Varhainen märkäetsaus edisti puhdistus- tai tuhkautusprosessien kehitystä. Nykyään plasmalla tehtävästä kuivaetsauksesta on tullut valtavirtaa.etsausprosessiPlasma koostuu elektroneista, kationeista ja radikaaleista. Plasmaan kohdistettu energia irrottaa lähdekaasun neutraalissa tilassa olevat uloimmat elektronit, jolloin nämä elektronit muuttuvat kationeiksi.
Lisäksi molekyylien epätäydelliset atomit voidaan poistaa käyttämällä energiaa sähköisesti neutraalien radikaalien muodostamiseksi. Kuivaetsauksessa käytetään kationeja ja radikaaleja, jotka muodostavat plasman, jossa kationit ovat anisotrooppisia (sopivia syövytykseen tiettyyn suuntaan) ja radikaalit ovat isotrooppisia (sopivia syövytykseen kaikkiin suuntiin). Radikaalien lukumäärä on paljon suurempi kuin kationien lukumäärä. Tässä tapauksessa kuivaetsauksen tulisi olla isotrooppista kuten märkäetsauksen.
Kuivaetsauksen anisotrooppinen etsaus mahdollistaa kuitenkin ultraminiatyrisoitujen piirien valmistuksen. Mikä tähän on syynä? Lisäksi kationien ja radikaalien etsausnopeus on hyvin hidas. Joten miten voimme soveltaa plasmaetsausmenetelmiä massatuotantoon tämän puutteen edessä?
1. Kuvasuhde (A/R)
Kuva 1. Kuvasuhteen käsite ja teknologisen kehityksen vaikutus siihen
Kuvasuhde on vaakasuuntaisen leveyden suhde pystysuuntaiseen korkeuteen (eli korkeus jaettuna leveydellä). Mitä pienempi piirin kriittinen mitta (CD) on, sitä suurempi on kuvasuhteen arvo. Toisin sanoen olettaen, että kuvasuhteen arvo on 10 ja leveys 10 nm, syövytysprosessin aikana poratun reiän korkeuden tulisi olla 100 nm. Siksi seuraavan sukupolven tuotteissa, jotka vaativat ultraminiatyrisointia (2D) tai suurtiheyksistä rakennetta (3D), tarvitaan erittäin korkeita kuvasuhteen arvoja sen varmistamiseksi, että kationit voivat tunkeutua pohjakalvoon syövytyksen aikana.
Jotta 2D-tuotteissa saavutettaisiin ultraminiaturisointitekniikka, jonka kriittinen ulottuvuus on alle 10 nm, dynaamisen RAM-muistin (DRAM) kondensaattorin kuvasuhteen tulisi olla yli 100. Samoin 3D NAND -flash-muisti vaatii suurempia kuvasuhteita pinotakseen 256 kerrosta tai enemmän solupinoamiskerroksia. Vaikka muiden prosessien edellyttämät ehdot täyttyisivät, vaadittuja tuotteita ei voida tuottaa, josetsausprosessiei ole standardin mukainen. Siksi etsaustekniikasta on tulossa yhä tärkeämpää.
2. Yleiskatsaus plasmaetsaukseen
Kuva 2. Plasmalähdekaasun määrittäminen kalvotyypin mukaan
Kun käytetään onttoa putkea, mitä pienempi putken halkaisija on, sitä helpompi neste pääsee sisään, mikä on niin sanottu kapillaari-ilmiö. Jos kuitenkin paljaalle alueelle porataan reikä (suljettu pää), nesteen syötöstä tulee melko vaikeaa. Koska piirin kriittinen koko oli 3–5 μm 1970-luvun puolivälissä, kuivaetsauson vähitellen korvannut märkäetsauksen valtavirtamenetelmänä. Toisin sanoen, vaikka se on ionisoitu, sillä on helpompi tunkeutua syviin reikiin, koska yksittäisen molekyylin tilavuus on pienempi kuin orgaanisen polymeeriliuoksen molekyylin.
Plasmaetsauksen aikana etsauksessa käytettävän käsittelykammion sisäosa tulee säätää tyhjiötilaan ennen kyseiseen kerrokseen sopivan plasmalähdekaasun injektointia. Kiinteiden oksidikalvojen etsauksessa tulee käyttää vahvempia hiilifluoridipohjaisia lähdekaasuja. Suhteellisen heikoille pii- tai metallikalvoille tulee käyttää klooripohjaisia plasmalähdekaasuja.
Joten miten porttikerros ja sen alla oleva piidioksidieristekerros (SiO2) tulisi syövyttää?
Ensinnäkin, porttikerroksen osalta pii tulisi poistaa klooripohjaisella plasmalla (pii + kloori), jolla on polysilikonin syövytysselektiivisyys. Pohjaeristekerroksen osalta piidioksidikalvo tulisi syövyttää kahdessa vaiheessa käyttämällä hiilifluoridipohjaista plasmalähdekaasua (piidioksidi + hiilitetrafluoridi), jolla on vahvempi syövytysselektiivisyys ja -tehokkuus.
3. Reaktiivinen ionetsausprosessi (RIE tai fysikaalis-kemiallinen etsaus)
Kuva 3. Reaktiivisen ionetsauksen edut (anisotropia ja korkea etsausnopeus)
Plasma sisältää sekä isotrooppisia vapaita radikaaleja että anisotrooppisia kationeja, joten miten se suorittaa anisotrooppisen etsauksen?
Plasmakuivaetsaus suoritetaan pääasiassa reaktiivisella ionetsauksella (RIE, Reactive Ion Etching) tai tähän menetelmään perustuvilla sovelluksilla. RIE-menetelmän ydin on heikentää kohdemolekyylien välistä sitoutumisvoimaa kalvossa hyökkäämällä etsausalueeseen anisotrooppisilla kationeilla. Heikennetty alue absorboituu vapaisiin radikaaleihin, yhdistyy kerroksen muodostaviin hiukkasiin, muuttuu kaasuksi (haihtuvaksi yhdisteeksi) ja vapautuu.
Vaikka vapailla radikaaleilla on isotrooppisia ominaisuuksia, pohjapinnan muodostavat molekyylit (joiden sitoutumisvoimaa kationien hyökkäys heikentää) ovat helpommin vapaiden radikaalien sitomia ja muunnettavissa uusiksi yhdisteiksi kuin vahvasti sitoutuvat sivuseinät. Siksi alaspäin syövytyksestä tulee valtavirta. Siepatut hiukkaset muuttuvat kaasuksi vapaiden radikaalien kanssa, jotka desorboituvat ja vapautuvat pinnalta tyhjiön vaikutuksesta.
Tässä vaiheessa fysikaalisella toiminnalla saadut kationit ja kemiallisella toiminnalla saadut vapaat radikaalit yhdistetään fysikaalista ja kemiallista etsausta varten, ja etsausnopeus (etsausnopeus, etsausaste tietyssä ajassa) kasvaa kymmenkertaiseksi verrattuna pelkkään kationiseen etsaukseen tai vapaiden radikaalien etsaukseen. Tämä menetelmä ei ainoastaan lisää anisotrooppisen alaspäin suuntautuvan etsauksen etsausnopeutta, vaan myös ratkaisee polymeerijäämien ongelman etsauksen jälkeen. Tätä menetelmää kutsutaan reaktiiviseksi ionietsaukseksi (RIE). RIE-etsauksen onnistumisen avain on löytää plasmalähdekaasu, joka soveltuu kalvon etsaukseen. Huomautus: Plasmaetsaus on RIE-etsaus, ja näitä kahta voidaan pitää samana käsitteenä.
4. Etsausnopeus ja ydinsuorituskykyindeksi
Kuva 4. Ydinsyövytyssuorituskykyindeksi suhteessa syövytysnopeuteen
Syövytysnopeus viittaa kalvon paksuuteen, jonka odotetaan saavutettavan minuutissa. Mitä siis tarkoittaa, että syövytysnopeus vaihtelee yksittäisen kiekon eri osien välillä?
Tämä tarkoittaa, että etsaussyvyys vaihtelee kiekon eri osissa. Tästä syystä on erittäin tärkeää asettaa loppupiste (EOP), jossa etsaus lopetetaan, ottaen huomioon keskimääräinen etsausnopeus ja etsaussyvyys. Vaikka EOP olisi asetettu, on silti joitakin alueita, joilla etsaussyvyys on syvempi (yli-etsattu) tai matalampi (ali-etsattu) kuin alun perin suunniteltiin. Ali-etsaus aiheuttaa kuitenkin enemmän vaurioita kuin yli-etsaus etsauksen aikana. Ali-etsauksen tapauksessa ali-etsattu osa estää seuraavia prosesseja, kuten ioni-istutusta.
Samaan aikaan selektiivisyys (mitattuna etsausnopeudella) on etsausprosessin keskeinen suorituskykyindikaattori. Mittausstandardi perustuu maskikerroksen (fotoresistikalvo, oksidikalvo, piinitridikalvo jne.) ja kohdekerroksen etsausnopeuden vertailuun. Tämä tarkoittaa, että mitä korkeampi selektiivisyys on, sitä nopeammin kohdekerros syövytetään. Mitä korkeampi miniatyrisointiaste on, sitä korkeampi on selektiivisyysvaatimus, jotta hienot kuviot voidaan esittää täydellisesti. Koska etsaussuunta on suora, kationisen etsauksen selektiivisyys on alhainen, kun taas radikaalietsauksen selektiivisyys on korkea, mikä parantaa RIE:n selektiivisyyttä.
5. Etsausprosessi
Kuva 5. Etsausprosessi
Ensin kiekko asetetaan hapetusuuniin, jonka lämpötila pidetään 800–1000 ℃:n välillä, ja sitten kiekon pinnalle muodostetaan kuivamenetelmällä piidioksidikalvo (SiO2), jolla on korkeat eristysominaisuudet. Seuraavaksi aloitetaan pinnoitusprosessi, jossa oksidikalvolle muodostetaan piikerros tai johtava kerros kemiallisella höyrypinnoituksella (CVD) tai fysikaalisella höyrypinnoituksella (PVD). Jos piikerros muodostuu, voidaan tarvittaessa suorittaa epäpuhtauksien diffuusioprosessi johtavuuden lisäämiseksi. Epäpuhtauksien diffuusioprosessin aikana lisätään usein useita epäpuhtauksia toistuvasti.
Tässä vaiheessa eristävä kerros ja polysilikonikerros tulisi yhdistää syövytystä varten. Ensin käytetään fotoresistia. Tämän jälkeen fotoresistikalvolle asetetaan maski ja märkävalotus suoritetaan upottamalla halutun kuvion (paljaalla silmällä näkymätön) painamiseksi fotoresistikalvolle. Kun kuvion ääriviivat paljastuvat kehityksen myötä, fotoresisti poistetaan valoherkältä alueelta. Sitten fotolitografiaprosessilla käsitelty kiekko siirretään syövytysprosessiin kuivasyövytystä varten.
Kuivaetsaus suoritetaan pääasiassa reaktiivisella ionetsauksella (RIE), jossa etsaus toistetaan pääasiassa vaihtamalla kullekin kalvolle sopiva lähdekaasu. Sekä kuivaetsauksen että märkäetsauksen tavoitteena on parantaa etsauksen kuvasuhdetta (A/R-arvoa). Lisäksi tarvitaan säännöllistä puhdistusta reiän pohjalle kertyneen polymeerin (etsauksen muodostaman raon) poistamiseksi. Tärkeää on, että kaikkia muuttujia (kuten materiaalit, lähdekaasu, aika, muoto ja järjestys) tulisi säätää orgaanisesti sen varmistamiseksi, että puhdistusliuos tai plasmalähdekaasu voi virrata alas uurteen pohjalle. Pieni muutos muuttujassa vaatii muiden muuttujien uudelleenlaskentaa, ja tätä uudelleenlaskentaprosessia toistetaan, kunnes se täyttää kunkin vaiheen tarkoituksen. Viime aikoina monoatomiset kerrokset, kuten atomikerroskasvatuskerrokset (ALD), ovat ohentuneet ja kovetuneet. Siksi etsaustekniikka on siirtymässä kohti matalien lämpötilojen ja paineiden käyttöä. Etsausprosessin tavoitteena on hallita kriittistä ulottuvuutta (CD), jotta voidaan tuottaa hienoja kuvioita ja varmistaa, että etsausprosessin aiheuttamat ongelmat, erityisesti alietsaus ja jäämien poistoon liittyvät ongelmat, vältetään. Yllä olevat kaksi etsausartikkelia pyrkivät tarjoamaan lukijoille ymmärryksen etsausprosessin tarkoituksesta, edellä mainittujen tavoitteiden saavuttamisen esteistä ja näiden esteiden voittamiseksi käytetyistä suorituskykyindikaattoreista.
Julkaisun aika: 10.9.2024