ნახევარგამტარული ნიმუშის შექმნის პროცესის ნაკადის გრავირება

ადრეულმა სველმა გრავირებამ ხელი შეუწყო გაწმენდის ან ფერფლის პროცესების განვითარებას. დღესდღეობით, პლაზმის გამოყენებით მშრალი გრავირება მეინსტრიმად იქცა.გრავირების პროცესიპლაზმა შედგება ელექტრონების, კათიონებისა და რადიკალებისგან. პლაზმაზე მოწოდებული ენერგია იწვევს წყაროს აირის ნეიტრალურ მდგომარეობაში მყოფი უკიდურესი ელექტრონების მოცილებას, რითაც ეს ელექტრონები კათიონებად გარდაიქმნება.

გარდა ამისა, მოლეკულებში არასრულყოფილი ატომების მოშორება შესაძლებელია ენერგიის გამოყენებით, რაც ელექტრულად ნეიტრალურ რადიკალებს წარმოქმნის. მშრალი გრავირება იყენებს კათიონებსა და რადიკალებს, რომლებიც ქმნიან პლაზმას, სადაც კათიონები ანიზოტროპულია (შესაფერისი გარკვეული მიმართულებით გრავირებისთვის), ხოლო რადიკალები იზოტროპულია (შესაფერისი ყველა მიმართულებით გრავირებისთვის). რადიკალების რაოდენობა გაცილებით მეტია კათიონების რაოდენობაზე. ამ შემთხვევაში, მშრალი გრავირება უნდა იყოს იზოტროპული, ისევე როგორც სველი გრავირება.

თუმცა, სწორედ მშრალი გრავირების ანიზოტროპული გრავირება ხდის ულტრამინიატურულ სქემებს შესაძლებელს. რა არის ამის მიზეზი? გარდა ამისა, კათიონებისა და რადიკალების გრავირების სიჩქარე ძალიან დაბალია. მაშ, როგორ შეგვიძლია პლაზმური გრავირების მეთოდების გამოყენება მასობრივ წარმოებაში ამ ნაკლოვანების გათვალისწინებით?

 

 

1. ასპექტის თანაფარდობა (A/R)

 

სურათი 1. ასპექტის თანაფარდობის კონცეფცია და ტექნოლოგიური პროგრესის გავლენა მასზე

 

ასპექტის თანაფარდობა არის ჰორიზონტალური სიგანისა და ვერტიკალური სიმაღლის თანაფარდობა (ანუ სიმაღლე გაყოფილი სიგანეზე). რაც უფრო მცირეა წრედის კრიტიკული ზომა (CD), მით უფრო დიდია ასპექტის თანაფარდობის მნიშვნელობა. ანუ, თუ ვივარაუდებთ ასპექტის თანაფარდობის მნიშვნელობას 10 და სიგანეს 10 ნმ, გრავირების პროცესში გაბურღული ხვრელის სიმაღლე უნდა იყოს 100 ნმ. ამიტომ, ახალი თაობის პროდუქტებისთვის, რომლებიც საჭიროებენ ულტრამინიატურიზაციას (2D) ან მაღალ სიმკვრივეს (3D), საჭიროა უკიდურესად მაღალი ასპექტის თანაფარდობის მნიშვნელობები იმის უზრუნველსაყოფად, რომ კათიონებმა შეძლონ ქვედა ფენის შეღწევა გრავირების დროს.

 

2D პროდუქტებში 10 ნმ-ზე ნაკლები კრიტიკული განზომილებით ულტრამინიატურიზაციის ტექნოლოგიის მისაღწევად, დინამიური შემთხვევითი წვდომის მეხსიერების (DRAM) კონდენსატორის ასპექტის თანაფარდობის მნიშვნელობა 100-ზე მეტი უნდა იყოს. ანალოგიურად, 3D NAND ფლეშ მეხსიერებას ასევე სჭირდება უფრო მაღალი ასპექტის თანაფარდობის მნიშვნელობები უჯრედების 256 ან მეტი ფენის დასაწყობად. მაშინაც კი, თუ სხვა პროცესებისთვის საჭირო პირობები დაკმაყოფილებულია, საჭირო პროდუქტების წარმოება შეუძლებელია, თუგრავირების პროცესისტანდარტებს არ შეესაბამება. სწორედ ამიტომ ხდება გრავირების ტექნოლოგია სულ უფრო მნიშვნელოვანი.

 

 

2. პლაზმური გრავირების მიმოხილვა

 

სურათი 2. პლაზმური წყაროს გაზის განსაზღვრა ფირის ტიპის მიხედვით

 

როდესაც ღრუ მილი გამოიყენება, რაც უფრო ვიწროა მილის დიამეტრი, მით უფრო ადვილია სითხის შეღწევა, რაც ე.წ. კაპილარული ფენომენია. თუმცა, თუ ღია ადგილას ხვრელი (დახურული ბოლო) უნდა გაიბურღოს, სითხის შეყვანა საკმაოდ რთული ხდება. ამიტომ, რადგან 1970-იანი წლების შუა პერიოდში წრედის კრიტიკული ზომა 3μm-დან 5μm-მდე იყო, მშრალი...გრავირებათანდათანობით ჩაანაცვლა სველი გრავირება, როგორც ძირითადი მეთოდი. ანუ, მიუხედავად იმისა, რომ იონიზებულია, უფრო ადვილია ღრმა ხვრელებში შეღწევა, რადგან ერთი მოლეკულის მოცულობა უფრო მცირეა, ვიდრე ორგანული პოლიმერის ხსნარის მოლეკულის მოცულობა.

პლაზმური გრავირების დროს, შესაბამისი ფენისთვის შესაფერისი პლაზმური წყაროს გაზის შეყვანამდე, გრავირებისთვის გამოყენებული დამუშავების კამერის ინტერიერი ვაკუუმურ მდგომარეობამდე უნდა იყოს მორგებული. მყარი ოქსიდის ფირების გრავირებისას უნდა იქნას გამოყენებული უფრო ძლიერი ნახშირბადის ფტორიდზე დაფუძნებული წყაროს აირები. შედარებით სუსტი სილიციუმის ან ლითონის ფირების შემთხვევაში, უნდა იქნას გამოყენებული ქლორზე დაფუძნებული პლაზმური წყაროს აირები.

მაშ, როგორ უნდა მოხდეს კარიბჭის ფენის და მის ქვეშ არსებული სილიციუმის დიოქსიდის (SiO2) საიზოლაციო ფენის ამოტვიფრვა?

პირველ რიგში, კარიბჭის ფენისთვის, სილიციუმი უნდა მოიხსნას ქლორზე დაფუძნებული პლაზმის (სილიციუმი + ქლორი) გამოყენებით, რომელსაც აქვს პოლისილიციუმის გრავირების სელექციურობა. ქვედა იზოლაციის ფენისთვის, სილიციუმის დიოქსიდის ფენა უნდა მოიჭრას ორ ეტაპად, ნახშირბადის ფტორიდზე დაფუძნებული პლაზმური წყაროს გაზის (სილიციუმის დიოქსიდი + ნახშირბადის ტეტრაფტორიდი) გამოყენებით, რომელსაც აქვს უფრო ძლიერი გრავირების სელექციურობა და ეფექტურობა.

 

 

3. რეაქტიული იონური გრავირების (RIE ან ფიზიკურ-ქიმიური გრავირების) პროცესი

 

სურათი 3. რეაქტიული იონებით გრავირების უპირატესობები (ანიზოტროპია და გრავირების მაღალი სიჩქარე)

 

პლაზმა შეიცავს როგორც იზოტროპულ თავისუფალ რადიკალებს, ასევე ანიზოტროპულ კათიონებს, მაშ, როგორ ასრულებს ის ანიზოტროპულ გრავირებას?

პლაზმური მშრალი გრავირება ძირითადად ხორციელდება რეაქტიული იონური გრავირებით (RIE, Reactive Ion Etching) ან ამ მეთოდზე დაფუძნებული აპლიკაციებით. RIE მეთოდის არსი მდგომარეობს აპკში სამიზნე მოლეკულებს შორის შეკავშირების ძალის შესუსტებაში გრავირების არეზე ანიზოტროპული კათიონებით შეტევით. დასუსტებული არე შეიწოვება თავისუფალი რადიკალების მიერ, ერწყმის ფენის შემადგენელ ნაწილაკებს, გარდაიქმნება გაზად (აქროლად ნაერთად) და გამოიყოფა.

მიუხედავად იმისა, რომ თავისუფალ რადიკალებს იზოტროპული მახასიათებლები აქვთ, ქვედა ზედაპირის შემადგენელი მოლეკულები (რომელთა შეკავშირების ძალა კათიონების შეტევით სუსტდება) თავისუფალი რადიკალების მიერ უფრო ადვილად იჭერენ და ახალ ნაერთებად გარდაიქმნებიან, ვიდრე გვერდითი კედლები ძლიერი შეკავშირების ძალით. ამიტომ, ქვევით მიმართული გრავირება მთავარ მიმართულებად იქცევა. შეპყრობილი ნაწილაკები თავისუფალი რადიკალებით აირად იქცევა, რომლებიც ვაკუუმის ზემოქმედებით ზედაპირიდან დესორბირდება და გამოიყოფა.

 

ამ დროს, ფიზიკური და ქიმიური გრავირებისთვის გაერთიანებულია ფიზიკური და ქიმიური გრავირების შედეგად მიღებული კათიონები და ქიმიური გრავირების შედეგად გრავირების სიჩქარე (Etch Rate, გრავირების ხარისხი გარკვეული პერიოდის განმავლობაში) 10-ჯერ იზრდება კათიონური გრავირების ან მხოლოდ თავისუფალი რადიკალური გრავირების შემთხვევაში. ამ მეთოდს შეუძლია არა მხოლოდ გაზარდოს ანიზოტროპული ქვევით მიმართული გრავირების გრავირების სიჩქარე, არამედ გადაჭრას გრავირების შემდეგ პოლიმერული ნარჩენების პრობლემა. ამ მეთოდს რეაქტიული იონური გრავირება (RIE) ეწოდება. RIE გრავირების წარმატების გასაღები ფირის გრავირებისთვის შესაფერისი პლაზმური წყაროს გაზის პოვნაა. შენიშვნა: პლაზმური გრავირება არის RIE გრავირება და ორივე შეიძლება ერთსა და იმავე კონცეფციად ჩაითვალოს.

 

 

4. ამობურცვის სიჩქარე და ბირთვის მუშაობის ინდექსი

 

სურათი 4. ძირითადი აგრეგატის შესრულების ინდექსი, რომელიც დაკავშირებულია აგრეგატის სიჩქარესთან

 

ამოტვიფრვის სიჩქარე გულისხმობს ფირის სიღრმეს, რომლის მიღწევაც მოსალოდნელია ერთ წუთში. მაშ, რას ნიშნავს, რომ ამოტვიფრვის სიჩქარე განსხვავდება ნაწილის მიხედვით ერთ ვაფლზე?

ეს ნიშნავს, რომ ვაფლის ნაწილის მიხედვით გრავირების სიღრმე განსხვავდება. ამ მიზეზით, ძალიან მნიშვნელოვანია დააყენოთ საბოლოო წერტილი (EOP), სადაც გრავირება უნდა შეწყდეს, საშუალო გრავირების სიჩქარისა და გრავირების სიღრმის გათვალისწინებით. მაშინაც კი, თუ EOP დაყენებულია, მაინც არის ადგილები, სადაც გრავირების სიღრმე უფრო ღრმაა (ზედმეტად გრავირებული) ან უფრო არაღრმა (არასაკმარისად გრავირებული), ვიდრე თავდაპირველად იყო დაგეგმილი. თუმცა, არასაკმარისი გრავირება გრავირების დროს უფრო მეტ ზიანს იწვევს, ვიდრე ზედმეტი გრავირება. რადგან არასაკმარისი გრავირების შემთხვევაში, არასაკმარისად გრავირებული ნაწილი შეაფერხებს შემდგომ პროცესებს, როგორიცაა იონური იმპლანტაცია.

ამასობაში, სელექციურობა (იზომება ამოტვიფრვის სიჩქარით) ამოტვიფრვის პროცესის ძირითადი ინდიკატორია. გაზომვის სტანდარტი ეფუძნება ნიღბის ფენის (ფოტორეზისტული ფირი, ოქსიდის ფირი, სილიციუმის ნიტრიდის ფირი და ა.შ.) ამოტვიფრვის სიჩქარის შედარებას. ეს ნიშნავს, რომ რაც უფრო მაღალია სელექციურობა, მით უფრო სწრაფად ამოტვიფრულია სამიზნე ფენა. რაც უფრო მაღალია მინიატურიზაციის დონე, მით უფრო მაღალია სელექციურობის მოთხოვნა, რათა უზრუნველყოფილი იყოს წვრილი ნიმუშების სრულყოფილად წარმოდგენა. ვინაიდან ამოტვიფრვის მიმართულება სწორია, კათიონური ამოტვიფრვის სელექციურობა დაბალია, ხოლო რადიკალური ამოტვიფრვის სელექციურობა მაღალი, რაც აუმჯობესებს RIE-ს სელექციურობას.

 

 

5. გრავირების პროცესი

 

სურათი 5. გრავირების პროცესი

 

თავდაპირველად, ვაფლი თავსდება ჟანგვის ღუმელში, რომლის ტემპერატურაც შენარჩუნებულია 800-დან 1000℃-მდე, შემდეგ კი მშრალი მეთოდით ვაფლის ზედაპირზე წარმოიქმნება მაღალი იზოლაციის თვისებების მქონე სილიციუმის დიოქსიდის (SiO2) ფენა. შემდეგ, ქიმიური ორთქლის დეპონირების (CVD)/ფიზიკური ორთქლის დეპონირების (PVD) გზით, იწყება დეპონირების პროცესი, რათა ოქსიდის ფენაზე წარმოიქმნას სილიციუმის ფენა ან გამტარი ფენა. თუ სილიციუმის ფენა წარმოიქმნება, საჭიროების შემთხვევაში, გამტარობის გასაზრდელად შეიძლება ჩატარდეს მინარევების დიფუზიის პროცესი. მინარევების დიფუზიის პროცესის დროს ხშირად განმეორებით ემატება მრავალი მინარევი.

ამ დროს, გრავირებისთვის უნდა გაერთიანდეს იზოლაციისა და პოლისილიციუმის ფენა. პირველ რიგში, გამოიყენება ფოტორეზისტი. შემდგომში, ფოტორეზისტულ ფირზე თავსდება ნიღაბი და სველი ექსპოზიციის გზით ხდება სასურველი ნიმუშის (შეუიარაღებელი თვალით უხილავი) ფოტორეზისტულ ფირზე აღბეჭდვა ჩაძირვით. როდესაც განხილვის შედეგად ნიმუშის კონტური გამოვლინდება, ფოტომგრძნობელობის არეში ფოტორეზისტი იხსნება. შემდეგ, ფოტოლიტოგრაფიის პროცესით დამუშავებული ვაფლი გადადის გრავირების პროცესში მშრალი გრავირებისთვის.

მშრალი გრავირება ძირითადად ხორციელდება რეაქტიული იონური გრავირებით (RIE), რომლის დროსაც გრავირება ძირითადად მეორდება თითოეული ფენისთვის შესაფერისი წყაროს გაზის შეცვლით. როგორც მშრალი, ასევე სველი გრავირების მიზანია გრავირების ასპექტის თანაფარდობის (A/R მნიშვნელობა) გაზრდა. გარდა ამისა, საჭიროა რეგულარული გაწმენდა ხვრელის ძირში დაგროვილი პოლიმერის (გრავირების შედეგად წარმოქმნილი უფსკრულის) მოსაშორებლად. მნიშვნელოვანია, რომ ყველა ცვლადი (როგორიცაა მასალები, წყაროს გაზი, დრო, ფორმა და თანმიმდევრობა) ორგანულად უნდა იყოს რეგულირებული, რათა უზრუნველყოფილი იყოს, რომ გამწმენდი ხსნარი ან პლაზმური წყაროს გაზი თხრილის ძირში ჩაედინოს. ცვლადის მცირე ცვლილება მოითხოვს სხვა ცვლადების ხელახლა გამოთვლას და ეს ხელახლა გამოთვლის პროცესი მეორდება მანამ, სანამ ის არ დააკმაყოფილებს თითოეული ეტაპის მიზანს. ბოლო დროს, მონოატომური ფენები, როგორიცაა ატომური ფენის დეპონირების (ALD) ფენები, უფრო თხელი და მყარი გახდა. ამიტომ, გრავირების ტექნოლოგია დაბალი ტემპერატურისა და წნევის გამოყენებისკენ გადადის. გრავირების პროცესის მიზანია კრიტიკული განზომილების (CD) კონტროლი წვრილი ნიმუშების მისაღებად და იმის უზრუნველსაყოფად, რომ თავიდან იქნას აცილებული გრავირების პროცესით გამოწვეული პრობლემები, განსაკუთრებით არასაკმარისი გრავირება და ნარჩენების მოცილებასთან დაკავშირებული პრობლემები. ზემოთ მოცემული ორი სტატია გრავირების შესახებ მიზნად ისახავს მკითხველისთვის გრავირების პროცესის მიზნის, ზემოაღნიშნული მიზნების მიღწევის გზაზე არსებული დაბრკოლებების და ასეთი დაბრკოლებების დასაძლევად გამოყენებული შესრულების ინდიკატორების გააზრებას.