Le prime tecniche di incisione a umido hanno favorito lo sviluppo di processi di pulizia o incenerimento. Oggi, l'incisione a secco mediante plasma è diventata la tecnica principale.processo di incisioneIl plasma è costituito da elettroni, cationi e radicali. L'energia applicata al plasma provoca la rimozione degli elettroni più esterni del gas sorgente, che si trova allo stato neutro, convertendoli così in cationi.
Inoltre, gli atomi imperfetti nelle molecole possono essere rimossi applicando energia per formare radicali elettricamente neutri. L'incisione a secco utilizza cationi e radicali che costituiscono il plasma, dove i cationi sono anisotropi (adatti all'incisione in una determinata direzione) e i radicali sono isotropi (adatti all'incisione in tutte le direzioni). Il numero di radicali è di gran lunga maggiore del numero di cationi. In questo caso, l'incisione a secco dovrebbe essere isotropa come l'incisione a umido.
Tuttavia, è l'incisione anisotropica a secco che rende possibili i circuiti ultra-miniaturizzati. Qual è il motivo? Inoltre, la velocità di incisione di cationi e radicali è molto lenta. Come possiamo quindi applicare i metodi di incisione al plasma alla produzione di massa, nonostante questa limitazione?
1. Rapporto d'aspetto (A/R)
Figura 1. Il concetto di rapporto d'aspetto e l'impatto del progresso tecnologico su di esso.
Il rapporto d'aspetto è il rapporto tra la larghezza orizzontale e l'altezza verticale (ovvero, altezza divisa per larghezza). Minore è la dimensione critica (CD) del circuito, maggiore è il valore del rapporto d'aspetto. Ad esempio, ipotizzando un rapporto d'aspetto di 10 e una larghezza di 10 nm, l'altezza del foro praticato durante il processo di incisione dovrebbe essere di 100 nm. Pertanto, per i prodotti di nuova generazione che richiedono un'ultra-miniaturizzazione (2D) o un'alta densità (3D), sono necessari valori di rapporto d'aspetto estremamente elevati per garantire che i cationi possano penetrare nel film inferiore durante l'incisione.
Per ottenere una tecnologia di ultra-miniaturizzazione con una dimensione critica inferiore a 10 nm nei prodotti 2D, il valore del rapporto di aspetto del condensatore della memoria ad accesso casuale dinamica (DRAM) deve essere mantenuto al di sopra di 100. Allo stesso modo, anche la memoria flash NAND 3D richiede valori del rapporto di aspetto più elevati per impilare 256 strati o più di strati di impilamento delle celle. Anche se le condizioni richieste per altri processi sono soddisfatte, i prodotti richiesti non possono essere prodotti se ilprocesso di incisionenon è all'altezza degli standard. Ecco perché la tecnologia di incisione sta diventando sempre più importante.
2. Panoramica dell'incisione al plasma
Figura 2. Determinazione del gas sorgente del plasma in base al tipo di film.
Quando si utilizza un tubo cavo, più stretto è il diametro del tubo, più facile è l'ingresso del liquido, fenomeno cosiddetto capillare. Tuttavia, se si deve praticare un foro (estremità chiusa) nell'area esposta, l'ingresso del liquido diventa piuttosto difficile. Pertanto, poiché la dimensione critica del circuito era compresa tra 3 µm e 5 µm a metà degli anni '70, a seccoincisioneha gradualmente sostituito l'incisione a umido come metodo principale. Ciò significa che, sebbene ionizzata, è più facile penetrare in fori profondi perché il volume di una singola molecola è inferiore a quello di una molecola in soluzione di polimero organico.
Durante la deposizione al plasma, l'interno della camera di processo utilizzata per l'incisione deve essere portato in condizioni di vuoto prima di iniettare il gas sorgente al plasma adatto allo strato da trattare. Per l'incisione di film di ossido solido, è necessario utilizzare gas sorgente a base di fluoruro di carbonio, più potenti. Per film di silicio o metalli relativamente deboli, è consigliabile utilizzare gas sorgente al plasma a base di cloro.
Quindi, come dovrebbero essere incisi lo strato di gate e lo strato isolante sottostante di biossido di silicio (SiO2)?
Innanzitutto, per lo strato di gate, il silicio deve essere rimosso utilizzando un plasma a base di cloro (silicio + cloro) con selettività di incisione per il polisilicio. Per lo strato isolante inferiore, il film di biossido di silicio deve essere inciso in due fasi utilizzando un gas sorgente di plasma a base di fluoruro di carbonio (biossido di silicio + tetrafluoruro di carbonio) con maggiore selettività ed efficacia di incisione.
3. Processo di incisione ionica reattiva (RIE o incisione fisico-chimica)
Figura 3. Vantaggi della deposizione chimica da fase vapore assistita da ioni reattivi (anisotropia ed elevata velocità di deposizione)
Il plasma contiene sia radicali liberi isotropi che cationi anisotropi, quindi come fa a eseguire un'incisione anisotropa?
La deposizione a secco al plasma viene eseguita principalmente mediante incisione a ioni reattivi (RIE, Reactive Ion Etching) o applicazioni basate su questo metodo. Il principio fondamentale del metodo RIE è indebolire la forza di legame tra le molecole bersaglio nel film attaccando l'area di incisione con cationi anisotropi. L'area indebolita viene assorbita dai radicali liberi, che si combinano con le particelle che compongono lo strato, vengono convertiti in gas (un composto volatile) e rilasciati.
Sebbene i radicali liberi abbiano caratteristiche isotropiche, le molecole che costituiscono la superficie inferiore (la cui forza di legame è indebolita dall'attacco dei cationi) vengono catturate più facilmente dai radicali liberi e convertite in nuovi composti rispetto alle pareti laterali, che presentano una forte forza di legame. Pertanto, l'incisione verso il basso diventa il processo predominante. Le particelle catturate si trasformano in gas con radicali liberi, che vengono desorbiti e rilasciati dalla superficie sotto l'azione del vuoto.
In questo caso, i cationi ottenuti per azione fisica e i radicali liberi ottenuti per azione chimica vengono combinati per l'incisione fisica e chimica, e la velocità di incisione (Etch Rate, il grado di incisione in un determinato periodo di tempo) viene aumentata di 10 volte rispetto al caso della sola incisione cationica o dell'incisione a radicali liberi. Questo metodo non solo può aumentare la velocità di incisione dell'incisione anisotropica verso il basso, ma risolve anche il problema dei residui di polimero dopo l'incisione. Questo metodo è chiamato incisione a ioni reattivi (RIE). La chiave del successo dell'incisione RIE è trovare un gas sorgente di plasma adatto all'incisione del film. Nota: l'incisione al plasma è l'incisione RIE e i due possono essere considerati come lo stesso concetto.
4. Velocità di incisione e indice di prestazione del nucleo
Figura 4. Indice di prestazione dell'incisione del nucleo in relazione alla velocità di incisione.
La velocità di incisione si riferisce alla profondità del film che si prevede di raggiungere in un minuto. Cosa significa quindi che la velocità di incisione varia da una parte all'altra di un singolo wafer?
Ciò significa che la profondità di incisione varia da una parte all'altra del wafer. Per questo motivo, è molto importante impostare il punto finale (EOP) in cui l'incisione deve arrestarsi, considerando la velocità di incisione media e la profondità di incisione. Anche se l'EOP è impostato, potrebbero comunque esserci aree in cui la profondità di incisione è maggiore (sovraincisione) o minore (sottoincisione) rispetto a quanto originariamente previsto. Tuttavia, la sottoincisione causa danni maggiori rispetto alla sovraincisione durante il processo di incisione. Infatti, in caso di sottoincisione, la parte sottoincisa ostacolerà i processi successivi, come l'impiantazione ionica.
Nel frattempo, la selettività (misurata dalla velocità di incisione) è un indicatore chiave delle prestazioni del processo di incisione. Lo standard di misurazione si basa sul confronto della velocità di incisione dello strato della maschera (film di fotoresist, film di ossido, film di nitruro di silicio, ecc.) e dello strato target. Ciò significa che maggiore è la selettività, più velocemente viene inciso lo strato target. Maggiore è il livello di miniaturizzazione, maggiore è il requisito di selettività per garantire che i pattern fini possano essere presentati perfettamente. Poiché la direzione di incisione è rettilinea, la selettività dell'incisione cationica è bassa, mentre la selettività dell'incisione radicalica è alta, il che migliora la selettività della RIE.
5. Processo di incisione
Figura 5. Processo di incisione
Innanzitutto, il wafer viene posto in un forno di ossidazione a una temperatura compresa tra 800 e 1000 °C, dopodiché, mediante un metodo a secco, si forma sulla superficie del wafer un film di biossido di silicio (SiO2) con elevate proprietà isolanti. Successivamente, si procede alla deposizione di uno strato di silicio o di uno strato conduttivo sul film di ossido tramite deposizione chimica da fase vapore (CVD) o deposizione fisica da fase vapore (PVD). Se si forma uno strato di silicio, è possibile eseguire un processo di diffusione di impurità per aumentarne la conduttività, se necessario. Durante il processo di diffusione di impurità, spesso vengono aggiunte ripetutamente diverse impurità.
In questa fase, lo strato isolante e lo strato di polisilicio devono essere combinati per l'incisione. Innanzitutto, si utilizza una resina fotosensibile. Successivamente, si posiziona una maschera sulla pellicola di resina fotosensibile e si esegue un'esposizione a umido per immersione per imprimere il motivo desiderato (invisibile a occhio nudo) sulla pellicola di resina fotosensibile. Quando il contorno del motivo viene rivelato dallo sviluppo, la resina fotosensibile nell'area fotosensibile viene rimossa. Quindi, il wafer elaborato mediante il processo di fotolitografia viene trasferito al processo di incisione per l'incisione a secco.
L'incisione a secco viene effettuata principalmente mediante incisione ionica reattiva (RIE), in cui il processo di incisione viene ripetuto principalmente sostituendo il gas sorgente adatto a ciascun film. Sia l'incisione a secco che quella a umido mirano ad aumentare il rapporto d'aspetto (valore A/R) dell'incisione. Inoltre, è necessaria una pulizia regolare per rimuovere il polimero accumulato sul fondo del foro (lo spazio formato dall'incisione). Il punto importante è che tutte le variabili (come materiali, gas sorgente, tempo, forma e sequenza) devono essere regolate organicamente per garantire che la soluzione detergente o il gas sorgente al plasma possano fluire fino al fondo del solco. Una leggera variazione in una variabile richiede il ricalcolo delle altre variabili, e questo processo di ricalcolo viene ripetuto fino a quando non soddisfa lo scopo di ciascuna fase. Recentemente, gli strati monoatomici, come quelli ottenuti mediante deposizione di strati atomici (ALD), sono diventati più sottili e duri. Pertanto, la tecnologia di incisione si sta orientando verso l'utilizzo di basse temperature e pressioni. Il processo di incisione mira a controllare la dimensione critica (CD) per produrre motivi fini e garantire che vengano evitati i problemi causati dal processo di incisione, in particolare l'incisione insufficiente e i problemi relativi alla rimozione dei residui. I due articoli precedenti sull'incisione mirano a fornire ai lettori una comprensione dello scopo del processo di incisione, degli ostacoli al raggiungimento degli obiettivi sopra menzionati e degli indicatori di prestazione utilizzati per superare tali ostacoli.
Data di pubblicazione: 10 settembre 2024