Het vroege natte etsen bevorderde de ontwikkeling van reinigings- of verassingsprocessen. Tegenwoordig is droog etsen met plasma de gangbare methode.etsprocesPlasma bestaat uit elektronen, kationen en radicalen. De energie die aan het plasma wordt toegevoerd, zorgt ervoor dat de buitenste elektronen van het brongas in neutrale toestand worden afgestoten, waardoor deze elektronen worden omgezet in kationen.
Bovendien kunnen onvolmaakte atomen in moleculen worden verwijderd door energie toe te voegen om elektrisch neutrale radicalen te vormen. Droog etsen maakt gebruik van kationen en radicalen die plasma vormen, waarbij kationen anisotroop zijn (geschikt voor etsen in een bepaalde richting) en radicalen isotroop (geschikt voor etsen in alle richtingen). Het aantal radicalen is veel groter dan het aantal kationen. In dit geval moet droog etsen, net als nat etsen, isotroop zijn.
Het is echter de anisotrope etsing bij droog etsen die ultraminiaturiseerde circuits mogelijk maakt. Waar komt dit vandaan? Bovendien is de etssnelheid van kationen en radicalen erg laag. Hoe kunnen we plasma-etsmethoden dan toch op grote schaal toepassen, ondanks dit nadeel?
1. Beeldverhouding (A/R)
Figuur 1. Het concept van beeldverhouding en de impact van technologische vooruitgang daarop.
De aspectverhouding is de verhouding tussen de horizontale breedte en de verticale hoogte (oftewel hoogte gedeeld door breedte). Hoe kleiner de kritische afmeting (CD) van het circuit, hoe groter de aspectverhouding. Stel dat de aspectverhouding 10 is en de breedte 10 nm, dan moet de hoogte van het gat dat tijdens het etsproces wordt geboord 100 nm zijn. Daarom zijn voor producten van de volgende generatie die ultraminiaturisatie (2D) of een hoge dichtheid (3D) vereisen, extreem hoge aspectverhoudingen nodig om ervoor te zorgen dat kationen de onderste film kunnen penetreren tijdens het etsen.
Om ultraminiaturisatietechnologie te realiseren met een kritische afmeting van minder dan 10 nm in 2D-producten, moet de aspectverhouding van de condensatoren in dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen (DRAM) boven de 100 blijven. Ook 3D NAND-flashgeheugen vereist een hogere aspectverhouding om 256 of meer celstapellagen te kunnen opbouwen. Zelfs als aan de voorwaarden voor andere processen wordt voldaan, kunnen de gewenste producten niet worden geproduceerd als de aspectverhouding niet gelijk is aan de kritische afmeting.etsprocesvoldoet niet aan de norm. Daarom wordt etstechnologie steeds belangrijker.
2. Overzicht van plasma-etsen
Figuur 2. Bepaling van het plasmabrongas op basis van het filmtype.
Bij gebruik van een holle buis geldt dat hoe smaller de buisdiameter, hoe gemakkelijker het is voor vloeistof om binnen te dringen, wat het zogenaamde capillaire effect is. Als er echter een gat (gesloten uiteinde) in het open gedeelte wordt geboord, wordt het binnendringen van de vloeistof aanzienlijk moeilijker. Daarom, aangezien de kritische diameter van het circuit halverwege de jaren zeventig 3 tot 5 µm bedroeg, is het gebruik van droge buizen een gangbare praktijk.etsenHet heeft de natte etstechniek geleidelijk aan vervangen als de meest gebruikte methode. Dat wil zeggen, hoewel het geïoniseerd is, is het gemakkelijker om diepe gaten te penetreren omdat het volume van een enkel molecuul kleiner is dan dat van een molecuul in een organische polymeeroplossing.
Tijdens plasma-etsen moet de binnenkant van de verwerkingskamer vacuüm worden gemaakt voordat het plasmabrongas, geschikt voor de betreffende laag, wordt geïnjecteerd. Bij het etsen van vaste oxidefilms moeten sterkere, op koolstoffluoride gebaseerde plasmabronnen worden gebruikt. Voor relatief zwakke silicium- of metaalfilms moeten op chloor gebaseerde plasmabronnen worden gebruikt.
Hoe moeten de gate-laag en de onderliggende siliciumdioxide (SiO2) isolatielaag dan geëtst worden?
Ten eerste moet voor de gate-laag het silicium worden verwijderd met behulp van een plasma op chloorbasis (silicium + chloor) met een selectiviteit voor het etsen van polysilicium. Voor de onderste isolerende laag moet de siliciumdioxidefilm in twee stappen worden geëtst met behulp van een plasmabron op basis van koolstoffluoride (siliciumdioxide + koolstoftetrafluoride) met een sterkere etsselectiviteit en -effectiviteit.
3. Reactief ionenetsen (RIE of fysisch-chemisch etsen) proces
Figuur 3. Voordelen van reactief ionenetsen (anisotropie en hoge etssnelheid)
Plasma bevat zowel isotrope vrije radicalen als anisotrope kationen, dus hoe kan het anisotrope etsing bewerkstelligen?
Plasma-droogetsen wordt hoofdzakelijk uitgevoerd door reactief ionenetsen (RIE) of toepassingen die op deze methode gebaseerd zijn. De kern van de RIE-methode is het verzwakken van de bindingskracht tussen doelmoleculen in de film door het etsgebied aan te vallen met anisotrope kationen. Het verzwakte gebied wordt geabsorbeerd door vrije radicalen, die zich binden aan de deeltjes waaruit de laag bestaat, worden omgezet in gas (een vluchtige verbinding) en vervolgens vrijkomen.
Hoewel vrije radicalen isotrope eigenschappen hebben, worden moleculen aan het bodemoppervlak (waarvan de bindingskracht verzwakt is door de aanval van kationen) gemakkelijker door vrije radicalen gevangen en omgezet in nieuwe verbindingen dan moleculen aan de zijwanden met een sterke bindingskracht. Daarom wordt etsen naar beneden de dominante activiteit. De gevangen deeltjes worden gasvormig met vrije radicalen, die onder invloed van vacuüm van het oppervlak worden gedesorbeerd en vrijgelaten.
In deze methode worden de door fysische reactie verkregen kationen en de door chemische reactie verkregen vrije radicalen gecombineerd voor fysisch en chemisch etsen. Hierdoor wordt de etssnelheid (de mate van etsing in een bepaalde tijdsperiode) met een factor 10 verhoogd in vergelijking met etsen met alleen kationen of etsen met alleen vrije radicalen. Deze methode verhoogt niet alleen de etssnelheid van anisotropisch neerwaarts etsen, maar lost ook het probleem van polymeerresten na het etsen op. Deze methode wordt reactief ionenetsen (RIE) genoemd. De sleutel tot het succes van RIE-etsen is het vinden van een plasmabrongas dat geschikt is voor het etsen van de film. Opmerking: Plasma-etsen is RIE-etsen en de twee kunnen als hetzelfde concept worden beschouwd.
4. Etsnelheid en kernprestatie-index
Figuur 4. Kern-etsprestatie-index gerelateerd aan etssnelheid
De etssnelheid verwijst naar de dikte van de film die naar verwachting in één minuut bereikt wordt. Wat betekent het dan dat de etssnelheid van onderdeel tot onderdeel op één wafer varieert?
Dit betekent dat de etsdiepte varieert van onderdeel tot onderdeel op de wafer. Daarom is het erg belangrijk om het eindpunt (EOP) vast te stellen, het punt waarop het etsen moet stoppen, rekening houdend met de gemiddelde etssnelheid en etsdiepte. Zelfs als het EOP is ingesteld, zijn er nog steeds gebieden waar de etsdiepte groter (overgeëtst) of kleiner (ondergeëtst) is dan oorspronkelijk gepland. Onder-etsen veroorzaakt echter meer schade dan over-etsen. In het geval van onder-etsen zal het ondergeëtste deel namelijk latere processen zoals ionenimplantatie belemmeren.
Ondertussen is selectiviteit (gemeten aan de hand van de etssnelheid) een belangrijke prestatie-indicator van het etsproces. De meetstandaard is gebaseerd op de vergelijking van de etssnelheid van de maskerlaag (fotolakfilm, oxidefilm, siliciumnitridefilm, enz.) en de doellaag. Dit betekent dat hoe hoger de selectiviteit, hoe sneller de doellaag wordt geëtst. Hoe hoger de mate van miniaturisatie, hoe hoger de selectiviteitseis om ervoor te zorgen dat fijne patronen perfect kunnen worden weergegeven. Omdat de etsrichting recht is, is de selectiviteit van kationisch etsen laag, terwijl de selectiviteit van radicaal etsen hoog is, wat de selectiviteit van RIE verbetert.
5. Etsproces
Figuur 5. Etsproces
Eerst wordt de wafer in een oxidatieoven geplaatst met een temperatuur tussen 800 en 1000 °C, waarna met een droge methode een siliciumdioxide (SiO2)-film met hoge isolerende eigenschappen op het oppervlak van de wafer wordt gevormd. Vervolgens wordt een depositieproces gestart om een siliciumlaag of een geleidende laag op de oxidefilm aan te brengen door middel van chemische dampafzetting (CVD) of fysische dampafzetting (PVD). Indien een siliciumlaag wordt gevormd, kan een diffusieproces van onzuiverheden worden uitgevoerd om de geleidbaarheid indien nodig te verhogen. Tijdens dit diffusieproces worden vaak meerdere onzuiverheden herhaaldelijk toegevoegd.
In deze fase moeten de isolerende laag en de polysiliciumlaag worden gecombineerd voor het etsen. Eerst wordt een fotolak aangebracht. Vervolgens wordt een masker op de fotolakfilm geplaatst en wordt natte belichting uitgevoerd door onderdompeling om het gewenste patroon (onzichtbaar voor het blote oog) in de fotolakfilm te drukken. Wanneer de omtrek van het patroon zichtbaar wordt door ontwikkeling, wordt de fotolak in het lichtgevoelige gebied verwijderd. Daarna wordt de wafer, die is bewerkt met fotolithografie, overgebracht naar het etsproces voor droog etsen.
Droog etsen wordt voornamelijk uitgevoerd met reactief ionenetsen (RIE), waarbij het etsen wordt herhaald door telkens het juiste brongas voor elke film te gebruiken. Zowel droog als nat etsen is gericht op het verhogen van de aspectverhouding (A/R-waarde). Daarnaast is regelmatige reiniging nodig om het polymeer te verwijderen dat zich op de bodem van het gat (de spleet die door het etsen is ontstaan) heeft opgehoopt. Het is belangrijk dat alle variabelen (zoals materialen, brongas, tijd, vorm en volgorde) organisch worden afgestemd om ervoor te zorgen dat de reinigingsvloeistof of het plasmabrongas tot op de bodem van de groef kan doordringen. Een kleine verandering in een variabele vereist een herberekening van andere variabelen, en dit herberekeningsproces wordt herhaald totdat aan het doel van elke fase is voldaan. Recentelijk zijn monoatomaire lagen, zoals lagen die met atomaire laagafzetting (ALD) zijn gevormd, dunner en harder geworden. Daarom evolueert de etstechnologie naar het gebruik van lage temperaturen en drukken. Het etsproces is erop gericht de kritische afmeting (CD) te beheersen om fijne patronen te produceren en ervoor te zorgen dat problemen die door het etsproces worden veroorzaakt, met name onderetsing en problemen met het verwijderen van residuen, worden vermeden. De bovenstaande twee artikelen over etsen zijn bedoeld om lezers inzicht te geven in het doel van het etsproces, de obstakels bij het bereiken van de bovengenoemde doelen en de prestatie-indicatoren die worden gebruikt om deze obstakels te overwinnen.
Geplaatst op: 10 september 2024