सेमीकंडक्टर पैटर्निंग प्रक्रिया फ्लो-एचिंग

प्रारंभिक वेट एचिंग ने क्लीनिंग या ऐशिंग प्रक्रियाओं के विकास को बढ़ावा दिया। आज, प्लाज्मा का उपयोग करके ड्राई एचिंग मुख्यधारा बन गई है।नक़्क़ाशी प्रक्रियाप्लाज्मा में इलेक्ट्रॉन, धनायन और मूलक होते हैं। प्लाज्मा पर लगाई गई ऊर्जा के कारण उदासीन अवस्था में मौजूद स्रोत गैस के सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन अलग हो जाते हैं, जिससे ये इलेक्ट्रॉन धनायन में परिवर्तित हो जाते हैं।

इसके अलावा, अणुओं में मौजूद अपूर्ण परमाणुओं को ऊर्जा लगाकर अलग किया जा सकता है, जिससे विद्युत रूप से उदासीन मूलक बनते हैं। शुष्क नक़्क़ाशी में प्लाज़्मा बनाने वाले धनायनों और मूलकों का उपयोग होता है, जहाँ धनायन विषमदैशिक (किसी विशेष दिशा में नक़्क़ाशी के लिए उपयुक्त) होते हैं और मूलक समदैशिक (सभी दिशाओं में नक़्क़ाशी के लिए उपयुक्त) होते हैं। मूलकों की संख्या धनायनों की संख्या से कहीं अधिक होती है। इस स्थिति में, शुष्क नक़्क़ाशी भी गीली नक़्क़ाशी की तरह समदैशिक होनी चाहिए।

हालांकि, शुष्क नक़्क़ाशी की विषमदैशिक नक़्क़ाशी ही अतिसूक्ष्म परिपथों को संभव बनाती है। इसका कारण क्या है? इसके अलावा, धनायनों और मूल कणों की नक़्क़ाशी गति बहुत धीमी होती है। तो इस कमी के बावजूद हम प्लाज्मा नक़्क़ाशी विधियों को बड़े पैमाने पर उत्पादन में कैसे लागू कर सकते हैं?

 

 

1. आस्पेक्ट रेशियो (A/R)

 

चित्र 1. आस्पेक्ट रेशियो की अवधारणा और इस पर तकनीकी प्रगति का प्रभाव

 

आस्पेक्ट रेशियो क्षैतिज चौड़ाई और ऊर्ध्वाधर ऊँचाई का अनुपात होता है (अर्थात ऊँचाई को चौड़ाई से भाग देने पर प्राप्त अनुपात)। परिपथ का क्रांतिक आयाम (CD) जितना छोटा होगा, आस्पेक्ट रेशियो का मान उतना ही अधिक होगा। उदाहरण के लिए, यदि आस्पेक्ट रेशियो का मान 10 और चौड़ाई 10nm हो, तो नक़्क़ाशी प्रक्रिया के दौरान ड्रिल किए गए छेद की ऊँचाई 100nm होनी चाहिए। अतः, अगली पीढ़ी के उन उत्पादों के लिए जिन्हें अति-लघुकरण (2D) या उच्च घनत्व (3D) की आवश्यकता होती है, नक़्क़ाशी के दौरान धनायनों को निचली परत में प्रवेश करने की सुविधा सुनिश्चित करने के लिए अत्यंत उच्च आस्पेक्ट रेशियो मानों की आवश्यकता होती है।

 

2D उत्पादों में 10nm से कम के महत्वपूर्ण आयाम के साथ अति-लघुकरण तकनीक प्राप्त करने के लिए, डायनेमिक रैंडम एक्सेस मेमोरी (DRAM) के कैपेसिटर एस्पेक्ट रेश्यो का मान 100 से ऊपर बनाए रखना आवश्यक है। इसी प्रकार, 3D NAND फ्लैश मेमोरी को भी 256 या उससे अधिक सेल स्टैकिंग परतों को स्टैक करने के लिए उच्च एस्पेक्ट रेश्यो मानों की आवश्यकता होती है। यदि अन्य प्रक्रियाओं के लिए आवश्यक शर्तें पूरी भी हो जाती हैं, तो भी यदि आवश्यक एस्पेक्ट रेश्यो मान 100 से ऊपर बनाए रखा जाता है, तो अपेक्षित उत्पाद नहीं बनाए जा सकते।नक़्क़ाशी प्रक्रियायह मानक के अनुरूप नहीं है। यही कारण है कि एचिंग तकनीक का महत्व लगातार बढ़ता जा रहा है।

 

 

2. प्लाज्मा एचिंग का अवलोकन

 

चित्र 2. फिल्म के प्रकार के अनुसार प्लाज्मा स्रोत गैस का निर्धारण

 

जब खोखले पाइप का उपयोग किया जाता है, तो पाइप का व्यास जितना कम होता है, तरल का प्रवेश उतना ही आसान होता है, जिसे केशिका क्रिया कहते हैं। हालांकि, यदि खुले सिरे में छेद (बंद सिरा) किया जाता है, तो तरल का प्रवेश काफी मुश्किल हो जाता है। इसलिए, 1970 के दशक के मध्य में परिपथ का महत्वपूर्ण आकार 3um से 5um था, इसलिए शुष्कएचिंगगीली नक़्क़ाशी की जगह धीरे-धीरे मुख्यधारा की तकनीक के रूप में इसका स्थान ले लिया है। यानी, आयनित होने के बावजूद, यह गहरे छिद्रों में आसानी से प्रवेश कर सकता है क्योंकि एक अणु का आयतन कार्बनिक बहुलक विलयन के अणु के आयतन से छोटा होता है।

प्लाज्मा एचिंग के दौरान, एचिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रोसेसिंग चैंबर के आंतरिक भाग को उपयुक्त परत के लिए उपयुक्त प्लाज्मा स्रोत गैस डालने से पहले निर्वात की स्थिति में समायोजित किया जाना चाहिए। ठोस ऑक्साइड फिल्मों की एचिंग करते समय, अधिक शक्तिशाली कार्बन फ्लोराइड-आधारित स्रोत गैसों का उपयोग किया जाना चाहिए। अपेक्षाकृत कमजोर सिलिकॉन या धातु फिल्मों के लिए, क्लोरीन-आधारित प्लाज्मा स्रोत गैसों का उपयोग किया जाना चाहिए।

तो, गेट लेयर और उसके नीचे स्थित सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) इंसुलेटिंग लेयर को कैसे एच किया जाना चाहिए?

सबसे पहले, गेट परत के लिए, पॉलीसिलिकॉन एचिंग सेलेक्टिविटी वाले क्लोरीन-आधारित प्लाज्मा (सिलिकॉन + क्लोरीन) का उपयोग करके सिलिकॉन को हटाया जाना चाहिए। निचली इन्सुलेटिंग परत के लिए, अधिक मजबूत एचिंग सेलेक्टिविटी और प्रभावशीलता वाले कार्बन फ्लोराइड-आधारित प्लाज्मा स्रोत गैस (सिलिकॉन डाइऑक्साइड + कार्बन टेट्राफ्लोराइड) का उपयोग करके सिलिकॉन डाइऑक्साइड फिल्म को दो चरणों में एच किया जाना चाहिए।

 

 

3. रिएक्टिव आयन एचिंग (आरआईई या भौतिक-रासायनिक एचिंग) प्रक्रिया

 

चित्र 3. प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी के लाभ (विषमता और उच्च नक़्क़ाशी दर)

 

प्लाज्मा में आइसोट्रोपिक फ्री रेडिकल्स और एनिसोट्रोपिक कैटायन दोनों होते हैं, तो यह एनिसोट्रोपिक एचिंग कैसे करता है?

प्लाज्मा ड्राई एचिंग मुख्य रूप से रिएक्टिव आयन एचिंग (आरआईई) या इस विधि पर आधारित अनुप्रयोगों द्वारा की जाती है। आरआईई विधि का मूल सिद्धांत विषम धनायनों द्वारा एचिंग क्षेत्र पर आक्रमण करके फिल्म में लक्ष्य अणुओं के बीच बंधन बल को कमजोर करना है। कमजोर क्षेत्र मुक्त कणों द्वारा अवशोषित हो जाता है, परत बनाने वाले कणों के साथ मिलकर गैस (एक वाष्पशील यौगिक) में परिवर्तित हो जाता है और मुक्त हो जाता है।

हालांकि मुक्त कणों में समरूप गुण होते हैं, लेकिन निचली सतह (जिसकी बंधन शक्ति धनायनों के आक्रमण से कमजोर हो जाती है) के अणु, मजबूत बंधन शक्ति वाली पार्श्व दीवारों की तुलना में मुक्त कणों द्वारा अधिक आसानी से ग्रहण कर लिए जाते हैं और नए यौगिकों में परिवर्तित हो जाते हैं। इसलिए, नीचे की ओर क्षरण मुख्य प्रक्रिया बन जाती है। ग्रहण किए गए कण मुक्त कणों के साथ गैस बन जाते हैं, जो निर्वात की क्रिया के तहत सतह से विमोचित होकर मुक्त हो जाते हैं।

 

इस समय, भौतिक क्रिया द्वारा प्राप्त धनायनों और रासायनिक क्रिया द्वारा प्राप्त मुक्त मूलकों को भौतिक और रासायनिक नक़्क़ाशी के लिए संयोजित किया जाता है, और नक़्क़ाशी दर (नक़्क़ाशी दर, एक निश्चित समयावधि में नक़्क़ाशी की मात्रा) केवल धनायनिक नक़्क़ाशी या मुक्त मूलक नक़्क़ाशी की तुलना में 10 गुना बढ़ जाती है। यह विधि न केवल विषमदैशिक अवरोही नक़्क़ाशी की नक़्क़ाशी दर को बढ़ा सकती है, बल्कि नक़्क़ाशी के बाद बहुलक अवशेष की समस्या का भी समाधान कर सकती है। इस विधि को प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (आरआईई) कहा जाता है। आरआईई नक़्क़ाशी की सफलता की कुंजी फिल्म की नक़्क़ाशी के लिए उपयुक्त प्लाज्मा स्रोत गैस का पता लगाना है। नोट: प्लाज्मा नक़्क़ाशी आरआईई नक़्क़ाशी है, और दोनों को एक ही अवधारणा माना जा सकता है।

 

 

4. एचिंग दर और कोर प्रदर्शन सूचकांक

 

चित्र 4. एच दर से संबंधित कोर एच प्रदर्शन सूचकांक

 

एच रेट से तात्पर्य उस फिल्म की मोटाई से है जो एक मिनट में प्राप्त होने की उम्मीद होती है। तो इसका क्या मतलब है कि एक ही वेफर के अलग-अलग हिस्सों में एच रेट भिन्न-भिन्न होता है?

इसका अर्थ है कि वेफर के प्रत्येक भाग पर एचिंग की गहराई अलग-अलग होती है। इसलिए, औसत एचिंग दर और एचिंग गहराई को ध्यान में रखते हुए, उस अंतिम बिंदु (ईओपी) को निर्धारित करना अत्यंत महत्वपूर्ण है जहाँ एचिंग को रोकना चाहिए। ईओपी निर्धारित करने के बाद भी, कुछ ऐसे क्षेत्र हो सकते हैं जहाँ एचिंग की गहराई मूल योजना से अधिक (ओवर-एचिंग) या कम (अंडर-एचिंग) हो। हालांकि, अंडर-एचिंग, ओवर-एचिंग की तुलना में एचिंग के दौरान अधिक नुकसान पहुंचाती है। क्योंकि अंडर-एचिंग की स्थिति में, अंडर-एचिंग वाला भाग आयन इम्प्लांटेशन जैसी बाद की प्रक्रियाओं में बाधा उत्पन्न करेगा।

इस बीच, चयनात्मकता (एच दर द्वारा मापी गई) एचिंग प्रक्रिया का एक प्रमुख प्रदर्शन सूचक है। मापन मानक मास्क परत (फोटोरेसिस्ट फिल्म, ऑक्साइड फिल्म, सिलिकॉन नाइट्राइड फिल्म, आदि) और लक्ष्य परत की एच दर की तुलना पर आधारित है। इसका अर्थ है कि चयनात्मकता जितनी अधिक होगी, लक्ष्य परत उतनी ही तेजी से एच होगी। लघुकरण का स्तर जितना अधिक होगा, सूक्ष्म पैटर्न को पूर्ण रूप से प्रस्तुत करने के लिए चयनात्मकता की आवश्यकता उतनी ही अधिक होगी। चूंकि एचिंग की दिशा सीधी होती है, इसलिए धनायनिक एचिंग की चयनात्मकता कम होती है, जबकि रेडिकल एचिंग की चयनात्मकता अधिक होती है, जिससे आरआईई की चयनात्मकता में सुधार होता है।

 

 

5. नक़्क़ाशी प्रक्रिया

 

चित्र 5. नक़्क़ाशी प्रक्रिया

 

सबसे पहले, वेफर को 800 से 1000 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर ऑक्सीकरण भट्टी में रखा जाता है, और फिर शुष्क विधि द्वारा वेफर की सतह पर उच्च इन्सुलेशन गुणों वाली सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) फिल्म बनाई जाती है। इसके बाद, रासायनिक वाष्प निक्षेपण (CVD)/भौतिक वाष्प निक्षेपण (PVD) द्वारा ऑक्साइड फिल्म पर सिलिकॉन परत या चालक परत बनाने की प्रक्रिया शुरू की जाती है। यदि सिलिकॉन परत बनाई जाती है, तो आवश्यकता पड़ने पर चालकता बढ़ाने के लिए अशुद्धता प्रसार प्रक्रिया की जा सकती है। अशुद्धता प्रसार प्रक्रिया के दौरान, अक्सर कई अशुद्धियों को बार-बार मिलाया जाता है।

इस समय, ऊष्माक्षेपण के लिए इन्सुलेटिंग परत और पॉलीसिलिकॉन परत को संयोजित किया जाना चाहिए। सबसे पहले, एक फोटोरेसिस्ट का उपयोग किया जाता है। इसके बाद, फोटोरेसिस्ट फिल्म पर एक मास्क रखा जाता है और वांछित पैटर्न (जो नग्न आंखों से अदृश्य होता है) को फोटोरेसिस्ट फिल्म पर अंकित करने के लिए विसर्जन द्वारा गीला एक्सपोजर किया जाता है। जब विकास द्वारा पैटर्न की रूपरेखा दिखाई देती है, तो प्रकाश संवेदनशील क्षेत्र में फोटोरेसिस्ट को हटा दिया जाता है। फिर, फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया द्वारा संसाधित वेफर को शुष्क ऊष्माक्षेपण के लिए ऊष्माक्षेपण प्रक्रिया में स्थानांतरित किया जाता है।

ड्राई एचिंग मुख्य रूप से रिएक्टिव आयन एचिंग (आरआईई) द्वारा की जाती है, जिसमें प्रत्येक फिल्म के लिए उपयुक्त स्रोत गैस को बदलकर एचिंग प्रक्रिया को दोहराया जाता है। ड्राई एचिंग और वेट एचिंग दोनों का उद्देश्य एचिंग के एस्पेक्ट रेशियो (ए/आर मान) को बढ़ाना है। इसके अलावा, छेद के तल पर जमा हुए पॉलीमर (एचिंग से बने गैप) को हटाने के लिए नियमित सफाई आवश्यक है। महत्वपूर्ण बात यह है कि सभी चर (जैसे सामग्री, स्रोत गैस, समय, रूप और क्रम) को व्यवस्थित रूप से समायोजित किया जाना चाहिए ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि सफाई घोल या प्लाज्मा स्रोत गैस खाई के तल तक प्रवाहित हो सके। किसी भी चर में मामूली बदलाव होने पर अन्य चरों की पुनर्गणना करनी पड़ती है, और यह पुनर्गणना प्रक्रिया तब तक दोहराई जाती है जब तक कि प्रत्येक चरण का उद्देश्य पूरा न हो जाए। हाल ही में, एटॉमिक लेयर डिपोजिशन (एएलडी) जैसी मोनोएटॉमिक परतें पतली और कठोर हो गई हैं। इसलिए, एचिंग तकनीक कम तापमान और दबाव के उपयोग की ओर बढ़ रही है। एचिंग प्रक्रिया का उद्देश्य क्रिटिकल डायमेंशन (सीडी) को नियंत्रित करके बारीक पैटर्न बनाना और एचिंग प्रक्रिया से उत्पन्न होने वाली समस्याओं, विशेष रूप से अंडर-एचिंग और अवशेष हटाने से संबंधित समस्याओं से बचना है। एचिंग पर उपरोक्त दो लेखों का उद्देश्य पाठकों को एचिंग प्रक्रिया के उद्देश्य, उपरोक्त लक्ष्यों को प्राप्त करने में आने वाली बाधाओं और इन बाधाओं को दूर करने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रदर्शन संकेतकों की समझ प्रदान करना है।