Le prime tecniche di incisione a umido hanno favorito lo sviluppo di processi di pulitura o incenerimento. Oggi, l'incisione a secco con plasma è diventata la soluzione più diffusa.processo di incisioneIl plasma è costituito da elettroni, cationi e radicali. L'energia applicata al plasma provoca la separazione degli elettroni più esterni del gas sorgente, che si trovano in uno stato neutro, convertendoli così in cationi.
Inoltre, gli atomi imperfetti presenti 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 superiore al numero di cationi. In questo caso, l'incisione a secco dovrebbe essere isotropa come l'incisione a umido.
Tuttavia, è l'incisione anisotropica dell'incisione a secco che rende possibili circuiti ultraminiaturizzati. 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 lacuna?
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, l'altezza divisa per la larghezza). Minore è la dimensione critica (CD) del circuito, maggiore è il valore del rapporto d'aspetto. Ossia, 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 ultra-miniaturizzazione (2D) o alta densità (3D), sono necessari valori di rapporto d'aspetto estremamente elevati per garantire che i cationi possano penetrare il film inferiore durante l'incisione.
Per realizzare una tecnologia di ultra-miniaturizzazione con una dimensione critica inferiore a 10 nm nei prodotti 2D, il rapporto d'aspetto del condensatore della memoria dinamica ad accesso casuale (DRAM) dovrebbe essere mantenuto superiore a 100. Analogamente, anche la memoria flash NAND 3D richiede valori di rapporto d'aspetto più elevati per impilare 256 o più strati di celle. Anche se vengono soddisfatte le condizioni richieste per altri processi, i prodotti richiesti non possono essere realizzati seprocesso di incisionenon è all'altezza degli standard. Ecco perché la tecnologia dell'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 pellicola
Quando si utilizza un tubo cavo, più stretto è il diametro del tubo, più facile è l'ingresso del liquido, il cosiddetto fenomeno capillare. Tuttavia, se si pratica un foro (estremità chiusa) nella zona esposta, l'ingresso del liquido diventa piuttosto difficoltoso. Pertanto, poiché la dimensione critica del circuito era compresa tra 3 e 5 µm a metà degli anni '70, a seccoincisioneha gradualmente sostituito l'incisione a umido come metodo tradizionale. In altre parole, sebbene ionizzata, è più facile penetrare in fori profondi perché il volume di una singola molecola è inferiore a quello di una molecola di una soluzione polimerica organica.
Durante l'incisione al plasma, l'interno della camera di processo utilizzata per l'incisione deve essere portato a vuoto prima di iniettare il gas sorgente del plasma adatto allo strato in questione. Per l'incisione di film di ossidi solidi, si consiglia di utilizzare gas sorgente a base di fluoruro di carbonio più forti. Per film di silicio o metallo relativamente deboli, si consiglia di utilizzare gas sorgente a base di cloro.
Quindi, come dovrebbero essere incisi lo strato di gate e lo strato isolante sottostante in 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 su 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 dell'incisione con ioni reattivi (anisotropia e alta velocità di incisione)
Il plasma contiene sia radicali liberi isotropi che cationi anisotropi. Come esegue quindi l'incisione anisotropa?
L'incisione a secco al plasma viene eseguita principalmente mediante incisione a ioni reattivi (RIE, Reactive Ion Etching) o applicazioni basate su questo metodo. Il fulcro del metodo RIE è l'indebolimento della forza di legame tra le molecole target nel film, attaccando l'area di incisione con cationi anisotropi. L'area indebolita viene assorbita dai radicali liberi, combinata con le particelle che compongono lo strato, convertita in gas (un composto volatile) e rilasciata.
Sebbene i radicali liberi abbiano caratteristiche isotrope, le molecole che compongono 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 con una forte forza di legame. Pertanto, l'incisione verso il basso diventa la via principale. Le particelle catturate si trasformano in gas con radicali liberi, che vengono desorbiti e rilasciati dalla superficie sotto l'azione del vuoto.
In questa fase, 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 (velocità di incisione, il grado di incisione in un determinato periodo di tempo) aumenta di 10 volte rispetto al caso dell'incisione cationica o dell'incisione a radicali liberi da sola. Questo metodo non solo può aumentare la velocità di incisione dell'incisione anisotropica verso il basso, ma anche risolvere il problema dei residui polimerici dopo l'incisione. Questo metodo è chiamato incisione a ioni reattivi (RIE). La chiave del successo dell'incisione RIE è trovare un gas sorgente al plasma adatto per l'incisione del film. Nota: l'incisione al plasma è un'incisione RIE e le due possono essere considerate lo stesso concetto.
4. Velocità di incisione e indice di prestazione del nucleo
Figura 4. Indice di prestazione dell'incisione del nucleo correlato alla velocità di incisione
La velocità di incisione si riferisce alla profondità di film che si prevede di raggiungere in un minuto. Cosa significa quindi che la velocità di incisione varia da un componente all'altro su un singolo wafer?
Ciò significa che la profondità di incisione varia da un componente all'altro del wafer. Per questo motivo, è fondamentale impostare il punto finale (EOP) in cui l'incisione dovrebbe concludersi, considerando la velocità media di incisione e la profondità di incisione. Anche se l'EOP è impostato, ci sono ancora alcune aree in cui la profondità di incisione è maggiore (sovraincisione) o minore (sottoincisione) rispetto a quanto inizialmente previsto. Tuttavia, la sottoincisione causa danni maggiori rispetto alla sovraincisione durante l'incisione. Infatti, in caso di sottoincisione, la parte sottoincisione ostacolerà processi successivi come l'impianto ionico.
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 tra la velocità di incisione dello strato maschera (film fotoresist, film di ossido, film di nitruro di silicio, ecc.) e dello strato target. Ciò significa che maggiore è la selettività, più veloce è l'incisione dello strato target. Maggiore è il livello di miniaturizzazione, maggiore è il requisito di selettività per garantire la perfetta presentazione di pattern fini. Poiché la direzione di incisione è rettilinea, la selettività dell'incisione cationica è bassa, mentre la selettività dell'incisione radicalica è elevata, il che migliora la selettività del RIE.
5. Processo di incisione
Figura 5. Processo di incisione
Innanzitutto, il wafer viene posto in un forno di ossidazione a una temperatura mantenuta tra 800 e 1000 °C, dopodiché sulla superficie del wafer viene formato un film di biossido di silicio (SiO₂) con elevate proprietà isolanti mediante un metodo a secco. Successivamente, si avvia il processo di deposizione per formare uno strato di silicio o uno strato conduttivo sul film di ossido mediante deposizione chimica da vapore (CVD)/deposizione fisica da vapore (PVD). Se si forma uno strato di silicio, è possibile eseguire un processo di diffusione delle impurità per aumentarne la conduttività, se necessario. Durante il processo di diffusione delle impurità, spesso vengono aggiunte ripetutamente più impurità.
A questo punto, lo strato isolante e lo strato di polisilicio devono essere combinati per l'incisione. Innanzitutto, viene utilizzato un fotoresist. Successivamente, viene applicata una maschera sulla pellicola di fotoresist e viene eseguita un'esposizione a umido per immersione per imprimere il motivo desiderato (invisibile a occhio nudo) sulla pellicola di fotoresist. Quando il contorno del motivo viene rivelato dallo sviluppo, il fotoresist nell'area fotosensibile viene rimosso. Quindi, il wafer trattato con il processo di fotolitografia viene trasferito al processo di incisione per l'incisione a secco.
L'incisione a secco viene eseguita principalmente mediante attacco chimico a ioni reattivi (RIE), in cui l'incisione viene ripetuta principalmente sostituendo il gas sorgente adatto a ciascun film. Sia l'incisione a secco che quella a umido mirano ad aumentare il rapporto di aspetto (valore A/R) dell'incisione. Inoltre, è necessaria una pulizia regolare per rimuovere il polimero accumulato sul fondo del foro (la fessura formata dall'incisione). È importante che tutte le variabili (come materiali, gas sorgente, tempo, forma e sequenza) vengano regolate organicamente per garantire che la soluzione detergente o il gas sorgente del plasma possano fluire fino al fondo della trincea. Una leggera variazione di una variabile richiede il ricalcolo di altre variabili e questo processo di ricalcolo viene ripetuto fino a quando non soddisfa lo scopo di ciascuna fase. Recentemente, gli strati monoatomici come gli strati di deposizione atomica (ALD) sono diventati più sottili e più 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 pattern fini e garantire che vengano evitati i problemi causati dal processo di incisione, in particolare la sottoincisione e i problemi legati alla rimozione dei residui. I due articoli sull'incisione riportati sopra 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 superarli.
Data di pubblicazione: 10 settembre 2024