفر الفيزيائي الكيميائي)

 

الشكل 3. مزايا الحفر الأيوني التفاعلي (التباين ومعدل الحفر العالي)

 

تحتوي البلازما على كل من الجذور الحرة المتناحية والكاتيونات غير المتناحية، فكيف تقوم بعملية الحفر غير المتناحي؟

تُجرى عملية الحفر الجاف بالبلازما بشكل أساسي باستخدام تقنية الحفر الأيوني التفاعلي (RIE) أو تطبيقات تعتمد على هذه الطريقة. وتقوم فكرة تقنية RIE على إضعاف قوة الترابط بين جزيئات الهدف في الطبقة الرقيقة عن طريق مهاجمة منطقة الحفر بأيونات موجبة غير متناحية. تمتص الجذور الحرة المنطقة المُضعفة، وتتحد مع الجزيئات المكونة للطبقة، لتتحول إلى غاز (مركب متطاير) ثم تُطلق.

على الرغم من أن الجذور الحرة تتمتع بخصائص متجانسة، إلا أن الجزيئات المكونة للسطح السفلي (التي تضعف قوة ارتباطها بفعل هجوم الكاتيونات) تُلتقط بسهولة أكبر بواسطة الجذور الحرة وتتحول إلى مركبات جديدة مقارنةً بالجدران الجانبية ذات قوة الارتباط القوية. ولذلك، أصبح الحفر الهابط هو الأسلوب السائد. تتحول الجسيمات الملتقطة إلى غاز يحتوي على جذور حرة، والتي تُمتص وتُطلق من السطح بفعل الفراغ.

 

في هذه المرحلة، تُدمج الكاتيونات الناتجة عن التفاعل الفيزيائي مع الجذور الحرة الناتجة عن التفاعل الكيميائي لإجراء عملية حفر فيزيائية وكيميائية، مما يزيد معدل الحفر (معدل الحفر، أي درجة الحفر خلال فترة زمنية محددة) بمقدار عشرة أضعاف مقارنةً بالحفر الكاتيوني أو الحفر بالجذور الحرة منفردين. لا تقتصر فوائد هذه الطريقة على زيادة معدل الحفر غير المتناحي للأسفل فحسب، بل تُسهم أيضًا في حل مشكلة بقايا البوليمر بعد الحفر. تُعرف هذه الطريقة باسم الحفر الأيوني التفاعلي (RIE). يكمن سر نجاح الحفر الأيوني التفاعلي في اختيار غاز مصدر بلازما مناسب لحفر الطبقة الرقيقة. ملاحظة: يُعد الحفر بالبلازما نوعًا من الحفر الأيوني التفاعلي، ويمكن اعتبارهما متطابقين في المفهوم.

 

 

4. معدل الحفر ومؤشر أداء القلب

 

الشكل 4. مؤشر أداء الحفر الأساسي المتعلق بمعدل الحفر

 

يشير معدل الحفر إلى عمق الطبقة المتوقع الوصول إليه في دقيقة واحدة. فماذا يعني أن معدل الحفر يختلف من جزء لآخر على رقاقة واحدة؟

هذا يعني أن عمق الحفر يختلف من جزء لآخر على الرقاقة. ولذلك، من المهم جدًا تحديد نقطة نهاية الحفر (EOP) التي يجب أن يتوقف عندها الحفر، مع مراعاة متوسط ​​معدل الحفر وعمقه. حتى بعد تحديد نقطة نهاية الحفر، قد تظل هناك مناطق يكون فيها عمق الحفر أكبر (حفر زائد) أو أقل (حفر ناقص) مما هو مخطط له أصلاً. مع ذلك، يُسبب الحفر الناقص ضررًا أكبر من الحفر الزائد أثناء عملية الحفر، لأنه في حالة الحفر الناقص، يُعيق الجزء المحفور بشكل ناقص العمليات اللاحقة، مثل زرع الأيونات.

في الوقت نفسه، تُعدّ الانتقائية (المقاسة بمعدل الحفر) مؤشر أداء رئيسي لعملية الحفر. يعتمد معيار القياس على مقارنة معدل حفر طبقة القناع (طبقة مقاومة الضوء، طبقة الأكسيد، طبقة نتريد السيليكون، إلخ) مع الطبقة المستهدفة. وهذا يعني أنه كلما زادت الانتقائية، زادت سرعة حفر الطبقة المستهدفة. وكلما زاد مستوى التصغير، زادت متطلبات الانتقائية لضمان عرض الأنماط الدقيقة بدقة متناهية. ولأن اتجاه الحفر مستقيم، تكون انتقائية الحفر الكاتيوني منخفضة، بينما تكون انتقائية الحفر الجذري عالية، مما يُحسّن انتقائية الحفر التفاعلي الأيوني (RIE).

 

 

5. عملية الحفر

 

الشكل 5. عملية الحفر

 

أولًا، توضع الرقاقة في فرن أكسدة بدرجة حرارة تتراوح بين 800 و1000 درجة مئوية، ثم يُشكّل غشاء من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) ذو خصائص عزل عالية على سطح الرقاقة باستخدام طريقة جافة. بعد ذلك، تبدأ عملية الترسيب لتشكيل طبقة من السيليكون أو طبقة موصلة على غشاء الأكسيد باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) أو الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD). في حال تشكّل طبقة من السيليكون، يمكن إجراء عملية نشر الشوائب لزيادة الموصلية عند الحاجة. خلال عملية نشر الشوائب، تُضاف شوائب متعددة بشكل متكرر.

في هذه المرحلة، يجب دمج الطبقة العازلة وطبقة البولي سيليكون لعملية الحفر. أولًا، يُستخدم مُقاوم ضوئي. بعد ذلك، تُوضع قناع على طبقة المُقاوم الضوئي، ويُجرى تعريض رطب عن طريق الغمر لطباعة النمط المطلوب (غير المرئي للعين المجردة) على طبقة المُقاوم الضوئي. عند ظهور حدود النمط بعد التحميض، يُزال المُقاوم الضوئي من المنطقة الحساسة للضوء. ثم تُنقل الرقاقة المُعالجة بعملية الطباعة الضوئية إلى عملية الحفر الجاف.

تُجرى عملية الحفر الجاف بشكل أساسي باستخدام تقنية الحفر الأيوني التفاعلي (RIE)، حيث تُكرر عملية الحفر بتغيير غاز المصدر المناسب لكل طبقة. ويهدف كل من الحفر الجاف والحفر الرطب إلى زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع (A/R) للحفر. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب الأمر تنظيفًا دوريًا لإزالة البوليمر المتراكم في قاع الثقب (الفجوة الناتجة عن الحفر). ومن المهم ضبط جميع المتغيرات (مثل المواد، وغاز المصدر، والوقت، والشكل، والتسلسل) بشكل متناسق لضمان تدفق محلول التنظيف أو غاز مصدر البلازما إلى قاع الخندق. أي تغيير طفيف في أحد المتغيرات يستدعي إعادة حساب المتغيرات الأخرى، وتُكرر هذه العملية حتى تُحقق الغرض من كل مرحلة. في الآونة الأخيرة، أصبحت الطبقات أحادية الذرة، مثل طبقات الترسيب الذري الطبقي (ALD)، أرق وأكثر صلابة. لذلك، تتجه تقنية الحفر نحو استخدام درجات حرارة وضغوط منخفضة. تهدف عملية الحفر إلى التحكم في البُعد الحرج لإنتاج أنماط دقيقة، وضمان تجنب المشاكل الناجمة عنها، لا سيما الحفر غير الكامل ومشاكل إزالة المخلفات. وتهدف المقالتان السابقتان حول الحفر إلى تزويد القراء بفهمٍ لغرض هذه العملية، والعقبات التي تحول دون تحقيق أهدافها، ومؤشرات الأداء المستخدمة للتغلب على هذه العقبات.