El grabado húmedo inicial impulsó el desarrollo de procesos de limpieza o incineración. Hoy en día, el grabado en seco mediante plasma se ha convertido en la técnica predominante.proceso de grabadoEl plasma está compuesto por electrones, cationes y radicales. La energía aplicada al plasma provoca que los electrones más externos del gas fuente, que se encuentran en estado neutro, se desprendan, convirtiéndose así en cationes.
Además, los átomos imperfectos en las moléculas pueden eliminarse aplicando energía para formar radicales eléctricamente neutros. El grabado en seco utiliza cationes y radicales que componen el plasma, donde los cationes son anisotrópicos (adecuados para grabar en una dirección determinada) y los radicales son isotrópicos (adecuados para grabar en todas las direcciones). El número de radicales es mucho mayor que el de cationes. En este caso, el grabado en seco debería ser isotrópico, al igual que el grabado húmedo.
Sin embargo, es el grabado anisotrópico del grabado en seco lo que posibilita los circuitos ultraminiaturizados. ¿Cuál es la razón de esto? Además, la velocidad de grabado de cationes y radicales es muy lenta. Entonces, ¿cómo podemos aplicar los métodos de grabado por plasma a la producción en masa ante esta limitación?
1. Relación de aspecto (A/R)
Figura 1. El concepto de relación de aspecto y el impacto del progreso tecnológico en ella.
La relación de aspecto es la relación entre el ancho horizontal y la altura vertical (es decir, la altura dividida por el ancho). Cuanto menor sea la dimensión crítica (CD) del circuito, mayor será el valor de la relación de aspecto. Es decir, suponiendo una relación de aspecto de 10 y un ancho de 10 nm, la altura del orificio perforado durante el proceso de grabado debería ser de 100 nm. Por lo tanto, para los productos de próxima generación que requieren ultraminiaturización (2D) o alta densidad (3D), se requieren valores de relación de aspecto extremadamente altos para garantizar que los cationes puedan penetrar la película inferior durante el grabado.
Para lograr la tecnología de ultraminiaturización con una dimensión crítica de menos de 10 nm en productos 2D, el valor de la relación de aspecto del condensador de la memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM) debe mantenerse por encima de 100. De manera similar, la memoria flash NAND 3D también requiere valores de relación de aspecto más altos para apilar 256 capas o más de capas de apilamiento de celdas. Incluso si se cumplen las condiciones requeridas para otros procesos, los productos requeridos no se pueden producir siproceso de grabadoNo cumple con los estándares. Por eso, la tecnología de grabado está adquiriendo cada vez más importancia.
2. Descripción general del grabado con plasma
Figura 2. Determinación del gas fuente de plasma según el tipo de película.
Cuando se utiliza una tubería hueca, cuanto menor sea el diámetro de la tubería, más fácil será la entrada de líquido, lo que se conoce como fenómeno capilar. Sin embargo, si se perfora un orificio (extremo cerrado) en el área expuesta, la entrada de líquido se vuelve bastante difícil. Por lo tanto, dado que el tamaño crítico del circuito era de 3 µm a 5 µm a mediados de la década de 1970, se utilizó un sistema de tuberías secas.aguafuerteha reemplazado gradualmente al grabado húmedo como método principal. Es decir, aunque ionizado, es más fácil penetrar agujeros profundos porque el volumen de una sola molécula es menor que el de una molécula de una solución de polímero orgánico.
Durante el grabado con plasma, el interior de la cámara de procesamiento debe ajustarse al vacío antes de inyectar el gas fuente de plasma adecuado para la capa correspondiente. Al grabar películas de óxido sólido, se deben utilizar gases fuente a base de fluoruro de carbono, más potentes. Para películas de silicio o metal relativamente débiles, se deben utilizar gases fuente de plasma a base de cloro.
Entonces, ¿cómo se deben grabar la capa de puerta y la capa aislante subyacente de dióxido de silicio (SiO2)?
En primer lugar, para la capa de puerta, se debe eliminar el silicio mediante un plasma a base de cloro (silicio + cloro) con selectividad de grabado de polisilicio. Para la capa aislante inferior, la película de dióxido de silicio debe grabarse en dos etapas utilizando un gas fuente de plasma a base de fluoruro de carbono (dióxido de silicio + tetrafluoruro de carbono) con mayor selectividad y eficacia de grabado.
3. Proceso de grabado iónico reactivo (RIE o grabado fisicoquímico)
Figura 3. Ventajas del grabado iónico reactivo (anisotropía y alta velocidad de grabado).
El plasma contiene tanto radicales libres isotrópicos como cationes anisotrópicos, entonces, ¿cómo realiza el grabado anisotrópico?
El grabado en seco por plasma se realiza principalmente mediante grabado iónico reactivo (RIE, por sus siglas en inglés) o aplicaciones basadas en este método. El principio fundamental del método RIE consiste en debilitar la fuerza de enlace entre las moléculas objetivo en la película atacando la zona de grabado con cationes anisotrópicos. La zona debilitada es absorbida por radicales libres, que se combinan con las partículas que componen la capa, se convierten en gas (un compuesto volátil) y se liberan.
Aunque los radicales libres poseen características isotrópicas, las moléculas que componen la superficie inferior (cuya fuerza de enlace se debilita por el ataque de los cationes) son capturadas con mayor facilidad por los radicales libres y transformadas en nuevos compuestos que las paredes laterales, que presentan una fuerte fuerza de enlace. Por lo tanto, el grabado descendente se convierte en el proceso predominante. Las partículas capturadas se transforman en gas con radicales libres, que se desorben y liberan de la superficie bajo la acción del vacío.
En este proceso, los cationes obtenidos por acción física y los radicales libres obtenidos por acción química se combinan para realizar un grabado físico y químico, aumentando la velocidad de grabado (tasa de grabado, grado de grabado en un período de tiempo determinado) diez veces en comparación con el grabado catiónico o el grabado por radicales libres por separado. Este método no solo incrementa la velocidad de grabado anisotrópico descendente, sino que también resuelve el problema de los residuos de polímero tras el grabado. Este método se denomina grabado iónico reactivo (RIE). La clave del éxito del grabado RIE reside en encontrar un gas fuente de plasma adecuado para el grabado de la película. Nota: El grabado por plasma es un tipo de grabado RIE, y ambos pueden considerarse como el mismo concepto.
4. Índice de velocidad de grabado y rendimiento del núcleo
Figura 4. Índice de rendimiento de grabado del núcleo en relación con la velocidad de grabado.
La velocidad de grabado se refiere a la profundidad de la película que se espera alcanzar en un minuto. Entonces, ¿qué significa que la velocidad de grabado varíe de una pieza a otra en una misma oblea?
Esto significa que la profundidad de grabado varía de una parte a otra de la oblea. Por ello, es fundamental establecer el punto final (EOP) donde debe detenerse el grabado, considerando la velocidad y la profundidad de grabado promedio. Incluso con el EOP establecido, pueden existir áreas con una profundidad de grabado mayor (sobregrabado) o menor (subgrabado) de la prevista inicialmente. Sin embargo, el subgrabado causa más daño que el sobregrabado durante el proceso. Esto se debe a que, en el caso del subgrabado, la parte subgrabada dificultará procesos posteriores como la implantación iónica.
Mientras tanto, la selectividad (medida por la velocidad de grabado) es un indicador clave del rendimiento del proceso de grabado. El estándar de medición se basa en la comparación de la velocidad de grabado de la capa de máscara (película de fotorresina, película de óxido, película de nitruro de silicio, etc.) y la capa objetivo. Esto significa que cuanto mayor sea la selectividad, más rápido se grabará la capa objetivo. Cuanto mayor sea el nivel de miniaturización, mayor será el requisito de selectividad para garantizar que los patrones finos se puedan presentar perfectamente. Dado que la dirección de grabado es recta, la selectividad del grabado catiónico es baja, mientras que la del grabado radical es alta, lo que mejora la selectividad del RIE.
5. Proceso de grabado
Figura 5. Proceso de grabado
Primero, la oblea se coloca en un horno de oxidación con una temperatura mantenida entre 800 y 1000 °C, y luego se forma una película de dióxido de silicio (SiO₂) con altas propiedades aislantes sobre la superficie de la oblea mediante un método en seco. A continuación, se inicia el proceso de deposición para formar una capa de silicio o una capa conductora sobre la película de óxido mediante deposición química de vapor (CVD) o deposición física de vapor (PVD). Si se forma una capa de silicio, se puede realizar un proceso de difusión de impurezas para aumentar la conductividad si es necesario. Durante el proceso de difusión de impurezas, a menudo se añaden repetidamente múltiples impurezas.
En este momento, la capa aislante y la capa de polisilicio deben combinarse para el grabado. Primero, se utiliza una fotorresina. Posteriormente, se coloca una máscara sobre la película de fotorresina y se realiza una exposición húmeda por inmersión para imprimir el patrón deseado (invisible a simple vista) sobre la película. Cuando el contorno del patrón se revela mediante el revelado, se elimina la fotorresina en el área fotosensible. Luego, la oblea procesada mediante el proceso de fotolitografía se transfiere al proceso de grabado para el grabado en seco.
El grabado en seco se realiza principalmente mediante grabado iónico reactivo (RIE), en el que el grabado se repite principalmente reemplazando el gas fuente adecuado para cada película. Tanto el grabado en seco como el grabado húmedo buscan aumentar la relación de aspecto (valor A/R) del grabado. Además, se requiere una limpieza regular para eliminar el polímero acumulado en el fondo del orificio (el espacio formado por el grabado). El punto importante es que todas las variables (como materiales, gas fuente, tiempo, forma y secuencia) deben ajustarse orgánicamente para asegurar que la solución de limpieza o el gas fuente de plasma fluyan hasta el fondo de la zanja. Un ligero cambio en una variable requiere el recálculo de otras variables, y este proceso de recálculo se repite hasta que se cumpla el objetivo de cada etapa. Recientemente, las capas monoatómicas, como las capas de deposición de capas atómicas (ALD), se han vuelto más delgadas y duras. Por lo tanto, la tecnología de grabado está evolucionando hacia el uso de bajas temperaturas y presiones. El proceso de grabado busca controlar la dimensión crítica (CD) para producir patrones finos y asegurar que se eviten los problemas causados por el proceso de grabado, especialmente el subgrabado y los problemas relacionados con la eliminación de residuos. Los dos artículos anteriores sobre el grabado tienen como objetivo proporcionar a los lectores una comprensión del propósito del proceso de grabado, los obstáculos para lograr los objetivos mencionados y los indicadores de rendimiento utilizados para superar dichos obstáculos.
Fecha de publicación: 10 de septiembre de 2024