فرآیند الگودهی نیمه‌هادی - حکاکی جریانی

اچینگ مرطوب اولیه باعث توسعه فرآیندهای تمیز کردن یا خاکستر کردن شد. امروزه، اچینگ خشک با استفاده از پلاسما به جریان اصلی تبدیل شده است.فرآیند اچینگپلاسما از الکترون‌ها، کاتیون‌ها و رادیکال‌ها تشکیل شده است. انرژی اعمال شده به پلاسما باعث می‌شود که الکترون‌های بیرونی گاز منبع در حالت خنثی جدا شوند و در نتیجه این الکترون‌ها به کاتیون‌ها تبدیل شوند.

علاوه بر این، اتم‌های ناقص در مولکول‌ها را می‌توان با اعمال انرژی برای تشکیل رادیکال‌های خنثی الکتریکی جدا کرد. اچینگ خشک از کاتیون‌ها و رادیکال‌هایی که پلاسما را تشکیل می‌دهند استفاده می‌کند، که در آن کاتیون‌ها ناهمسانگرد (مناسب برای اچینگ در یک جهت خاص) و رادیکال‌ها ایزوتروپ (مناسب برای اچینگ در همه جهات) هستند. تعداد رادیکال‌ها بسیار بیشتر از تعداد کاتیون‌ها است. در این حالت، اچینگ خشک باید مانند اچینگ مرطوب ایزوتروپ باشد.

با این حال، این اچینگ ناهمسانگرد اچینگ خشک است که مدارهای فوق مینیاتوری را ممکن می‌سازد. دلیل این امر چیست؟ علاوه بر این، سرعت اچینگ کاتیون‌ها و رادیکال‌ها بسیار کند است. بنابراین چگونه می‌توانیم روش‌های اچینگ پلاسما را در مواجهه با این نقص برای تولید انبوه به کار ببریم؟

 

 

۱. نسبت ابعاد (A/R)

 

شکل 1. مفهوم نسبت ابعاد و تأثیر پیشرفت تکنولوژی بر آن

 

نسبت ابعاد، نسبت عرض افقی به ارتفاع عمودی است (یعنی ارتفاع تقسیم بر عرض). هرچه بُعد بحرانی (CD) مدار کوچکتر باشد، مقدار نسبت ابعاد بزرگتر است. یعنی با فرض نسبت ابعاد 10 و عرض 10 نانومتر، ارتفاع سوراخ ایجاد شده در طول فرآیند اچینگ باید 100 نانومتر باشد. بنابراین، برای محصولات نسل بعدی که نیاز به فوق کوچک‌سازی (2D) یا چگالی بالا (3D) دارند، مقادیر نسبت ابعاد بسیار بالایی مورد نیاز است تا اطمینان حاصل شود که کاتیون‌ها می‌توانند در طول اچینگ به لایه زیرین نفوذ کنند.

 

برای دستیابی به فناوری فوق کوچک‌سازی با ابعاد بحرانی کمتر از 10 نانومتر در محصولات دوبعدی، مقدار نسبت ابعاد خازن حافظه دسترسی تصادفی پویا (DRAM) باید بالای 100 حفظ شود. به طور مشابه، حافظه فلش NAND سه‌بعدی نیز برای روی هم قرار دادن 256 لایه یا بیشتر از لایه‌های انباشت سلولی به مقادیر نسبت ابعاد بالاتری نیاز دارد. حتی اگر شرایط مورد نیاز برای سایر فرآیندها فراهم باشد، اگر ...فرآیند اچینگمطابق استاندارد نیست. به همین دلیل است که فناوری حکاکی اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند.

 

 

۲. مروری بر اچینگ پلاسما

 

شکل ۲. تعیین گاز منبع پلاسما بر اساس نوع فیلم

 

وقتی از لوله توخالی استفاده می‌شود، هرچه قطر لوله باریک‌تر باشد، ورود مایع آسان‌تر است که به آن پدیده مویرگی می‌گویند. با این حال، اگر قرار باشد سوراخی (انتهای بسته) در ناحیه در معرض هوا حفر شود، ورود مایع بسیار دشوار می‌شود. بنابراین، از آنجایی که اندازه بحرانی مدار در اواسط دهه 1970، 3 تا 5 میکرومتر بود، لوله خشکحکاکیبه تدریج جایگزین حکاکی مرطوب به عنوان جریان اصلی شده است. یعنی، اگرچه یونیزه شده است، اما نفوذ به سوراخ‌های عمیق آسان‌تر است زیرا حجم یک مولکول واحد کمتر از حجم یک مولکول محلول پلیمری آلی است.

در طول اچینگ پلاسما، قبل از تزریق گاز منبع پلاسما مناسب برای لایه مربوطه، باید فضای داخلی محفظه پردازش مورد استفاده برای اچینگ را در حالت خلاء تنظیم کرد. هنگام اچینگ لایه‌های اکسید جامد، باید از گازهای منبع قوی‌تر مبتنی بر فلوراید کربن استفاده شود. برای لایه‌های سیلیکونی یا فلزی نسبتاً ضعیف، باید از گازهای منبع پلاسما مبتنی بر کلر استفاده شود.

بنابراین، لایه گیت و لایه عایق دی اکسید سیلیکون (SiO2) زیرین چگونه باید حکاکی شوند؟

ابتدا، برای لایه گیت، سیلیکون باید با استفاده از پلاسمای مبتنی بر کلر (سیلیکون + کلر) با گزینش‌پذیری حکاکی پلی‌سیلیکون حذف شود. برای لایه عایق پایینی، فیلم دی‌اکسید سیلیکون باید در دو مرحله با استفاده از گاز منبع پلاسما مبتنی بر فلوراید کربن (دی‌اکسید سیلیکون + تترافلورید کربن) با گزینش‌پذیری و اثربخشی حکاکی قوی‌تر، حکاکی شود.

 

 

۳. فرآیند اچینگ یون واکنشی (RIE یا اچینگ فیزیکوشیمیایی)

 

شکل ۳. مزایای اچینگ یون واکنشی (ناهمسانگردی و نرخ اچینگ بالا)

 

پلاسما حاوی رادیکال‌های آزاد ایزوتروپیک و کاتیون‌های ناهمسانگرد است، پس چگونه حکاکی ناهمسانگرد را انجام می‌دهد؟

اچینگ خشک پلاسما عمدتاً توسط اچینگ یون واکنشی (RIE، Reactive Ion Etching) یا کاربردهای مبتنی بر این روش انجام می‌شود. هسته اصلی روش RIE تضعیف نیروی اتصال بین مولکول‌های هدف در فیلم با حمله به ناحیه اچینگ با کاتیون‌های ناهمسانگرد است. ناحیه تضعیف شده توسط رادیکال‌های آزاد جذب می‌شود، با ذراتی که لایه را تشکیل می‌دهند ترکیب می‌شود، به گاز (یک ترکیب فرار) تبدیل شده و آزاد می‌شود.

اگرچه رادیکال‌های آزاد ویژگی‌های ایزوتروپیک دارند، مولکول‌هایی که سطح زیرین را تشکیل می‌دهند (که نیروی اتصال آنها توسط حمله کاتیون‌ها ضعیف شده است) نسبت به دیواره‌های جانبی با نیروی اتصال قوی، راحت‌تر توسط رادیکال‌های آزاد جذب شده و به ترکیبات جدید تبدیل می‌شوند. بنابراین، حکاکی رو به پایین به جریان اصلی تبدیل می‌شود. ذرات جذب شده به گاز با رادیکال‌های آزاد تبدیل می‌شوند که تحت عمل خلاء از سطح جدا شده و آزاد می‌شوند.

 

در این زمان، کاتیون‌های به‌دست‌آمده از عمل فیزیکی و رادیکال‌های آزاد به‌دست‌آمده از عمل شیمیایی برای اچینگ فیزیکی و شیمیایی ترکیب می‌شوند و سرعت اچینگ (سرعت اچینگ، درجه اچینگ در یک دوره زمانی مشخص) در مقایسه با اچینگ کاتیونی یا اچینگ رادیکال آزاد به‌تنهایی، 10 برابر افزایش می‌یابد. این روش نه‌تنها می‌تواند سرعت اچینگ ناهمسانگرد رو به پایین را افزایش دهد، بلکه مشکل باقی‌مانده پلیمر پس از اچینگ را نیز حل می‌کند. این روش، اچینگ یون واکنشی (RIE) نامیده می‌شود. کلید موفقیت اچینگ RIE، یافتن گاز منبع پلاسما مناسب برای اچینگ فیلم است. توجه: اچینگ پلاسما، اچینگ RIE است و این دو را می‌توان به‌عنوان یک مفهوم در نظر گرفت.

 

 

۴. نرخ حکاکی و شاخص عملکرد هسته

 

شکل ۴. شاخص عملکرد حکاکی هسته مربوط به نرخ حکاکی

 

نرخ حکاکی به عمق فیلمی اشاره دارد که انتظار می‌رود در یک دقیقه به آن دست یابد. بنابراین، منظور از اینکه نرخ حکاکی از قسمتی به قسمت دیگر روی یک ویفر واحد متفاوت است، چیست؟

این بدان معناست که عمق اچینگ از قسمتی به قسمت دیگر روی ویفر متفاوت است. به همین دلیل، تعیین نقطه پایانی (EOP) که اچینگ باید در آن متوقف شود، با در نظر گرفتن میانگین نرخ اچینگ و عمق اچینگ بسیار مهم است. حتی اگر EOP تنظیم شده باشد، هنوز مناطقی وجود دارند که عمق اچینگ عمیق‌تر (بیش از حد اچینگ) یا کم‌عمق‌تر (کم‌تر اچینگ) از آنچه در ابتدا برنامه‌ریزی شده بود، است. با این حال، اچینگ کمتر از حد لازم در طول اچینگ باعث آسیب بیشتری نسبت به اچینگ بیش از حد می‌شود. زیرا در مورد اچینگ کمتر از حد لازم، قسمت کمتر از حد لازم اچینگ مانع فرآیندهای بعدی مانند کاشت یون می‌شود.

در همین حال، گزینش‌پذیری (که با نرخ حکاکی اندازه‌گیری می‌شود) یک شاخص کلیدی عملکرد فرآیند حکاکی است. استاندارد اندازه‌گیری بر اساس مقایسه نرخ حکاکی لایه ماسک (فیلم مقاوم در برابر نور، فیلم اکسید، فیلم نیترید سیلیکون و غیره) و لایه هدف است. این بدان معناست که هرچه گزینش‌پذیری بالاتر باشد، لایه هدف سریع‌تر حکاکی می‌شود. هرچه سطح کوچک‌سازی بالاتر باشد، برای اطمینان از ارائه کامل الگوهای ظریف، نیاز به گزینش‌پذیری بیشتری است. از آنجایی که جهت حکاکی مستقیم است، گزینش‌پذیری حکاکی کاتیونی کم است، در حالی که گزینش‌پذیری حکاکی رادیکالی بالا است که گزینش‌پذیری RIE را بهبود می‌بخشد.

 

 

۵. فرآیند اچینگ

 

شکل ۵. فرآیند اچینگ

 

ابتدا، ویفر در یک کوره اکسیداسیون با دمای بین ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد قرار داده می‌شود و سپس یک لایه دی اکسید سیلیکون (SiO2) با خواص عایق بالا به روش خشک روی سطح ویفر تشکیل می‌شود. در مرحله بعد، فرآیند رسوب‌گذاری برای تشکیل یک لایه سیلیکون یا یک لایه رسانا روی لایه اکسید با رسوب بخار شیمیایی (CVD)/رسوب بخار فیزیکی (PVD) انجام می‌شود. اگر یک لایه سیلیکون تشکیل شود، در صورت لزوم می‌توان یک فرآیند انتشار ناخالصی را برای افزایش رسانایی انجام داد. در طول فرآیند انتشار ناخالصی، اغلب ناخالصی‌های متعدد به طور مکرر اضافه می‌شوند.

در این زمان، لایه عایق و لایه پلی سیلیکون باید برای حکاکی با هم ترکیب شوند. ابتدا از یک فوتورزیست استفاده می‌شود. پس از آن، یک ماسک روی فیلم فوتورزیست قرار داده می‌شود و نوردهی مرطوب با غوطه‌وری انجام می‌شود تا الگوی مورد نظر (که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست) روی فیلم فوتورزیست حک شود. هنگامی که طرح کلی الگو با ظهور آشکار شد، فوتورزیست در ناحیه حساس به نور برداشته می‌شود. سپس، ویفر پردازش شده توسط فرآیند فوتولیتوگرافی برای حکاکی خشک به فرآیند حکاکی منتقل می‌شود.

اچینگ خشک عمدتاً توسط اچینگ یون واکنشی (RIE) انجام می‌شود که در آن اچینگ عمدتاً با جایگزینی گاز منبع مناسب برای هر فیلم تکرار می‌شود. هم اچینگ خشک و هم اچینگ مرطوب با هدف افزایش نسبت ابعاد (مقدار A/R) اچینگ انجام می‌شوند. علاوه بر این، تمیزکاری منظم برای حذف پلیمر انباشته شده در ته سوراخ (شکاف ایجاد شده توسط اچینگ) مورد نیاز است. نکته مهم این است که همه متغیرها (مانند مواد، گاز منبع، زمان، شکل و توالی) باید به صورت ارگانیک تنظیم شوند تا اطمینان حاصل شود که محلول تمیزکننده یا گاز منبع پلاسما می‌تواند به ته ترانشه جریان یابد. تغییر جزئی در یک متغیر نیاز به محاسبه مجدد سایر متغیرها دارد و این فرآیند محاسبه مجدد تا زمانی که هدف هر مرحله را برآورده کند، تکرار می‌شود. اخیراً، لایه‌های تک اتمی مانند لایه‌های رسوب لایه اتمی (ALD) نازک‌تر و سخت‌تر شده‌اند. بنابراین، فناوری اچینگ به سمت استفاده از دماها و فشارهای پایین حرکت می‌کند. هدف فرآیند اچینگ، کنترل بُعد بحرانی (CD) برای تولید الگوهای ظریف و اطمینان از جلوگیری از مشکلات ناشی از فرآیند اچینگ، به ویژه اچینگ ناقص و مشکلات مربوط به حذف باقیمانده‌ها است. دو مقاله فوق در مورد اچینگ، با هدف ارائه درکی از هدف فرآیند اچینگ، موانع دستیابی به اهداف فوق و شاخص‌های عملکردی مورد استفاده برای غلبه بر چنین موانعی، به خوانندگان ارائه شده است.