Das frühe Nassätzen förderte die Entwicklung von Reinigungs- oder Veraschungsprozessen. Heute ist das Trockenätzen mit Plasma die gängige Methode.ÄtzprozessPlasma besteht aus Elektronen, Kationen und Radikalen. Durch die dem Plasma zugeführte Energie werden die äußersten Elektronen des neutralen Quellgases abgetrennt und in Kationen umgewandelt.
Darüber hinaus können fehlerhafte Atome in Molekülen durch Energiezufuhr zur Bildung elektrisch neutraler Radikale entfernt werden. Beim Trockenätzen werden Kationen und Radikale verwendet, die ein Plasma bilden. Kationen sind anisotrop (geeignet zum Ätzen in eine bestimmte Richtung) und Radikale isotrop (geeignet zum Ätzen in alle Richtungen). Die Anzahl der Radikale ist deutlich größer als die Anzahl der Kationen. In diesem Fall sollte das Trockenätzen wie das Nassätzen isotrop sein.
Allerdings ermöglicht erst das anisotrope Ätzen des Trockenätzverfahrens die Herstellung ultraminiaturisierter Schaltkreise. Was ist der Grund dafür? Zudem ist die Ätzgeschwindigkeit von Kationen und Radikalen sehr gering. Wie können wir also Plasmaätzverfahren trotz dieses Mankos in der Massenproduktion einsetzen?
1. Seitenverhältnis (A/R)
Abbildung 1. Das Konzept des Seitenverhältnisses und die Auswirkungen des technologischen Fortschritts darauf
Das Aspektverhältnis ist das Verhältnis von horizontaler Breite zu vertikaler Höhe (d. h. Höhe geteilt durch Breite). Je kleiner die kritische Abmessung (CD) der Schaltung, desto größer das Aspektverhältnis. Das heißt, bei einem angenommenen Aspektverhältnis von 10 und einer Breite von 10 nm sollte die Höhe des beim Ätzen gebohrten Lochs 100 nm betragen. Daher sind für Produkte der nächsten Generation, die Ultraminiaturisierung (2D) oder hohe Dichte (3D) erfordern, extrem hohe Aspektverhältnisse erforderlich, um sicherzustellen, dass Kationen beim Ätzen in die untere Schicht eindringen können.
Um Ultraminiaturisierungstechnologie mit einer kritischen Dimension von weniger als 10 nm in 2D-Produkten zu erreichen, sollte das Kondensator-Seitenverhältnis des dynamischen Direktzugriffsspeichers (DRAM) über 100 gehalten werden. Auch 3D-NAND-Flash-Speicher benötigen höhere Seitenverhältnisse, um 256 oder mehr Zellstapelschichten zu stapeln. Selbst wenn die für andere Prozesse erforderlichen Bedingungen erfüllt sind, können die gewünschten Produkte nicht hergestellt werden, wennÄtzprozessentspricht nicht dem Standard. Deshalb gewinnt die Ätztechnologie zunehmend an Bedeutung.
2. Überblick über das Plasmaätzen
Abbildung 2. Bestimmung des Plasmaquellengases je nach Filmtyp
Bei Verwendung eines Hohlrohrs ist der Flüssigkeitseindringen umso leichter, je kleiner der Rohrdurchmesser ist (Kapillareffekt). Wird jedoch ein Loch (geschlossenes Ende) in den freiliegenden Bereich gebohrt, gestaltet sich der Flüssigkeitseintritt recht schwierig. Da die kritische Größe des Kreislaufs Mitte der 1970er Jahre zwischen 3 und 5 µm lag,Radierunghat das Nassätzen allmählich als Mainstream-Verfahren abgelöst. Das heißt, obwohl ionisiert, ist es einfacher, tiefe Löcher zu durchdringen, da das Volumen eines einzelnen Moleküls kleiner ist als das eines Moleküls in einer organischen Polymerlösung.
Beim Plasmaätzen sollte der Innenraum der Ätzkammer vor dem Einleiten des für die jeweilige Schicht geeigneten Plasmagases auf Vakuum gebracht werden. Beim Ätzen von Festoxidschichten sollten stärkere Fluorkohlenstoff-basierte Plasmagase verwendet werden. Für relativ schwache Silizium- oder Metallschichten sollten chlorbasierte Plasmagase verwendet werden.
Wie sollten also die Gate-Schicht und die darunterliegende isolierende Siliziumdioxidschicht (SiO2) geätzt werden?
Zunächst wird Silizium für die Gate-Schicht mit einem chlorbasierten Plasma (Silizium + Chlor) mit Polysilizium-Ätzselektivität entfernt. Für die untere Isolierschicht wird der Siliziumdioxidfilm in zwei Schritten mit einem fluorkohlenstoffbasierten Plasmaquellengas (Siliziumdioxid + Tetrafluorkohlenstoff) geätzt, das eine höhere Ätzselektivität und Wirksamkeit aufweist.
3. Reaktives Ionenätzen (RIE oder physikochemisches Ätzen)
Abbildung 3. Vorteile des reaktiven Ionenätzens (Anisotropie und hohe Ätzrate)
Plasma enthält sowohl isotrope freie Radikale als auch anisotrope Kationen. Wie kann also anisotropes Ätzen durchgeführt werden?
Plasma-Trockenätzen wird hauptsächlich durch reaktives Ionenätzen (RIE, Reactive Ion Etching) oder auf dieser Methode basierende Anwendungen durchgeführt. Kern der RIE-Methode ist die Schwächung der Bindungskraft zwischen Zielmolekülen im Film durch Angriff anisotroper Kationen auf den Ätzbereich. Der geschwächte Bereich wird von freien Radikalen absorbiert, mit den Schichtpartikeln verbunden, in Gas (eine flüchtige Verbindung) umgewandelt und freigesetzt.
Obwohl freie Radikale isotrope Eigenschaften besitzen, werden Moleküle der Bodenfläche (deren Bindungskraft durch den Angriff von Kationen geschwächt wird) leichter von freien Radikalen eingefangen und in neue Verbindungen umgewandelt als Seitenwände mit starker Bindungskraft. Daher wird das Abwärtsätzen zum gängigen Verfahren. Die eingefangenen Partikel werden durch freie Radikale zu Gas, das unter Vakuumeinwirkung desorbiert und von der Oberfläche freigesetzt wird.
Dabei werden die durch physikalische Einwirkung erzeugten Kationen und die durch chemische Einwirkung erzeugten freien Radikale zum physikalischen und chemischen Ätzen kombiniert. Die Ätzrate (Ätzrate, Ätzgrad in einem bestimmten Zeitraum) erhöht sich im Vergleich zum alleinigen kationischen oder radikalischen Ätzen um das Zehnfache. Diese Methode kann nicht nur die Ätzrate des anisotropen Abwärtsätzens erhöhen, sondern auch das Problem der Polymerrückstände nach dem Ätzen lösen. Diese Methode wird als reaktives Ionenätzen (RIE) bezeichnet. Der Schlüssel zum Erfolg des RIE-Ätzens liegt in der Wahl eines geeigneten Plasmaquellengases zum Ätzen des Films. Hinweis: Plasmaätzen ist RIE-Ätzen, und beide Verfahren sind identisch.
4. Ätzrate und Kernleistungsindex
Abbildung 4. Core Etch Performance Index bezogen auf die Ätzrate
Die Ätzrate gibt die Filmtiefe an, die voraussichtlich in einer Minute erreicht wird. Was bedeutet es also, dass die Ätzrate von Teil zu Teil auf einem einzelnen Wafer variiert?
Dies bedeutet, dass die Ätztiefe von Waferteil zu Waferteil variiert. Daher ist es sehr wichtig, den Endpunkt (EOP), an dem das Ätzen beendet werden soll, unter Berücksichtigung der durchschnittlichen Ätzrate und Ätztiefe festzulegen. Selbst bei festgelegtem EOP gibt es immer noch Bereiche, in denen die Ätztiefe tiefer (überätzt) oder geringer (unterätzt) ist als ursprünglich geplant. Unterätzen verursacht jedoch beim Ätzen mehr Schäden als Überätzen. Denn im Falle eines Unterätzens behindert der unterätzte Bereich nachfolgende Prozesse wie die Ionenimplantation.
Die Selektivität (gemessen an der Ätzrate) ist ein wichtiger Leistungsindikator des Ätzprozesses. Der Messstandard basiert auf dem Vergleich der Ätzrate der Maskenschicht (Fotolack, Oxidschicht, Siliziumnitridschicht usw.) und der Zielschicht. Das bedeutet: Je höher die Selektivität, desto schneller wird die Zielschicht geätzt. Je höher der Miniaturisierungsgrad, desto höher sind die Anforderungen an die Selektivität, um die perfekte Darstellung feiner Strukturen zu gewährleisten. Da die Ätzrichtung gerade ist, ist die Selektivität des kationischen Ätzens gering, während die Selektivität des radikalischen Ätzens hoch ist, was die Selektivität des RIE verbessert.
5. Ätzprozess
Abbildung 5. Ätzprozess
Zunächst wird der Wafer in einen Oxidationsofen bei einer Temperatur zwischen 800 und 1000 °C gelegt. Anschließend wird auf seiner Oberfläche durch ein Trockenverfahren ein Siliziumdioxidfilm (SiO₂) mit hohen Isolationseigenschaften abgeschieden. Anschließend wird mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD)/physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) eine Siliziumschicht oder eine leitfähige Schicht auf dem Oxidfilm abgeschieden. Nach der Bildung einer Siliziumschicht kann bei Bedarf ein Fremdstoffdiffusionsprozess durchgeführt werden, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Während des Fremdstoffdiffusionsprozesses werden häufig mehrere Fremdstoffe wiederholt hinzugefügt.
Zu diesem Zeitpunkt sollten die Isolierschicht und die Polysiliziumschicht zum Ätzen kombiniert werden. Zunächst wird ein Fotolack verwendet. Anschließend wird eine Maske auf den Fotolackfilm gelegt und durch Eintauchen nass belichtet, um das gewünschte (mit bloßem Auge unsichtbare) Muster auf den Fotolackfilm zu prägen. Sobald die Musterumrisse durch die Entwicklung sichtbar werden, wird der Fotolack im lichtempfindlichen Bereich entfernt. Anschließend wird der im Fotolithografieprozess bearbeitete Wafer dem Ätzprozess zum Trockenätzen zugeführt.
Trockenätzen wird hauptsächlich durch reaktives Ionenätzen (RIE) durchgeführt, wobei der Ätzvorgang hauptsächlich durch Austausch des für jeden Film geeigneten Quellgases wiederholt wird. Sowohl Trockenätzen als auch Nassätzen zielen darauf ab, das Aspektverhältnis (A/R-Wert) des Ätzens zu erhöhen. Außerdem ist eine regelmäßige Reinigung erforderlich, um das am Boden des Lochs (der durch das Ätzen entstandene Lücke) angesammelte Polymer zu entfernen. Der wichtige Punkt ist, dass alle Variablen (wie Materialien, Quellgas, Zeit, Form und Reihenfolge) organisch angepasst werden sollten, um sicherzustellen, dass die Reinigungslösung oder das Plasmaquellgas bis zum Boden des Grabens fließen kann. Eine geringfügige Änderung einer Variablen erfordert eine Neuberechnung anderer Variablen, und dieser Neuberechnungsprozess wird wiederholt, bis er den Zweck jeder Stufe erfüllt. In letzter Zeit sind monoatomare Schichten, wie z. B. durch Atomlagenabscheidung (ALD) erzeugte Schichten, dünner und härter geworden. Daher geht der Trend in der Ätztechnologie hin zur Verwendung niedriger Temperaturen und Drücke. Ziel des Ätzprozesses ist die Kontrolle der kritischen Dimension (CD), um feine Muster zu erzeugen und ätzbedingte Probleme, insbesondere Unterätzung und Probleme bei der Rückstandsentfernung, zu vermeiden. Die beiden oben genannten Artikel zum Ätzen sollen den Lesern den Zweck des Ätzprozesses, die Hindernisse bei der Erreichung der oben genannten Ziele und die zur Überwindung dieser Hindernisse verwendeten Leistungsindikatoren näherbringen.
Veröffentlichungszeit: 10. September 2024