સેમિકન્ડક્ટર પેટર્નિંગ પ્રક્રિયા ફ્લો-એચિંગ

પ્રારંભિક ભીનું એચિંગ સફાઈ અથવા રાખ દૂર કરવાની પ્રક્રિયાઓના વિકાસને પ્રોત્સાહન આપતું હતું. આજે, પ્લાઝ્માનો ઉપયોગ કરીને સૂકી એચિંગ મુખ્ય પ્રવાહ બની ગયું છે.કોતરણી પ્રક્રિયાપ્લાઝમામાં ઇલેક્ટ્રોન, કેશન અને રેડિકલ હોય છે. પ્લાઝમા પર લાગુ થતી ઊર્જા તટસ્થ સ્થિતિમાં રહેલા સ્રોત ગેસના સૌથી બહારના ઇલેક્ટ્રોનને છીનવી લે છે, જેનાથી આ ઇલેક્ટ્રોન કેશનમાં રૂપાંતરિત થાય છે.

વધુમાં, અણુઓમાં અપૂર્ણ પરમાણુઓને વિદ્યુત રીતે તટસ્થ રેડિકલ બનાવવા માટે ઊર્જાનો ઉપયોગ કરીને દૂર કરી શકાય છે. ડ્રાય એચિંગ પ્લાઝ્મા બનાવતા કેશન અને રેડિકલનો ઉપયોગ કરે છે, જ્યાં કેશન એનિસોટ્રોપિક હોય છે (ચોક્કસ દિશામાં એચિંગ માટે યોગ્ય) અને રેડિકલ આઇસોટ્રોપિક હોય છે (બધી દિશામાં એચિંગ માટે યોગ્ય). રેડિકલની સંખ્યા કેશનની સંખ્યા કરતા ઘણી વધારે છે. આ કિસ્સામાં, ડ્રાય એચિંગ ભીના એચિંગની જેમ આઇસોટ્રોપિક હોવું જોઈએ.

જોકે, ડ્રાય એચિંગનું એનિસોટ્રોપિક એચિંગ અલ્ટ્રા-મિનીએચ્યુરાઇઝ્ડ સર્કિટ્સ બનાવવાનું શક્ય બનાવે છે. આનું કારણ શું છે? વધુમાં, કેશન અને રેડિકલ્સની એચિંગ ગતિ ખૂબ જ ધીમી છે. તો આ ખામી હોવા છતાં, આપણે મોટા પાયે ઉત્પાદન માટે પ્લાઝ્મા એચિંગ પદ્ધતિઓ કેવી રીતે લાગુ કરી શકીએ?

 

 

૧. પાસા ગુણોત્તર (A/R)

 

આકૃતિ 1. પાસા ગુણોત્તરની વિભાવના અને તેના પર તકનીકી પ્રગતિની અસર

 

પાસા ગુણોત્તર એ આડી પહોળાઈ અને ઊભી ઊંચાઈ (એટલે ​​કે, પહોળાઈ દ્વારા ભાગ્યા ઊંચાઈ) નો ગુણોત્તર છે. સર્કિટનું ક્રિટિકલ ડાયમેન્શન (CD) જેટલું નાનું હશે, પાસા ગુણોત્તર મૂલ્ય તેટલું મોટું હશે. એટલે કે, 10 ના પાસા ગુણોત્તર મૂલ્ય અને 10nm ની પહોળાઈ ધારીને, એચિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન ડ્રિલ કરાયેલા છિદ્રની ઊંચાઈ 100nm હોવી જોઈએ. તેથી, આગામી પેઢીના ઉત્પાદનો માટે જેને અલ્ટ્રા-મિનીએચ્યુરાઇઝેશન (2D) અથવા ઉચ્ચ ઘનતા (3D) ની જરૂર હોય છે, એચિંગ દરમિયાન કેશન નીચેની ફિલ્મમાં પ્રવેશ કરી શકે તે સુનિશ્ચિત કરવા માટે અત્યંત ઉચ્ચ પાસા ગુણોત્તર મૂલ્યો જરૂરી છે.

 

2D ઉત્પાદનોમાં 10nm કરતા ઓછાના નિર્ણાયક પરિમાણ સાથે અલ્ટ્રા-મિનીએચ્યુરાઇઝેશન ટેકનોલોજી પ્રાપ્ત કરવા માટે, ડાયનેમિક રેન્ડમ એક્સેસ મેમરી (DRAM) નું કેપેસિટર પાસા રેશિયો મૂલ્ય 100 થી ઉપર જાળવવું જોઈએ. તેવી જ રીતે, 3D NAND ફ્લેશ મેમરીને 256 સ્તરો કે તેથી વધુ સેલ સ્ટેકીંગ સ્તરોને સ્ટેક કરવા માટે ઉચ્ચ પાસા રેશિયો મૂલ્યોની પણ જરૂર પડે છે. જો અન્ય પ્રક્રિયાઓ માટે જરૂરી શરતો પૂરી થાય તો પણ, જરૂરી ઉત્પાદનો ઉત્પન્ન કરી શકાતા નથી જોકોતરણી પ્રક્રિયાપ્રમાણભૂત નથી. આ જ કારણ છે કે એચિંગ ટેકનોલોજી વધુને વધુ મહત્વપૂર્ણ બની રહી છે.

 

 

2. પ્લાઝ્મા એચિંગનું વિહંગાવલોકન

 

આકૃતિ 2. ફિલ્મના પ્રકાર અનુસાર પ્લાઝ્મા સ્ત્રોત ગેસનું નિર્ધારણ

 

જ્યારે હોલો પાઇપનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, ત્યારે પાઇપનો વ્યાસ જેટલો સાંકડો હોય છે, પ્રવાહીને પ્રવેશવામાં તેટલું સરળ બને છે, જેને કેશિલરી ઘટના કહેવામાં આવે છે. જો કે, જો ખુલ્લા વિસ્તારમાં છિદ્ર (બંધ છેડો) ડ્રિલ કરવામાં આવે છે, તો પ્રવાહીનું ઇનપુટ ખૂબ મુશ્કેલ બની જાય છે. તેથી, 1970 ના દાયકાના મધ્યમાં સર્કિટનું નિર્ણાયક કદ 3um થી 5um હતું, તેથી સૂકુંકોતરણીધીમે ધીમે મુખ્ય પ્રવાહ તરીકે ભીના એચિંગનું સ્થાન લીધું છે. એટલે કે, આયનાઇઝ્ડ હોવા છતાં, ઊંડા છિદ્રોમાં પ્રવેશ કરવો સરળ છે કારણ કે એક પરમાણુનું કદ કાર્બનિક પોલિમર દ્રાવણના પરમાણુ કરતા ઓછું હોય છે.

પ્લાઝ્મા એચિંગ દરમિયાન, એચિંગ માટે ઉપયોગમાં લેવાતા પ્રોસેસિંગ ચેમ્બરના આંતરિક ભાગને સંબંધિત સ્તર માટે યોગ્ય પ્લાઝ્મા સ્ત્રોત ગેસ ઇન્જેક્ટ કરતા પહેલા વેક્યુમ સ્થિતિમાં ગોઠવવો જોઈએ. સોલિડ ઓક્સાઇડ ફિલ્મોને એચિંગ કરતી વખતે, મજબૂત કાર્બન ફ્લોરાઇડ આધારિત સ્ત્રોત વાયુઓનો ઉપયોગ કરવો જોઈએ. પ્રમાણમાં નબળા સિલિકોન અથવા મેટલ ફિલ્મો માટે, ક્લોરિન આધારિત પ્લાઝ્મા સ્ત્રોત વાયુઓનો ઉપયોગ કરવો જોઈએ.

તો, ગેટ લેયર અને અંતર્ગત સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (SiO2) ઇન્સ્યુલેટીંગ લેયર કેવી રીતે કોતરવા જોઈએ?

સૌપ્રથમ, ગેટ લેયર માટે, પોલિસિલિકોન એચિંગ સિલેક્ટિવિટી સાથે ક્લોરિન-આધારિત પ્લાઝ્મા (સિલિકોન + ક્લોરિન) નો ઉપયોગ કરીને સિલિકોન દૂર કરવું જોઈએ. નીચેના ઇન્સ્યુલેટીંગ લેયર માટે, સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ ફિલ્મને કાર્બન ફ્લોરાઇડ-આધારિત પ્લાઝ્મા સોર્સ ગેસ (સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ + કાર્બન ટેટ્રાફ્લોરાઇડ) નો ઉપયોગ કરીને બે પગલામાં કોતરવી જોઈએ જેમાં મજબૂત એચિંગ સિલેક્ટિવિટી અને અસરકારકતા હોય.

 

 

૩. પ્રતિક્રિયાશીલ આયન એચિંગ (RIE અથવા ભૌતિક-રાસાયણિક એચિંગ) પ્રક્રિયા

 

આકૃતિ 3. પ્રતિક્રિયાશીલ આયન એચિંગના ફાયદા (એનિસોટ્રોપી અને ઉચ્ચ એચિંગ દર)

 

પ્લાઝ્મામાં આઇસોટ્રોપિક ફ્રી રેડિકલ અને એનિસોટ્રોપિક કેશન બંને હોય છે, તો તે એનિસોટ્રોપિક એચિંગ કેવી રીતે કરે છે?

પ્લાઝ્મા ડ્રાય એચિંગ મુખ્યત્વે રિએક્ટિવ આયન એચિંગ (RIE, રિએક્ટિવ આયન એચિંગ) અથવા આ પદ્ધતિ પર આધારિત એપ્લિકેશન દ્વારા કરવામાં આવે છે. RIE પદ્ધતિનો મુખ્ય હેતુ ફિલ્મમાં લક્ષ્ય અણુઓ વચ્ચેના બંધન બળને નબળો પાડવાનો છે, જે એનિસોટ્રોપિક કેશનથી એચિંગ વિસ્તાર પર હુમલો કરે છે. નબળા વિસ્તારને મુક્ત રેડિકલ દ્વારા શોષવામાં આવે છે, જે સ્તર બનાવતા કણો સાથે જોડાય છે, ગેસ (એક અસ્થિર સંયોજન) માં રૂપાંતરિત થાય છે અને મુક્ત થાય છે.

મુક્ત રેડિકલ્સમાં આઇસોટ્રોપિક લાક્ષણિકતાઓ હોવા છતાં, નીચેની સપાટી બનાવતા અણુઓ (જેનું બંધન બળ કેશનના હુમલાથી નબળું પડી જાય છે) મુક્ત રેડિકલ દ્વારા વધુ સરળતાથી કબજે કરવામાં આવે છે અને મજબૂત બંધન બળ સાથે બાજુની દિવાલો કરતાં નવા સંયોજનોમાં રૂપાંતરિત થાય છે. તેથી, નીચે તરફનું કોતરકામ મુખ્ય પ્રવાહ બની જાય છે. કબજે કરેલા કણો મુક્ત રેડિકલ સાથે ગેસ બને છે, જે શૂન્યાવકાશની ક્રિયા હેઠળ સપાટી પરથી શોષાય છે અને મુક્ત થાય છે.

 

આ સમયે, ભૌતિક ક્રિયા દ્વારા મેળવેલા કેશન અને રાસાયણિક ક્રિયા દ્વારા મેળવેલા મુક્ત રેડિકલને ભૌતિક અને રાસાયણિક એચિંગ માટે જોડવામાં આવે છે, અને એચિંગ રેટ (એચ રેટ, ચોક્કસ સમયગાળામાં એચિંગની ડિગ્રી) કેશનિક એચિંગ અથવા ફ્રી રેડિકલ એચિંગની તુલનામાં 10 ગણો વધે છે. આ પદ્ધતિ ફક્ત એનિસોટ્રોપિક ડાઉનવર્ડ એચિંગના એચિંગ રેટમાં વધારો કરી શકતી નથી, પરંતુ એચિંગ પછી પોલિમર અવશેષોની સમસ્યાને પણ હલ કરી શકે છે. આ પદ્ધતિને રિએક્ટિવ આયન એચિંગ (RIE) કહેવામાં આવે છે. RIE એચિંગની સફળતાની ચાવી એ ફિલ્મ એચિંગ માટે યોગ્ય પ્લાઝ્મા સ્ત્રોત ગેસ શોધવાનું છે. નોંધ: પ્લાઝ્મા એચિંગ એ RIE એચિંગ છે, અને બંનેને સમાન ખ્યાલ તરીકે ગણી શકાય.

 

 

4. એચ રેટ અને કોર પર્ફોર્મન્સ ઇન્ડેક્સ

 

આકૃતિ 4. એચ રેટ સંબંધિત કોર એચ પર્ફોર્મન્સ ઇન્ડેક્સ

 

એચ રેટ એ ફિલ્મની ઊંડાઈને દર્શાવે છે જે એક મિનિટમાં પહોંચવાની અપેક્ષા છે. તો એનો અર્થ શું થાય છે કે એક જ વેફર પર એચ રેટ આંશિક રીતે બદલાય છે?

આનો અર્થ એ થાય કે વેફર પર કોતરણીની ઊંડાઈ ભાગથી ભાગ પ્રમાણે બદલાય છે. આ કારણોસર, સરેરાશ કોતરણી દર અને કોતરણીની ઊંડાઈને ધ્યાનમાં લઈને અંતિમ બિંદુ (EOP) સેટ કરવું ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે જ્યાં કોતરણી બંધ થવી જોઈએ. જો EOP સેટ કરેલ હોય, તો પણ કેટલાક વિસ્તારો એવા છે જ્યાં કોતરણીની ઊંડાઈ મૂળ યોજના કરતા વધુ ઊંડી (ઓવર-એચ્ડ) અથવા છીછરી (ઓવર-એચ્ડ) હોય છે. જો કે, કોતરણી દરમિયાન ઓવર-એચિંગ કરતાં અંડર-એચિંગ વધુ નુકસાન પહોંચાડે છે. કારણ કે અંડર-એચિંગના કિસ્સામાં, અંડર-એચ્ડ ભાગ આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન જેવી અનુગામી પ્રક્રિયાઓને અવરોધશે.

દરમિયાન, પસંદગી (એચ રેટ દ્વારા માપવામાં આવે છે) એ એચિંગ પ્રક્રિયાનો મુખ્ય પ્રદર્શન સૂચક છે. માપન ધોરણ માસ્ક સ્તર (ફોટોરેસિસ્ટ ફિલ્મ, ઓક્સાઇડ ફિલ્મ, સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ ફિલ્મ, વગેરે) અને લક્ષ્ય સ્તરના એચ રેટની તુલના પર આધારિત છે. આનો અર્થ એ છે કે પસંદગી જેટલી ઊંચી હશે, લક્ષ્ય સ્તર જેટલી ઝડપથી એચિંગ થશે. લઘુચિત્રીકરણનું સ્તર જેટલું ઊંચું હશે, તે સુનિશ્ચિત કરવા માટે પસંદગીની આવશ્યકતા એટલી જ ઊંચી હશે કે બારીક પેટર્નને સંપૂર્ણ રીતે રજૂ કરી શકાય. એચિંગ દિશા સીધી હોવાથી, કેશનિક એચિંગની પસંદગી ઓછી છે, જ્યારે રેડિકલ એચિંગની પસંદગી ઊંચી છે, જે RIE ની પસંદગીને સુધારે છે.

 

 

૫. કોતરણી પ્રક્રિયા

 

આકૃતિ 5. કોતરણી પ્રક્રિયા

 

સૌપ્રથમ, વેફરને 800 અને 1000℃ વચ્ચે તાપમાન જાળવી રાખતા ઓક્સિડેશન ભઠ્ઠીમાં મૂકવામાં આવે છે, અને પછી સૂકી પદ્ધતિ દ્વારા વેફરની સપાટી પર ઉચ્ચ ઇન્સ્યુલેશન ગુણધર્મો ધરાવતી સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (SiO2) ફિલ્મ બનાવવામાં આવે છે. આગળ, રાસાયણિક વરાળ નિક્ષેપન (CVD)/ભૌતિક વરાળ નિક્ષેપન (PVD) દ્વારા ઓક્સાઇડ ફિલ્મ પર સિલિકોન સ્તર અથવા વાહક સ્તર બનાવવા માટે ડિપોઝિશન પ્રક્રિયા દાખલ કરવામાં આવે છે. જો સિલિકોન સ્તર રચાય છે, તો જો જરૂરી હોય તો વાહકતા વધારવા માટે અશુદ્ધિ પ્રસરણ પ્રક્રિયા કરી શકાય છે. અશુદ્ધિ પ્રસરણ પ્રક્રિયા દરમિયાન, ઘણી અશુદ્ધિઓ વારંવાર ઉમેરવામાં આવે છે.

આ સમયે, એચિંગ માટે ઇન્સ્યુલેટીંગ લેયર અને પોલિસિલિકોન લેયરને જોડવા જોઈએ. પ્રથમ, ફોટોરેઝિસ્ટનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ત્યારબાદ, ફોટોરેઝિસ્ટ ફિલ્મ પર માસ્ક મૂકવામાં આવે છે અને ફોટોરેઝિસ્ટ ફિલ્મ પર ઇચ્છિત પેટર્ન (નરી આંખે અદ્રશ્ય) છાપવા માટે નિમજ્જન દ્વારા ભીનું એક્સપોઝર કરવામાં આવે છે. જ્યારે પેટર્નની રૂપરેખા વિકાસ દ્વારા પ્રગટ થાય છે, ત્યારે ફોટોસેન્સિટિવ વિસ્તારમાં ફોટોરેઝિસ્ટ દૂર કરવામાં આવે છે. પછી, ફોટોલિથોગ્રાફી પ્રક્રિયા દ્વારા પ્રક્રિયા કરાયેલ વેફરને ડ્રાય એચિંગ માટે એચિંગ પ્રક્રિયામાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે.

ડ્રાય એચિંગ મુખ્યત્વે રિએક્ટિવ આયન એચિંગ (RIE) દ્વારા કરવામાં આવે છે, જેમાં એચિંગ મુખ્યત્વે દરેક ફિલ્મ માટે યોગ્ય સ્ત્રોત ગેસને બદલીને પુનરાવર્તિત થાય છે. ડ્રાય એચિંગ અને વેટ એચિંગ બંનેનો હેતુ એચિંગના પાસા રેશિયો (A/R મૂલ્ય) ને વધારવાનો છે. વધુમાં, છિદ્રના તળિયે સંચિત પોલિમર (એચિંગ દ્વારા રચાયેલ ગેપ) ને દૂર કરવા માટે નિયમિત સફાઈ જરૂરી છે. મહત્વપૂર્ણ મુદ્દો એ છે કે બધા ચલો (જેમ કે સામગ્રી, સ્ત્રોત ગેસ, સમય, સ્વરૂપ અને ક્રમ) ને ઓર્ગેનિકલી ગોઠવવા જોઈએ જેથી ખાતરી થાય કે સફાઈ દ્રાવણ અથવા પ્લાઝ્મા સ્ત્રોત ગેસ ખાઈના તળિયે વહે છે. ચલમાં થોડો ફેરફાર કરવા માટે અન્ય ચલોની પુનઃ ગણતરીની જરૂર પડે છે, અને આ પુનઃ ગણતરી પ્રક્રિયા દરેક તબક્કાના હેતુને પૂર્ણ ન કરે ત્યાં સુધી પુનરાવર્તિત થાય છે. તાજેતરમાં, એટોમિક લેયર ડિપોઝિશન (ALD) સ્તરો જેવા મોનોએટોમિક સ્તરો પાતળા અને સખત બન્યા છે. તેથી, એચિંગ ટેકનોલોજી નીચા તાપમાન અને દબાણના ઉપયોગ તરફ આગળ વધી રહી છે. એચિંગ પ્રક્રિયાનો ઉદ્દેશ્ય નિર્ણાયક પરિમાણ (CD) ને નિયંત્રિત કરવાનો છે જેથી બારીક પેટર્ન ઉત્પન્ન થાય અને ખાતરી થાય કે એચિંગ પ્રક્રિયાને કારણે થતી સમસ્યાઓ, ખાસ કરીને અંડર-એચિંગ અને અવશેષ દૂર કરવા સંબંધિત સમસ્યાઓ ટાળવામાં આવે. એચિંગ પરના ઉપરોક્ત બે લેખોનો હેતુ વાચકોને એચિંગ પ્રક્રિયાના હેતુ, ઉપરોક્ત લક્ષ્યોને પ્રાપ્ત કરવામાં અવરોધો અને આવા અવરોધોને દૂર કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા પ્રદર્શન સૂચકાંકોની સમજ પૂરી પાડવાનો છે.