Η πρώιμη υγρή χάραξη προώθησε την ανάπτυξη διαδικασιών καθαρισμού ή αποτέφρωσης. Σήμερα, η ξηρή χάραξη με χρήση πλάσματος έχει γίνει η κυρίαρχη πρακτική.διαδικασία χάραξηςΤο πλάσμα αποτελείται από ηλεκτρόνια, κατιόντα και ρίζες. Η ενέργεια που εφαρμόζεται στο πλάσμα προκαλεί την απογύμνωση των εξωτερικών ηλεκτρονίων του αερίου πηγής σε ουδέτερη κατάσταση, μετατρέποντας έτσι αυτά τα ηλεκτρόνια σε κατιόντα.
Επιπλέον, τα ατελή άτομα στα μόρια μπορούν να απομακρυνθούν με την εφαρμογή ενέργειας για να σχηματιστούν ηλεκτρικά ουδέτερες ρίζες. Η ξηρή χάραξη χρησιμοποιεί κατιόντα και ρίζες που αποτελούν το πλάσμα, όπου τα κατιόντα είναι ανισότροπα (κατάλληλα για χάραξη σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση) και οι ρίζες είναι ισότροπες (κατάλληλες για χάραξη σε όλες τις κατευθύνσεις). Ο αριθμός των ριζών είναι πολύ μεγαλύτερος από τον αριθμό των κατιόντων. Σε αυτήν την περίπτωση, η ξηρή χάραξη θα πρέπει να είναι ισότροπη όπως η υγρή χάραξη.
Ωστόσο, η ανισότροπη χάραξη της ξηρής χάραξης είναι αυτή που καθιστά δυνατά τα εξαιρετικά μικροσκοπικά κυκλώματα. Ποιος είναι ο λόγος για αυτό; Επιπλέον, η ταχύτητα χάραξης των κατιόντων και των ριζών είναι πολύ αργή. Πώς λοιπόν μπορούμε να εφαρμόσουμε μεθόδους χάραξης με πλάσμα στη μαζική παραγωγή ενόψει αυτού του μειονεκτήματος;
1. Αναλογία διαστάσεων (A/R)
Σχήμα 1. Η έννοια της αναλογίας διαστάσεων και ο αντίκτυπος της τεχνολογικής προόδου σε αυτήν
Ο λόγος διαστάσεων είναι ο λόγος του οριζόντιου πλάτους προς το κατακόρυφο ύψος (δηλαδή, το ύψος διαιρούμενο με το πλάτος). Όσο μικρότερη είναι η κρίσιμη διάσταση (CD) του κυκλώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του λόγου διαστάσεων. Δηλαδή, υποθέτοντας τιμή λόγου διαστάσεων 10 και πλάτος 10nm, το ύψος της οπής που ανοίγεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας χάραξης θα πρέπει να είναι 100nm. Επομένως, για προϊόντα επόμενης γενιάς που απαιτούν υπερ-σμίκρυνση (2D) ή υψηλή πυκνότητα (3D), απαιτούνται εξαιρετικά υψηλές τιμές λόγου διαστάσεων για να διασφαλιστεί ότι τα κατιόντα μπορούν να διεισδύσουν στην κάτω μεμβράνη κατά τη χάραξη.
Για να επιτευχθεί τεχνολογία υπερ-σμίκρυνσης με κρίσιμη διάσταση μικρότερη από 10nm σε προϊόντα 2D, η τιμή αναλογίας διαστάσεων πυκνωτή της δυναμικής μνήμης τυχαίας προσπέλασης (DRAM) θα πρέπει να διατηρείται πάνω από 100. Ομοίως, η μνήμη flash 3D NAND απαιτεί επίσης υψηλότερες τιμές αναλογίας διαστάσεων για τη στοίβαξη 256 ή περισσότερων στρώσεων στοίβαξης κελιών. Ακόμα και αν πληρούνται οι προϋποθέσεις που απαιτούνται για άλλες διεργασίες, τα απαιτούμενα προϊόντα δεν μπορούν να παραχθούν εάν ηδιαδικασία χάραξηςδεν ανταποκρίνεται στα πρότυπα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η τεχνολογία χάραξης αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία.
2. Επισκόπηση της χάραξης με πλάσμα
Σχήμα 2. Προσδιορισμός αερίου πηγής πλάσματος ανάλογα με τον τύπο μεμβράνης
Όταν χρησιμοποιείται κοίλος σωλήνας, όσο στενότερη είναι η διάμετρος του σωλήνα, τόσο πιο εύκολη είναι η είσοδος υγρού, κάτι που ονομάζεται τριχοειδές φαινόμενο. Ωστόσο, εάν πρόκειται να ανοιχτεί μια οπή (κλειστό άκρο) στην εκτεθειμένη περιοχή, η είσοδος του υγρού γίνεται αρκετά δύσκολη. Επομένως, δεδομένου ότι το κρίσιμο μέγεθος του κυκλώματος ήταν 3um έως 5um στα μέσα της δεκαετίας του 1970, η ξηρή...χαλκογραφίαέχει σταδιακά αντικαταστήσει την υγρή χάραξη ως κύρια μέθοδο. Δηλαδή, αν και ιονισμένη, είναι ευκολότερο να διεισδύσει σε βαθιές οπές επειδή ο όγκος ενός μόνο μορίου είναι μικρότερος από αυτόν ενός μορίου διαλύματος οργανικού πολυμερούς.
Κατά τη χάραξη με πλάσμα, το εσωτερικό του θαλάμου επεξεργασίας που χρησιμοποιείται για τη χάραξη θα πρέπει να ρυθμιστεί σε κατάσταση κενού πριν από την έγχυση του αερίου πηγής πλάσματος κατάλληλου για το σχετικό στρώμα. Κατά τη χάραξη μεμβρανών στερεών οξειδίων, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται ισχυρότερα αέρια πηγής με βάση το φθοριούχο άνθρακα. Για σχετικά αδύναμες μεμβράνες πυριτίου ή μετάλλου, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται αέρια πηγής πλάσματος με βάση το χλώριο.
Λοιπόν, πώς πρέπει να γίνει η χάραξη του στρώματος πύλης και του υποκείμενου μονωτικού στρώματος διοξειδίου του πυριτίου (SiO2);
Καταρχάς, για το στρώμα πύλης, το πυρίτιο θα πρέπει να αφαιρεθεί χρησιμοποιώντας πλάσμα με βάση το χλώριο (πυρίτιο + χλώριο) με επιλεκτικότητα χάραξης πολυπυριτίου. Για το κάτω μονωτικό στρώμα, η μεμβράνη διοξειδίου του πυριτίου θα πρέπει να χαραχθεί σε δύο βήματα χρησιμοποιώντας αέριο πηγής πλάσματος με βάση το φθοριούχο άνθρακα (διοξείδιο του πυριτίου + τετραφθοριούχος άνθρακας) με ισχυρότερη επιλεκτικότητα και αποτελεσματικότητα χάραξης.
3. Διαδικασία χάραξης με αντιδραστικά ιόντα (RIE ή φυσικοχημική χάραξη)
Σχήμα 3. Πλεονεκτήματα της χάραξης με αντιδραστικά ιόντα (ανισοτροπία και υψηλός ρυθμός χάραξης)
Το πλάσμα περιέχει τόσο ισότροπες ελεύθερες ρίζες όσο και ανισότροπα κατιόντα, οπότε πώς εκτελεί ανισότροπη χάραξη;
Η ξηρή χάραξη με πλάσμα πραγματοποιείται κυρίως με χάραξη με αντιδραστικά ιόντα (RIE, Reactive Ion Etching) ή με εφαρμογές που βασίζονται σε αυτήν τη μέθοδο. Ο πυρήνας της μεθόδου RIE είναι η αποδυνάμωση της δύναμης σύνδεσης μεταξύ των μορίων-στόχων στην μεμβράνη, επιτιθέμενη στην περιοχή χάραξης με ανισότροπα κατιόντα. Η αποδυναμωμένη περιοχή απορροφάται από τις ελεύθερες ρίζες, συνδυάζεται με τα σωματίδια που αποτελούν το στρώμα, μετατρέπεται σε αέριο (πτητική ένωση) και απελευθερώνεται.
Αν και οι ελεύθερες ρίζες έχουν ισότροπα χαρακτηριστικά, τα μόρια που αποτελούν την κάτω επιφάνεια (των οποίων η δύναμη σύνδεσης εξασθενεί από την επίθεση κατιόντων) συλλαμβάνονται πιο εύκολα από τις ελεύθερες ρίζες και μετατρέπονται σε νέες ενώσεις από τα πλευρικά τοιχώματα με ισχυρή δύναμη σύνδεσης. Επομένως, η χάραξη προς τα κάτω γίνεται η κύρια ροή. Τα συλληφθέντα σωματίδια γίνονται αέρια με ελεύθερες ρίζες, οι οποίες εκροφώνται και απελευθερώνονται από την επιφάνεια υπό την επίδραση του κενού.
Αυτή τη στιγμή, τα κατιόντα που λαμβάνονται με φυσική δράση και οι ελεύθερες ρίζες που λαμβάνονται με χημική δράση συνδυάζονται για φυσική και χημική χάραξη, και ο ρυθμός χάραξης (ρυθμός χάραξης, ο βαθμός χάραξης σε μια ορισμένη χρονική περίοδο) αυξάνεται κατά 10 φορές σε σύγκριση με την περίπτωση της κατιονικής χάραξης ή της χάραξης με ελεύθερες ρίζες μόνο. Αυτή η μέθοδος όχι μόνο μπορεί να αυξήσει τον ρυθμό χάραξης της ανισότροπης καθοδικής χάραξης, αλλά και να λύσει το πρόβλημα των υπολειμμάτων πολυμερούς μετά τη χάραξη. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται χάραξη με αντιδραστικά ιόντα (RIE). Το κλειδί για την επιτυχία της χάραξης RIE είναι η εύρεση ενός αερίου πηγής πλάσματος κατάλληλου για τη χάραξη της μεμβράνης. Σημείωση: Η χάραξη πλάσματος είναι χάραξη RIE και οι δύο μπορούν να θεωρηθούν ως η ίδια έννοια.
4. Ποσοστό χάραξης και δείκτης απόδοσης πυρήνα
Σχήμα 4. Δείκτης Απόδοσης Βασικής Χάραξης που σχετίζεται με το Ποσοστό Χάραξης
Ο ρυθμός χάραξης αναφέρεται στο βάθος της μεμβράνης που αναμένεται να επιτευχθεί σε ένα λεπτό. Τι σημαίνει λοιπόν ότι ο ρυθμός χάραξης ποικίλλει από εξάρτημα σε εξάρτημα σε ένα μόνο πλακίδιο;
Αυτό σημαίνει ότι το βάθος χάραξης ποικίλλει από μέρος σε μέρος του πλακιδίου. Για αυτόν τον λόγο, είναι πολύ σημαντικό να ορίσετε το τελικό σημείο (EOP) όπου θα πρέπει να σταματήσει η χάραξη, λαμβάνοντας υπόψη τον μέσο ρυθμό χάραξης και το βάθος χάραξης. Ακόμα κι αν οριστεί το EOP, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένες περιοχές όπου το βάθος χάραξης είναι βαθύτερο (υπερχάραξη) ή ρηχότερο (υποχάραξη) από ό,τι είχε αρχικά προγραμματιστεί. Ωστόσο, η υποχάραξη προκαλεί μεγαλύτερη ζημιά από την υπερχάραξη κατά τη διάρκεια της χάραξης. Επειδή στην περίπτωση της υποχάραξης, το υποχάραξης μέρος θα εμποδίσει τις επόμενες διαδικασίες, όπως η εμφύτευση ιόντων.
Εν τω μεταξύ, η επιλεκτικότητα (μετρούμενη με τον ρυθμό χάραξης) είναι ένας βασικός δείκτης απόδοσης της διαδικασίας χάραξης. Το πρότυπο μέτρησης βασίζεται στη σύγκριση του ρυθμού χάραξης του στρώματος μάσκας (φωτοανθεκτική μεμβράνη, μεμβράνη οξειδίου, μεμβράνη νιτριδίου του πυριτίου, κ.λπ.) και του στρώματος-στόχου. Αυτό σημαίνει ότι όσο υψηλότερη είναι η επιλεκτικότητα, τόσο πιο γρήγορα χαράσσεται το στρώμα-στόχος. Όσο υψηλότερο είναι το επίπεδο σμίκρυνσης, τόσο υψηλότερη είναι η απαίτηση επιλεκτικότητας για να διασφαλιστεί ότι τα λεπτά μοτίβα μπορούν να παρουσιαστούν τέλεια. Δεδομένου ότι η κατεύθυνση χάραξης είναι ευθεία, η επιλεκτικότητα της κατιονικής χάραξης είναι χαμηλή, ενώ η επιλεκτικότητα της ριζικής χάραξης είναι υψηλή, γεγονός που βελτιώνει την επιλεκτικότητα του RIE.
5. Διαδικασία χάραξης
Σχήμα 5. Διαδικασία χάραξης
Αρχικά, η πλακέτα τοποθετείται σε κλίβανο οξείδωσης με θερμοκρασία που διατηρείται μεταξύ 800 και 1000℃ και στη συνέχεια σχηματίζεται στην επιφάνεια της πλακέτας με ξηρή μέθοδο μια μεμβράνη διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) με υψηλές μονωτικές ιδιότητες. Στη συνέχεια, ξεκινά η διαδικασία εναπόθεσης για να σχηματιστεί ένα στρώμα πυριτίου ή ένα αγώγιμο στρώμα στην μεμβράνη οξειδίου με χημική εναπόθεση ατμών (CVD)/φυσική εναπόθεση ατμών (PVD). Εάν σχηματιστεί ένα στρώμα πυριτίου, μπορεί να πραγματοποιηθεί μια διαδικασία διάχυσης προσμίξεων για την αύξηση της αγωγιμότητας, εάν είναι απαραίτητο. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας διάχυσης προσμίξεων, συχνά προστίθενται επανειλημμένα πολλαπλές προσμίξεις.
Σε αυτό το σημείο, το μονωτικό στρώμα και το στρώμα πολυπυριτίου πρέπει να συνδυαστούν για χάραξη. Αρχικά, χρησιμοποιείται ένα φωτοευαίσθητο υλικό. Στη συνέχεια, τοποθετείται μια μάσκα στο φωτοευαίσθητο φιλμ και πραγματοποιείται υγρή έκθεση με εμβάπτιση για την αποτύπωση του επιθυμητού σχεδίου (αόρατου με γυμνό μάτι) στο φωτοευαίσθητο φιλμ. Όταν το περίγραμμα του σχεδίου αποκαλυφθεί με την εμφάνιση, το φωτοευαίσθητο υλικό στην φωτοευαίσθητη περιοχή αφαιρείται. Στη συνέχεια, το πλακίδιο που έχει υποστεί επεξεργασία με τη διαδικασία φωτολιθογραφίας μεταφέρεται στη διαδικασία χάραξης για ξηρή χάραξη.
Η ξηρή χάραξη πραγματοποιείται κυρίως με χάραξη με αντιδραστικά ιόντα (RIE), κατά την οποία η χάραξη επαναλαμβάνεται κυρίως αντικαθιστώντας το αέριο πηγής που είναι κατάλληλο για κάθε μεμβράνη. Τόσο η ξηρή όσο και η υγρή χάραξη στοχεύουν στην αύξηση της αναλογίας διαστάσεων (τιμή A/R) της χάραξης. Επιπλέον, απαιτείται τακτικός καθαρισμός για την απομάκρυνση του πολυμερούς που συσσωρεύεται στον πυθμένα της οπής (το κενό που σχηματίζεται από τη χάραξη). Το σημαντικό σημείο είναι ότι όλες οι μεταβλητές (όπως τα υλικά, το αέριο πηγής, ο χρόνος, η μορφή και η αλληλουχία) θα πρέπει να ρυθμίζονται οργανικά για να διασφαλιστεί ότι το διάλυμα καθαρισμού ή το αέριο πηγής πλάσματος μπορούν να ρέουν προς τα κάτω στον πυθμένα της τάφρου. Μια μικρή αλλαγή σε μια μεταβλητή απαιτεί επανυπολογισμό άλλων μεταβλητών και αυτή η διαδικασία επανυπολογισμού επαναλαμβάνεται μέχρι να επιτύχει τον σκοπό κάθε σταδίου. Πρόσφατα, τα μονοατομικά στρώματα, όπως τα στρώματα ατομικής εναπόθεσης στρωμάτων (ALD), έχουν γίνει λεπτότερα και σκληρότερα. Επομένως, η τεχνολογία χάραξης κινείται προς τη χρήση χαμηλών θερμοκρασιών και πιέσεων. Η διαδικασία χάραξης στοχεύει στον έλεγχο της κρίσιμης διάστασης (CD) για την παραγωγή λεπτών μοτίβων και για την εξασφάλιση της αποφυγής προβλημάτων που προκαλούνται από τη διαδικασία χάραξης, ιδίως η υπο-χάραξη και τα προβλήματα που σχετίζονται με την αφαίρεση υπολειμμάτων. Τα δύο παραπάνω άρθρα σχετικά με τη χάραξη στοχεύουν στο να παρέχουν στους αναγνώστες μια κατανόηση του σκοπού της διαδικασίας χάραξης, των εμποδίων στην επίτευξη των παραπάνω στόχων και των δεικτών απόδοσης που χρησιμοποιούνται για την υπερνίκηση τέτοιων εμποδίων.
Ώρα δημοσίευσης: 10 Σεπτεμβρίου 2024