ساهم الحفر الرطب المبكر في تطوير عمليات التنظيف أو التذرية. أما اليوم، فقد أصبح الحفر الجاف باستخدام البلازما هو السائد.عملية النقشتتكون البلازما من إلكترونات وكاتيونات وجذور. تُؤدي الطاقة المُطبقة على البلازما إلى نزع الإلكترونات الخارجية من غاز المصدر، وهي في حالة محايدة، مما يُحوّل هذه الإلكترونات إلى كاتيونات.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن إزالة الذرات غير الكاملة في الجزيئات باستخدام الطاقة لتكوين جذور متعادلة كهربائيًا. يستخدم النقش الجاف الكاتيونات والجذور التي تُكوّن البلازما، حيث تكون الكاتيونات متباينة الخواص (مناسبة للنقش في اتجاه معين) والجذور متساوية الخواص (مناسبة للنقش في جميع الاتجاهات). عدد الجذور أكبر بكثير من عدد الكاتيونات. في هذه الحالة، يجب أن يكون النقش الجاف متساوي الخواص مثل النقش الرطب.
ومع ذلك، فإن النقش الجاف المتباين الخواص هو ما يُمكّن من إنتاج دوائر فائقة التصغير. ما السبب؟ بالإضافة إلى ذلك، فإن سرعة نقش الكاتيونات والجذور بطيئة جدًا. فكيف يُمكننا إذًا تطبيق أساليب النقش البلازمي في الإنتاج الضخم في ظل هذا النقص؟
1. نسبة العرض إلى الارتفاع (A/R)
الشكل 1. مفهوم نسبة العرض إلى الارتفاع وتأثير التقدم التكنولوجي عليه
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. أي، بافتراض أن قيمة نسبة العرض إلى الارتفاع 10 وعرض 10 نانومتر، يجب أن يكون ارتفاع الثقب المثقوب أثناء عملية النقش 100 نانومتر. لذلك، بالنسبة لمنتجات الجيل التالي التي تتطلب تصغيرًا فائقًا (ثنائي الأبعاد) أو كثافة عالية (ثلاثية الأبعاد)، يلزم استخدام قيم نسبة عرض إلى ارتفاع عالية للغاية لضمان اختراق الكاتيونات للطبقة السفلية أثناء النقش.
لتحقيق تقنية تصغير فائق بأبعاد حرجة أقل من 10 نانومتر في المنتجات ثنائية الأبعاد، يجب الحفاظ على نسبة عرض إلى ارتفاع مكثف ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) فوق 100. وبالمثل، تتطلب ذاكرة فلاش NAND ثلاثية الأبعاد أيضًا نسب عرض إلى ارتفاع أعلى لتكديس 256 طبقة أو أكثر من طبقات تكديس الخلايا. حتى مع استيفاء الشروط اللازمة لعمليات أخرى، لا يمكن إنتاج المنتجات المطلوبة إذا...عملية النقشلا يرقى إلى المستوى المطلوب. لهذا السبب تتزايد أهمية تقنية الحفر.
2. نظرة عامة على النقش البلازمي
الشكل 2. تحديد غاز مصدر البلازما وفقًا لنوع الفيلم
عند استخدام أنبوب مجوف، كلما كان قطر الأنبوب أضيق، كان دخول السائل أسهل، وهو ما يُسمى بالظاهرة الشعرية. ومع ذلك، إذا حُفر ثقب (طرف مغلق) في المنطقة المكشوفة، يُصبح دخول السائل صعبًا للغاية. لذلك، بما أن الحجم الحرج للدائرة كان يتراوح بين 3 و5 ميكرومتر في منتصف سبعينيات القرن الماضي، فإن...النقشحلّت تدريجيًا محلّ الحفر الرطب كطريقة رئيسية. أي أنه على الرغم من تأينه، إلا أنه أسهل في اختراق الثقوب العميقة لأن حجم الجزيء الواحد أصغر من حجم جزيء محلول بوليمر عضوي.
أثناء النقش البلازمي، يجب ضبط الجزء الداخلي من حجرة المعالجة المُستخدمة في النقش على حالة فراغ قبل حقن غاز مصدر البلازما المناسب للطبقة المعنية. عند نقش أغشية الأكسيد الصلب، يجب استخدام غازات مصدر أقوى قائمة على فلوريد الكربون. أما بالنسبة لأغشية السيليكون أو المعدن الضعيفة نسبيًا، فيجب استخدام غازات مصدر البلازما القائمة على الكلور.
إذن، كيف ينبغي نقش طبقة البوابة وطبقة العزل الأساسية المكونة من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)؟
أولاً، بالنسبة لطبقة البوابة، يجب إزالة السيليكون باستخدام بلازما قائمة على الكلور (سيليكون + كلور) مع انتقائية حفر بولي سيليكون. بالنسبة للطبقة العازلة السفلية، يجب حفر طبقة ثاني أكسيد السيليكون على خطوتين باستخدام غاز مصدر بلازما قائم على فلوريد الكربون (ثاني أكسيد السيليكون + رباعي فلوريد الكربون) مع انتقائية حفر وفعالية أكبر.
3. عملية الحفر الأيوني التفاعلي (RIE أو الحفر الفيزيائي الكيميائي)
الشكل 3. مزايا النقش الأيوني التفاعلي (التباين ومعدل النقش العالي)
يحتوي البلازما على كل من الجذور الحرة المتساوية الخواص والكاتيونات المتباينة الخواص، فكيف يقوم بالحفر المتباين الخواص؟
يُجرى النقش الجاف بالبلازما بشكل رئيسي عن طريق النقش الأيوني التفاعلي (RIE) أو التطبيقات المعتمدة على هذه الطريقة. يتمثل جوهر طريقة النقش الأيوني التفاعلي في إضعاف قوة الارتباط بين الجزيئات المستهدفة في الغشاء عن طريق مهاجمة منطقة النقش بكاتيونات متباينة الخواص. تمتص الجذور الحرة المنطقة الضعيفة، وتتحد مع الجسيمات التي تُكوّن الطبقة، فتحوّلها إلى غاز (مركب متطاير)، ثم تُطلق.
على الرغم من أن الجذور الحرة تتميز بخصائص متساوية الخواص، إلا أن الجزيئات التي تُشكل السطح السفلي (الذي تُضعف قوة ارتباطه بفعل الكاتيونات) تُلتقط بسهولة أكبر بواسطة الجذور الحرة وتُحول إلى مركبات جديدة مقارنةً بالجدران الجانبية ذات قوة الارتباط القوية. لذلك، يُصبح النقش الهابط هو السائد. تتحول الجسيمات الملتقطة إلى غازات مع الجذور الحرة، التي تُمتص وتُطلق من السطح بفعل الفراغ.
في هذا الوقت، يتم الجمع بين الكاتيونات التي يتم الحصول عليها عن طريق العمل الفيزيائي والجذور الحرة التي يتم الحصول عليها عن طريق العمل الكيميائي للنقش الفيزيائي والكيميائي، ويزداد معدل النقش (معدل النقش، درجة النقش في فترة زمنية معينة) بمقدار 10 مرات مقارنة بحالة النقش الكاتيوني أو النقش الجذري الحر وحده. لا يمكن لهذه الطريقة زيادة معدل النقش للنقش الهابط متباين الخواص فحسب، بل تحل أيضًا مشكلة بقايا البوليمر بعد النقش. تسمى هذه الطريقة النقش الأيوني التفاعلي (RIE). يكمن مفتاح نجاح نقش RIE في إيجاد غاز مصدر بلازما مناسب لنقش الفيلم. ملاحظة: النقش البلازمي هو نقش RIE، ويمكن اعتبار الاثنين نفس المفهوم.
4. معدل النقش ومؤشر أداء النواة
الشكل 4. مؤشر أداء النقش الأساسي المرتبط بمعدل النقش
يشير معدل النقش إلى عمق الفيلم المتوقع الوصول إليه في دقيقة واحدة. فما معنى اختلاف معدل النقش من جزء لآخر على رقاقة واحدة؟
هذا يعني أن عمق الحفر يختلف من جزء لآخر على الرقاقة. لذلك، من المهم جدًا تحديد نقطة النهاية (EOP) التي يجب أن يتوقف عندها الحفر، وذلك بمراعاة متوسط معدل الحفر وعمقه. حتى مع تحديد نقطة النهاية، لا تزال هناك بعض المناطق التي يكون فيها عمق الحفر أعمق (حفر زائد) أو أضحل (حفر ناقص) مما هو مخطط له في الأصل. ومع ذلك، فإن الحفر الناقص يسبب ضررًا أكبر من الحفر الزائد أثناء الحفر. لأنه في حالة الحفر الناقص، سيعيق الجزء الناقص عمليات لاحقة مثل زرع الأيونات.
في الوقت نفسه، تُعدّ الانتقائية (التي تُقاس بمعدل النقش) مؤشرًا رئيسيًا لأداء عملية النقش. يعتمد معيار القياس على مقارنة معدل نقش طبقة القناع (فيلم مقاوم للضوء، فيلم أكسيد، فيلم نيتريد السيليكون، إلخ) وطبقة الهدف. هذا يعني أنه كلما زادت الانتقائية، زادت سرعة نقش طبقة الهدف. كلما ارتفع مستوى التصغير، زادت متطلبات الانتقائية لضمان عرض الأنماط الدقيقة بشكل مثالي. نظرًا لأن اتجاه النقش مستقيم، تكون انتقائية النقش الكاتيوني منخفضة، بينما تكون انتقائية النقش الجذري عالية، مما يُحسّن انتقائية النقش RIE.
5. عملية النقش
الشكل 5. عملية النقش
أولاً، تُوضع الرقاقة في فرن أكسدة بدرجة حرارة تتراوح بين 800 و1000 درجة مئوية، ثم تُشكّل طبقة من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) ذات خصائص عزل عالية على سطح الرقاقة بطريقة جافة. بعد ذلك، تُجرى عملية الترسيب لتكوين طبقة سيليكون أو طبقة موصلة على طبقة الأكسيد بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)/الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD). في حال تشكل طبقة سيليكون، يُمكن إجراء عملية انتشار الشوائب لزيادة الموصلية عند الحاجة. خلال عملية انتشار الشوائب، غالبًا ما تُضاف شوائب متعددة بشكل متكرر.
في هذه المرحلة، يجب دمج طبقة العزل مع طبقة البولي سيليكون للحفر. أولًا، يُستخدم مُقاوم ضوئي. بعد ذلك، يُوضع قناع على فيلم المُقاوم الضوئي، ويُجرى تعريض رطب بالغمر لطباعة النمط المطلوب (غير مرئي للعين المجردة) على فيلم المُقاوم الضوئي. عندما يظهر شكل النمط بالتعرض، يُزال مُقاوم الضوء من المنطقة الحساسة للضوء. بعد ذلك، تُنقل الرقاقة المُعالجة بتقنية الطباعة الضوئية إلى عملية الحفر الجاف.
يُجرى الحفر الجاف بشكل أساسي باستخدام الحفر الأيوني التفاعلي (RIE)، حيث يُكرر الحفر بشكل رئيسي عن طريق استبدال غاز المصدر المناسب لكل غشاء. يهدف كلٌّ من الحفر الجاف والحفر الرطب إلى زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع (قيمة A/R) للحفر. بالإضافة إلى ذلك، يلزم التنظيف المنتظم لإزالة البوليمر المتراكم في قاع الحفرة (الفجوة التي يتشكلها الحفر). النقطة المهمة هي أنه يجب تعديل جميع المتغيرات (مثل المواد، وغاز المصدر، والوقت، والشكل، والتسلسل) عضويًا لضمان تدفق محلول التنظيف أو غاز مصدر البلازما إلى قاع الخندق. يتطلب التغيير الطفيف في أحد المتغيرات إعادة حساب المتغيرات الأخرى، وتتكرر عملية إعادة الحساب هذه حتى تحقق الغرض من كل مرحلة. في الآونة الأخيرة، أصبحت الطبقات أحادية الذرة، مثل طبقات ترسيب الطبقة الذرية (ALD)، أرق وأكثر صلابة. لذلك، تتجه تقنية الحفر نحو استخدام درجات حرارة وضغوط منخفضة. تهدف عملية الحفر إلى التحكم في البعد الحرج (CD) لإنتاج أنماط دقيقة، وضمان تجنب المشاكل الناتجة عنها، وخاصةً الحفر الناقص والمشاكل المتعلقة بإزالة الرواسب. تهدف المقالتان المذكورتان أعلاه حول الحفر إلى تزويد القراء بفهمٍ لهدف عملية الحفر، والعقبات التي تحول دون تحقيقها، ومؤشرات الأداء المستخدمة للتغلب عليها.
وقت النشر: ١٠ سبتمبر ٢٠٢٤