सेमीकंडक्टर पॅटर्निंग प्रक्रिया प्रवाह-एचिंग

सुरुवातीच्या वेट एचिंगमुळे क्लीनिंग किंवा ॲशिंग प्रक्रियांच्या विकासाला चालना मिळाली. आज, प्लाझ्मा वापरून केले जाणारे ड्राय एचिंग हे मुख्य प्रवाहात आले आहे.एचिंग प्रक्रियाप्लाझ्मामध्ये इलेक्ट्रॉन, कॅटायन आणि रॅडिकल्स असतात. प्लाझ्माला ऊर्जा दिल्याने, उदासीन अवस्थेतील स्रोत वायूचे सर्वात बाहेरील इलेक्ट्रॉन काढून घेतले जातात, ज्यामुळे या इलेक्ट्रॉनचे कॅटायनमध्ये रूपांतर होते.

याव्यतिरिक्त, रेणूंमधील अपूर्ण अणूंना ऊर्जा देऊन काढून विद्युतदृष्ट्या उदासीन रॅडिकल्स तयार करता येतात. ड्राय एचिंगमध्ये प्लाझ्मा बनवणारे कॅटायन्स आणि रॅडिकल्स वापरले जातात, जिथे कॅटायन्स अनिसोट्रोपिक (एका विशिष्ट दिशेने एचिंगसाठी योग्य) असतात आणि रॅडिकल्स आयसोट्रोपिक (सर्व दिशांनी एचिंगसाठी योग्य) असतात. रॅडिकल्सची संख्या कॅटायन्सच्या संख्येपेक्षा खूप जास्त असते. अशा परिस्थितीत, ड्राय एचिंग हे वेट एचिंगप्रमाणे आयसोट्रोपिक असले पाहिजे.

तथापि, ड्राय एचिंगमधील अनिसोट्रॉपिक एचिंगमुळेच अति-सूक्ष्म सर्किट्स शक्य होतात. याचे कारण काय आहे? याव्यतिरिक्त, कॅटायन्स आणि रॅडिकल्सचा एचिंग वेग खूप कमी असतो. तर, ही कमतरता असताना आपण प्लाझ्मा एचिंग पद्धतींचा वापर मोठ्या प्रमाणावरील उत्पादनासाठी कसा करू शकतो?

 

 

१. आस्पेक्ट रेशो (A/R)

 

आकृती १. आस्पेक्ट रेशोची संकल्पना आणि त्यावर तांत्रिक प्रगतीचा होणारा परिणाम.

 

आस्पेक्ट रेशो म्हणजे आडव्या रुंदीचे उभ्या उंचीशी असलेले गुणोत्तर (म्हणजेच, उंची भागिले रुंदी). सर्किटचे क्रिटिकल डायमेन्शन (CD) जितके लहान असेल, तितके आस्पेक्ट रेशोचे मूल्य जास्त असते. म्हणजेच, १० चा आस्पेक्ट रेशो आणि १०nm रुंदी गृहीत धरल्यास, एचिंग प्रक्रियेदरम्यान ड्रिल केलेल्या छिद्राची उंची १००nm असायला हवी. त्यामुळे, अति-सूक्ष्मीकरण (2D) किंवा उच्च घनता (3D) आवश्यक असलेल्या पुढील पिढीच्या उत्पादनांसाठी, एचिंग दरम्यान कॅटायन्स तळाच्या फिल्ममध्ये प्रवेश करू शकतील याची खात्री करण्यासाठी अत्यंत उच्च आस्पेक्ट रेशो मूल्यांची आवश्यकता असते.

 

२डी उत्पादनांमध्ये १०nm पेक्षा कमी क्रिटिकल डायमेन्शन असलेले अल्ट्रा-मिनिएचरायझेशन तंत्रज्ञान साध्य करण्यासाठी, डायनॅमिक रँडम ऍक्सेस मेमरी (DRAM) च्या कपॅसिटर ऍस्पेक्ट रेशोचे मूल्य १०० च्या वर राखणे आवश्यक आहे. त्याचप्रमाणे, ३डी नँड फ्लॅश मेमरीला देखील २५६ किंवा त्याहून अधिक सेल स्टॅकिंग लेयर्स स्टॅक करण्यासाठी उच्च ऍस्पेक्ट रेशो मूल्यांची आवश्यकता असते. इतर प्रक्रियांसाठी आवश्यक असलेल्या अटींची पूर्तता झाली असली तरी, जर...एचिंग प्रक्रियामानकानुसार नाही. म्हणूनच एचिंग तंत्रज्ञान अधिकाधिक महत्त्वाचे होत आहे.

 

 

२. प्लाझ्मा एचिंगचा आढावा

 

आकृती २. फिल्मच्या प्रकारानुसार प्लाझ्मा स्रोत वायू निश्चित करणे

 

जेव्हा पोकळ पाईप वापरला जातो, तेव्हा पाईपचा व्यास जेवढा अरुंद असतो, तेवढे द्रव आत शिरणे सोपे होते, ज्याला केशिका घटना (capillary phenomenon) म्हणतात. तथापि, जर उघड्या भागात छिद्र (बंद टोक) पाडायचे असेल, तर द्रवाचा प्रवेश खूपच कठीण होतो. त्यामुळे, १९७० च्या दशकाच्या मध्यापर्यंत सर्किटचा क्रांतिकारक आकार ३ मायक्रॉन ते ५ मायक्रॉन असल्याने, ड्राय (dry)कोरीवकामहळूहळू मुख्य प्रवाहात ओल्या एचिंगची जागा घेतली आहे. म्हणजेच, आयनीकृत असूनही, खोल छिद्रांमध्ये प्रवेश करणे सोपे आहे कारण एका रेणूचे आकारमान सेंद्रिय पॉलिमर द्रावणाच्या रेणूपेक्षा लहान असते.

प्लाझ्मा एचिंग दरम्यान, संबंधित थरासाठी योग्य प्लाझ्मा स्रोत वायू आत सोडण्यापूर्वी, एचिंगसाठी वापरल्या जाणाऱ्या प्रक्रिया कक्षाचा आतील भाग निर्वात स्थितीत आणला पाहिजे. सॉलिड ऑक्साइड फिल्म्सचे एचिंग करताना, अधिक शक्तिशाली कार्बन फ्लोराइड-आधारित स्रोत वायू वापरले पाहिजेत. तुलनेने कमकुवत सिलिकॉन किंवा धातूच्या फिल्म्ससाठी, क्लोरीन-आधारित प्लाझ्मा स्रोत वायू वापरले पाहिजेत.

तर, गेट लेअर आणि त्याच्या खाली असलेल्या सिलिकॉन डायऑक्साइड (SiO2) इन्सुलेटिंग लेअरचे एचिंग कसे करावे?

सर्वप्रथम, गेट लेयरसाठी, पॉलिसिलिकॉन एचिंग निवडक्षमता असलेल्या क्लोरीन-आधारित प्लाझ्माचा (सिलिकॉन + क्लोरीन) वापर करून सिलिकॉन काढून टाकावे. तळाच्या इन्सुलेटिंग लेयरसाठी, अधिक मजबूत एचिंग निवडक्षमता आणि परिणामकारकता असलेल्या कार्बन फ्लोराइड-आधारित प्लाझ्मा सोर्स गॅसचा (सिलिकॉन डायऑक्साइड + कार्बन टेट्राफ्लोराइड) वापर करून सिलिकॉन डायऑक्साइड फिल्म दोन टप्प्यांत एच करावी.

 

 

३. प्रतिक्रियाशील आयन एचिंग (RIE किंवा भौतिक-रासायनिक एचिंग) प्रक्रिया

 

आकृती ३. रिॲक्टिव्ह आयन एचिंगचे फायदे (ॲनिसोट्रॉपी आणि उच्च एचिंग दर)

 

प्लाझ्मामध्ये आयसोट्रॉपिक फ्री रॅडिकल्स आणि ॲनिसोट्रॉपिक कॅटायन्स दोन्ही असतात, मग तो ॲनिसोट्रॉपिक एचिंग कसे करतो?

प्लाझ्मा ड्राय एचिंग हे प्रामुख्याने रिॲक्टिव्ह आयन एचिंग (RIE, रिॲक्टिव्ह आयन एचिंग) किंवा या पद्धतीवर आधारित अनुप्रयोगांद्वारे केले जाते. RIE पद्धतीचा गाभा म्हणजे अनिसोट्रॉपिक कॅटायन्सद्वारे एचिंग क्षेत्रावर हल्ला करून फिल्ममधील लक्ष्य रेणूंमधील बंधन शक्ती कमकुवत करणे. कमकुवत झालेले क्षेत्र फ्री रॅडिकल्सद्वारे शोषले जाते, थर बनवणाऱ्या कणांशी संयोग पावते, वायूमध्ये (एक बाष्पशील संयुग) रूपांतरित होते आणि मुक्त होते.

जरी मुक्त मूलकांमध्ये समदिश गुणधर्म असले तरी, मजबूत बंधन शक्ती असलेल्या बाजूच्या भिंतींच्या तुलनेत, तळाचा पृष्ठभाग बनवणारे रेणू (ज्यांची बंधन शक्ती कॅटायन्सच्या हल्ल्यामुळे कमकुवत झालेली असते) मुक्त मूलकांद्वारे अधिक सहजपणे पकडले जातात आणि नवीन संयुगांमध्ये रूपांतरित होतात. त्यामुळे, अधोगामी क्षरण ही मुख्य प्रक्रिया बनते. पकडलेले कण मुक्त मूलकांसह वायू बनतात, जे निर्वाताच्या क्रियेमुळे पृष्ठभागावरून विमुक्त होऊन बाहेर पडतात.

 

यावेळी, भौतिक क्रियेद्वारे मिळवलेले कॅटायन्स आणि रासायनिक क्रियेद्वारे मिळवलेले फ्री रॅडिकल्स भौतिक आणि रासायनिक एचिंगसाठी एकत्र केले जातात, आणि केवळ कॅटायनिक एचिंग किंवा फ्री रॅडिकल एचिंगच्या तुलनेत एचिंगचा दर (एच रेट, एका विशिष्ट कालावधीतील एचिंगची पातळी) १० पटीने वाढतो. ही पद्धत केवळ अनिसोट्रॉपिक डाउनवर्ड एचिंगचा दरच वाढवत नाही, तर एचिंगनंतर पॉलिमरच्या अवशेषांची समस्या देखील सोडवते. या पद्धतीला रिॲक्टिव्ह आयन एचिंग (RIE) म्हणतात. RIE एचिंगच्या यशाची गुरुकिल्ली म्हणजे फिल्मच्या एचिंगसाठी योग्य प्लाझ्मा स्रोत वायू शोधणे. टीप: प्लाझ्मा एचिंग हे RIE एचिंगच आहे, आणि या दोन्हींना एकच संकल्पना मानले जाऊ शकते.

 

 

४. एच रेट आणि कोअर परफॉर्मन्स इंडेक्स

 

आकृती ४. एच रेटशी संबंधित कोअर एच परफॉर्मन्स इंडेक्स

 

एच रेट म्हणजे एका मिनिटात फिल्मची अपेक्षित जाडी होय. मग एकाच वेफरवर प्रत्येक भागासाठी एच रेट वेगवेगळा असतो, याचा अर्थ काय?

याचा अर्थ असा की, वेफरवरील प्रत्येक भागावर एच डेप्थ (etch depth) वेगवेगळी असते. या कारणास्तव, सरासरी एच रेट (etch rate) आणि एच डेप्थ विचारात घेऊन, एचिंग कुठे थांबवायचे याचा एंड पॉइंट (EOP) निश्चित करणे खूप महत्त्वाचे आहे. EOP निश्चित केला असला तरी, काही भाग असे असतात जिथे एच डेप्थ मूळ नियोजनापेक्षा जास्त (ओव्हर-एच्ड) किंवा कमी (अंडर-एच्ड) असते. तथापि, एचिंग दरम्यान ओव्हर-एचिंगपेक्षा अंडर-एचिंगमुळे जास्त नुकसान होते. कारण अंडर-एचिंगच्या बाबतीत, अंडर-एच्ड भाग आयन इम्प्लांटेशनसारख्या पुढील प्रक्रियांमध्ये अडथळा निर्माण करतो.

दरम्यान, निवडक्षमता (एच दराने मोजली जाणारी) ही एचिंग प्रक्रियेचा एक प्रमुख कार्यप्रदर्शन निर्देशक आहे. मोजमापाचे मानक मास्क लेयर (फोटोरेझिस्ट फिल्म, ऑक्साइड फिल्म, सिलिकॉन नायट्राइड फिल्म, इत्यादी) आणि टार्गेट लेयरच्या एच दराच्या तुलनेवर आधारित आहे. याचा अर्थ असा की, निवडक्षमता जितकी जास्त असेल, तितक्या वेगाने टार्गेट लेयर एच केला जातो. सूक्ष्मतेची पातळी जितकी जास्त असेल, तितकी सूक्ष्म नमुने अचूकपणे सादर केले जातील याची खात्री करण्यासाठी निवडक्षमतेची आवश्यकता जास्त असते. एचिंगची दिशा सरळ असल्यामुळे, कॅटायनिक एचिंगची निवडक्षमता कमी असते, तर रॅडिकल एचिंगची निवडक्षमता जास्त असते, ज्यामुळे RIE ची निवडक्षमता सुधारते.

 

 

५. एचिंग प्रक्रिया

 

आकृती ५. एचिंग प्रक्रिया

 

सर्वप्रथम, वेफरला ८०० ते १०००℃ तापमान असलेल्या ऑक्सिडेशन फर्नेसमध्ये ठेवले जाते आणि नंतर कोरड्या पद्धतीने वेफरच्या पृष्ठभागावर उच्च इन्सुलेशन गुणधर्म असलेला सिलिकॉन डायऑक्साइड (SiO2) थर तयार केला जातो. त्यानंतर, केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन (CVD)/फिजिकल व्हेपर डिपॉझिशन (PVD) द्वारे ऑक्साइड फिल्मवर सिलिकॉनचा थर किंवा वाहक थर तयार करण्यासाठी डिपॉझिशन प्रक्रिया सुरू केली जाते. जर सिलिकॉनचा थर तयार झाला असेल, तर आवश्यक असल्यास वाहकता वाढवण्यासाठी अशुद्धी विसरण प्रक्रिया केली जाऊ शकते. अशुद्धी विसरण प्रक्रियेदरम्यान, अनेकदा विविध अशुद्धी वारंवार टाकल्या जातात.

यावेळी, एचिंगसाठी इन्सुलेटिंग थर आणि पॉलिसिलिकॉन थर एकत्र केले पाहिजेत. सर्वप्रथम, फोटोरेझिस्टचा वापर केला जातो. त्यानंतर, फोटोरेझिस्ट फिल्मवर एक मास्क ठेवला जातो आणि बुडवून वेट एक्सपोजर केले जाते, जेणेकरून फोटोरेझिस्ट फिल्मवर इच्छित नमुना (उघड्या डोळ्यांना न दिसणारा) उमटवता येईल. जेव्हा डेव्हलपमेंटद्वारे नमुन्याची बाह्यरेखा स्पष्ट दिसू लागते, तेव्हा प्रकाशसंवेदनशील भागातील फोटोरेझिस्ट काढून टाकला जातो. त्यानंतर, फोटोलिथोग्राफी प्रक्रियेद्वारे प्रक्रिया केलेला वेफर ड्राय एचिंगसाठी एचिंग प्रक्रियेकडे हस्तांतरित केला जातो.

ड्राय एचिंग प्रामुख्याने रिॲक्टिव्ह आयन एचिंग (RIE) द्वारे केले जाते, ज्यामध्ये प्रत्येक फिल्मसाठी योग्य सोर्स गॅस बदलून एचिंगची पुनरावृत्ती केली जाते. ड्राय एचिंग आणि वेट एचिंग या दोन्हींचा उद्देश एचिंगचे ॲस्पेक्ट रेशो (A/R व्हॅल्यू) वाढवणे हा असतो. याव्यतिरिक्त, छिद्राच्या तळाशी (एचिंगमुळे तयार झालेल्या फटीत) साचलेला पॉलिमर काढून टाकण्यासाठी नियमित साफसफाई करणे आवश्यक असते. महत्त्वाचा मुद्दा हा आहे की, साफसफाईचे द्रावण किंवा प्लाझ्मा सोर्स गॅस खंदकाच्या तळापर्यंत खाली जाऊ शकेल याची खात्री करण्यासाठी सर्व व्हेरिएबल्स (जसे की मटेरियल, सोर्स गॅस, वेळ, स्वरूप आणि क्रम) सेंद्रियपणे समायोजित केले पाहिजेत. एखाद्या व्हेरिएबलमध्ये थोडासा बदल झाल्यास इतर व्हेरिएबल्सची पुनर्गणना करणे आवश्यक असते आणि प्रत्येक टप्प्याचा उद्देश पूर्ण होईपर्यंत ही पुनर्गणना प्रक्रिया पुन्हा पुन्हा केली जाते. अलीकडे, ॲटॉमिक लेयर डिपॉझिशन (ALD) लेयर्ससारखे मोनोॲटॉमिक थर अधिक पातळ आणि कठीण झाले आहेत. त्यामुळे, एचिंग तंत्रज्ञान कमी तापमान आणि दाबाच्या वापराकडे वाटचाल करत आहे. एचिंग प्रक्रियेचा उद्देश सूक्ष्म नक्षीकाम तयार करण्यासाठी क्रांतिक परिमाण (CD) नियंत्रित करणे आणि एचिंग प्रक्रियेमुळे निर्माण होणाऱ्या समस्या, विशेषतः अपूर्ण एचिंग (under-etching) आणि अवशेष काढण्याशी संबंधित समस्या टाळणे हा आहे. एचिंगवरील वरील दोन लेखांचा उद्देश वाचकांना एचिंग प्रक्रियेचा उद्देश, वरील उद्दिष्टे साध्य करण्यातील अडथळे आणि अशा अडथळ्यांवर मात करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या कार्यप्रदर्शन निर्देशकांची समज देणे हा आहे.