תהליך יצירת דפוסי מוליכים למחצה באמצעות איכול זרימה

איכול רטוב מוקדם קידם את פיתוח תהליכי ניקוי או אפר. כיום, איכול יבש באמצעות פלזמה הפך למיינסטריםתהליך איכולפלזמה מורכבת מאלקטרונים, קטיונים ורדיקלים. האנרגיה המופעלת על הפלזמה גורמת להסרת האלקטרונים החיצוניים ביותר של גז המקור במצב ניטרלי, ובכך להמיר אלקטרונים אלה לקטיונים.

בנוסף, ניתן להסיר אטומים לא מושלמים במולקולות על ידי הפעלת אנרגיה ליצירת רדיקלים ניטרליים מבחינה חשמלית. איכול יבש משתמש בקטיונים ורדיקלים המרכיבים את הפלזמה, כאשר קטיונים הם אניזוטרופיים (מתאימים לאיכול בכיוון מסוים) ורדיקלים הם איזוטרופיים (מתאימים לאיכול בכל הכיוונים). מספר הרדיקלים גדול בהרבה ממספר הקטיונים. במקרה זה, איכול יבש צריך להיות איזוטרופי כמו איכול רטוב.

עם זאת, דווקא האיכול האניזוטרופי של האיכול היבש הוא שמאפשר מעגלים אולטרה-מיניאטוריים. מה הסיבה לכך? בנוסף, מהירות האיכול של קטיונים ורדיקלים איטית מאוד. אז כיצד נוכל ליישם שיטות איכול בפלזמה לייצור המוני לנוכח חיסרון זה?

 

 

1. יחס גובה-רוחב (A/R)

 

איור 1. מושג יחס הממדים והשפעת ההתקדמות הטכנולוגית עליו

 

יחס גובה-רוחב הוא היחס בין הרוחב האופקי לגובה האנכי (כלומר, גובה חלקי רוחב). ככל שהממד הקריטי (CD) של המעגל קטן יותר, כך ערך יחס הגובה-רוחב גדול יותר. כלומר, בהנחה של יחס גובה-רוחב של 10 ורוחב של 10 ננומטר, גובה החור שנקדח במהלך תהליך האיכול צריך להיות 100 ננומטר. לכן, עבור מוצרים מהדור הבא הדורשים מזעור אולטרה (2D) או צפיפות גבוהה (3D), נדרשים ערכי יחס גובה-רוחב גבוהים במיוחד כדי להבטיח שקטיונים יוכלו לחדור לשכבה התחתונה במהלך האיכול.

 

כדי להשיג טכנולוגיית אולטרה-מיניאטוריזציה עם ממד קריטי של פחות מ-10 ננומטר במוצרים דו-ממדיים, יש לשמור על ערך יחס הממדים של הקבל של זיכרון גישה אקראית דינמי (DRAM) מעל 100. באופן דומה, זיכרון פלאש NAND תלת-ממדי דורש גם ערכי יחס גובה-רוחב גבוהים יותר כדי לערום 256 שכבות או יותר של שכבות ערימת תאים. גם אם מתקיימים התנאים הנדרשים לתהליכים אחרים, לא ניתן לייצר את המוצרים הנדרשים אם...תהליך איכולאינו עומד בסטנדרט. זו הסיבה שטכנולוגיית האיכול הופכת חשובה יותר ויותר.

 

 

2. סקירה כללית של איכול פלזמה

 

איור 2. קביעת גז מקור פלזמה לפי סוג הסרט

 

כאשר משתמשים בצינור חלול, ככל שקוטר הצינור צר יותר, כך קל יותר לנוזל להיכנס, תופעה המכונה תופעה קפילרית. עם זאת, אם יש לקדוח חור (קצה סגור) באזור החשוף, הזנת הנוזל הופכת לקשה למדי. לכן, מכיוון שהגודל הקריטי של המעגל היה 3 מיקרון עד 5 מיקרון באמצע שנות ה-70, יבש...תַחרִיטהחליף בהדרגה את האיכול הרטוב כמיינסטרים. כלומר, למרות היותו מיונן, קל יותר לחדור לחורים עמוקים מכיוון שנפחה של מולקולה בודדת קטן יותר מזה של מולקולת תמיסת פולימר אורגני.

במהלך איכול בפלזמה, יש להתאים את פנים תא העיבוד המשמש לאיכול למצב ואקום לפני הזרקת גז מקור הפלזמה המתאים לשכבה הרלוונטית. בעת איכול סרטי תחמוצת מוצקה, יש להשתמש בגזי מקור חזקים יותר מבוססי פחמן פלואוריד. עבור סרטי סיליקון או מתכת חלשים יחסית, יש להשתמש בגזי מקור פלזמה מבוססי כלור.

אז, כיצד יש לחרוט את שכבת השער ואת שכבת הבידוד של סיליקון דיאוקסיד (SiO2) שמתחת?

ראשית, עבור שכבת השער, יש להסיר את הסיליקון באמצעות פלזמה מבוססת כלור (סיליקון + כלור) עם סלקטיביות איכול פוליסיליקון. עבור שכבת הבידוד התחתונה, יש לחרוט את סרט הסיליקון הדו-חמצני בשני שלבים באמצעות גז מקור פלזמה מבוסס פחמן פלואוריד (סיליקון דו-חמצני + פחמן טטראפלואוריד) עם סלקטיביות איכול ויעילות חזקות יותר.

 

 

3. תהליך איכול יונים ריאקטיביים (RIE או איכול פיזיקוכימי)

 

איור 3. יתרונות איכול יונים ריאקטיביים (אניזוטרופיה וקצב איכול גבוה)

 

פלזמה מכילה גם רדיקלים חופשיים איזוטרופיים וגם קטיונים אניזוטרופיים, אז איך היא מבצעת איכול אניזוטרופי?

איכול יבש בפלזמה מבוצע בעיקר על ידי איכול יונים ריאקטיביים (RIE, Reactive Ion Etching) או יישומים המבוססים על שיטה זו. ליבת שיטת ה-RIE היא להחליש את כוח הקישור בין מולקולות המטרה בסרט על ידי תקיפת אזור האיכול עם קטיונים אניזוטרופיים. האזור המוחלש נספג על ידי רדיקלים חופשיים, משולבים עם החלקיקים המרכיבים את השכבה, מומר לגז (תרכובת נדיפה) ומשתחרר.

למרות שלרדיקלים חופשיים יש מאפיינים איזוטרופיים, מולקולות המרכיבות את המשטח התחתון (שכוח הקישור שלהן נחלש עקב התקפת הקטיונים) נלכדות בקלות רבה יותר על ידי רדיקלים חופשיים והופכות לתרכובות חדשות מאשר דפנות צד בעלות כוח קשירה חזק. לכן, איכול כלפי מטה הופך למיינסטרים. החלקיקים הנלכדים הופכים לגז עם רדיקלים חופשיים, אשר נספגים ומשתחררים מהמשטח תחת פעולת ואקום.

 

בשלב זה, הקטיונים המתקבלים על ידי פעולה פיזיקלית והרדיקלים החופשיים המתקבלים על ידי פעולה כימית משולבים לצורך איכול פיזיקלי וכימי, וקצב האיכול (קצב איכול, דרגת האיכול בפרק זמן מסוים) גדל פי 10 בהשוואה למקרה של איכול קטיוני או איכול רדיקלים חופשיים בלבד. שיטה זו יכולה לא רק להגדיל את קצב האיכול של איכול אניזוטרופי כלפי מטה, אלא גם לפתור את בעיית שאריות הפולימר לאחר האיכול. שיטה זו נקראת איכול יונים ריאקטיבי (RIE). המפתח להצלחת איכול RIE הוא מציאת גז מקור פלזמה המתאים לאיכול הסרט. הערה: איכול פלזמה הוא איכול RIE, וניתן להתייחס לשניים כאותו מושג.

 

 

4. קצב חריטה ומדד ביצועי ליבה

 

איור 4. מדד ביצועי איכול ליבה הקשור לקצב איכול

 

קצב האיכול מתייחס לעומק הסרט שצפוי להגיע אליו בדקה אחת. אז מה המשמעות של קצב האיכול משתנה מחלק לחלק על פרוסה בודדת?

משמעות הדבר היא שעומק האיכול משתנה מחלק לחלק על גבי הוופל. מסיבה זו, חשוב מאוד לקבוע את נקודת הסיום (EOP) שבה האיכול צריך להפסיק על ידי התחשבות בקצב האיכול הממוצע ובעומק האיכול. גם אם ה-EOP מוגדר, עדיין ישנם אזורים שבהם עומק האיכול עמוק יותר (איכול יתר) או רדוד יותר (איכול חסר) מהמתוכנן במקור. עם זאת, איכול חסר גורם נזק רב יותר מאשר איכול יתר במהלך האיכול. מכיוון שבמקרה של איכול חסר, החלק שלא איכול מספיק יפריע לתהליכים עוקבים כמו השתלת יונים.

בינתיים, סלקטיביות (הנמדדת על ידי קצב איכול) היא מדד ביצועים מרכזי של תהליך האיכול. תקן המדידה מבוסס על השוואת קצב האיכול של שכבת המסכה (סרט פוטורזיסט, סרט תחמוצת, סרט סיליקון ניטריד וכו') לבין שכבת המטרה. משמעות הדבר היא שככל שהסלקטיביות גבוהה יותר, כך שכבת המטרה נחרטת מהר יותר. ככל שרמת המזעור גבוהה יותר, כך דרישת הסלקטיביות גבוהה יותר כדי להבטיח שניתן יהיה להציג בצורה מושלמת דוגמאות עדינות. מכיוון שכיוון האיכול הוא ישר, הסלקטיביות של איכול קטיוני נמוכה, בעוד שהסלקטיביות של איכול רדיקלי גבוהה, מה שמשפר את הסלקטיביות של RIE.

 

 

5. תהליך איכול

 

איור 5. תהליך איכול

 

ראשית, הוופל מונח בכבשן חמצון בטמפרטורה הנשמרת בין 800 ל-1000 מעלות צלזיוס, ולאחר מכן נוצר שכבת סיליקון דיאוקסיד (SiO2) בעלת תכונות בידוד גבוהות על פני הוופל בשיטה יבשה. לאחר מכן, עובר תהליך השקיעה ליצירת שכבת סיליקון או שכבה מוליכה על סרט התחמוצת באמצעות שקיעת אדים כימית (CVD)/שקיעת אדים פיזיקלית (PVD). אם נוצרת שכבת סיליקון, ניתן לבצע תהליך דיפוזיה של זיהומים כדי להגביר את המוליכות במידת הצורך. במהלך תהליך דיפוזיה של זיהומים, לעיתים קרובות מוסיפים מספר זיהומים שוב ושוב.

בשלב זה, יש לשלב את שכבת הבידוד ואת שכבת הפוליסיליקון לצורך איכול. ראשית, משתמשים בפוטורזיסט. לאחר מכן, מונחת מסכה על סרט הפוטורזיסט וחשיפה רטובה מתבצעת על ידי טבילה כדי להטביע את התבנית הרצויה (בלתי נראית לעין בלתי מזוינת) על סרט הפוטורזיסט. כאשר מתאר התבנית מתגלה על ידי הפיתוח, הפוטורזיסט באזור הרגיש לאור מוסר. לאחר מכן, הוופל שעובד בתהליך הפוטוליתוגרפיה מועבר לתהליך איכול לצורך איכול יבש.

איכול יבש מתבצע בעיקר על ידי איכול יונים ריאקטיבי (RIE), שבו האיכול חוזר על עצמו בעיקר על ידי החלפת גז המקור המתאים לכל שכבה. גם איכול יבש וגם איכול רטוב נועדו להגדיל את יחס הממדים (ערך A/R) של האיכול. בנוסף, נדרש ניקוי קבוע כדי להסיר את הפולימר שהצטבר בתחתית החור (הרווח שנוצר על ידי האיכול). הנקודה החשובה היא שכל המשתנים (כגון חומרים, גז מקור, זמן, צורה ורצף) צריכים להיות מותאמים באופן אורגני על מנת להבטיח שתמיסת הניקוי או גז מקור הפלזמה יוכלו לזרום לתחתית התעלה. שינוי קל במשתנה דורש חישוב מחדש של משתנים אחרים, ותהליך חישוב מחדש זה חוזר על עצמו עד שהוא עומד במטרה של כל שלב. לאחרונה, שכבות חד-אטומיות כמו שכבות שקיעת שכבות אטומיות (ALD) הפכו דקות וקשות יותר. לכן, טכנולוגיית האיכול נעה לעבר שימוש בטמפרטורות ולחצים נמוכים. תהליך האיכול נועד לשלוט בממד הקריטי (CD) כדי לייצר דפוסים עדינים ולהבטיח שנמנעות בעיות הנגרמות על ידי תהליך האיכול, במיוחד איכול חסר ובעיות הקשורות להסרת שאריות. שני המאמרים הנ"ל בנושא איכול נועדו לספק לקוראים הבנה של מטרת תהליך האיכול, המכשולים להשגת המטרות הנ"ל, ומדדי הביצועים המשמשים להתגברות על מכשולים כאלה.