Tidlig våtetsing fremmet utviklingen av rengjørings- eller askeprosesser. I dag har tørretsing med plasma blitt vanlig praksisetseprosessPlasma består av elektroner, kationer og radikaler. Energien som tilføres plasmaet fører til at de ytterste elektronene i kildegassen i en nøytral tilstand strippes av, og dermed omdannes disse elektronene til kationer.
I tillegg kan ufullkomne atomer i molekyler fjernes ved å tilføre energi for å danne elektrisk nøytrale radikaler. Tørretsing bruker kationer og radikaler som utgjør plasma, hvor kationer er anisotrope (egnet for etsing i en bestemt retning) og radikaler er isotrope (egnet for etsing i alle retninger). Antallet radikaler er langt større enn antallet kationer. I dette tilfellet bør tørretsing være isotropisk, i likhet med våtetsing.
Det er imidlertid den anisotropiske etsningen ved tørretsing som gjør ultraminiatyriserte kretser mulige. Hva er årsaken til dette? I tillegg er etsehastigheten til kationer og radikaler svært lav. Så hvordan kan vi anvende plasmaetsningsmetoder til masseproduksjon når vi står overfor denne mangelen?
1. Bildeforhold (A/R)
Figur 1. Konseptet med sideforhold og virkningen av teknologiske fremskritt på det
Sideforhold er forholdet mellom horisontal bredde og vertikal høyde (dvs. høyde delt på bredde). Jo mindre kritisk dimensjon (CD) på kretsen er, desto større er sideforholdsverdien. Det vil si at hvis man antar en sideforholdsverdi på 10 og en bredde på 10 nm, bør høyden på hullet som bores under etseprosessen være 100 nm. Derfor, for neste generasjons produkter som krever ultraminiatyrisering (2D) eller høy tetthet (3D), kreves det ekstremt høye sideforholdsverdier for å sikre at kationer kan trenge inn i bunnfilmen under etsingen.
For å oppnå ultraminiatyriseringsteknologi med en kritisk dimensjon på mindre enn 10 nm i 2D-produkter, bør kondensatorens sideforholdsverdi for dynamisk tilfeldig tilgangsminne (DRAM) holdes over 100. På samme måte krever 3D NAND flashminne også høyere sideforholdsverdier for å stable 256 lag eller mer med cellestablingslag. Selv om betingelsene som kreves for andre prosesser er oppfylt, kan ikke de nødvendige produktene produseres hvisetseprosessholder ikke standarden. Derfor blir etseteknologi stadig viktigere.
2. Oversikt over plasmaetsing
Figur 2. Bestemmelse av plasmakildegass i henhold til filmtype
Når et hult rør brukes, jo smalere rørdiameteren er, desto lettere er det for væske å komme inn, som er det såkalte kapillærfenomenet. Men hvis et hull (lukket ende) skal bores i det eksponerte området, blir væsketilførselen ganske vanskelig. Derfor, siden den kritiske størrelsen på kretsen var 3µm til 5µm på midten av 1970-tallet, var tørretsinghar gradvis erstattet våtetsing som hovedstrømmen. Det vil si at selv om det er ionisert, er det lettere å trenge gjennom dype hull fordi volumet til et enkelt molekyl er mindre enn volumet til et organisk polymerløsningsmolekyl.
Under plasmaetsing bør det indre av prosesseringskammeret som brukes til etsing justeres til vakuumtilstand før plasmakildegassen som er egnet for det aktuelle laget injiseres. Ved etsing av faste oksidfilmer bør sterkere karbonfluoridbaserte kildegasser brukes. For relativt svake silisium- eller metallfilmer bør klorbaserte plasmakildegasser brukes.
Så, hvordan bør portlaget og det underliggende silisiumdioksid (SiO2) isolerende laget etses?
Først, for portlaget, bør silisium fjernes ved hjelp av et klorbasert plasma (silisium + klor) med polysilisiumetsningsselektivitet. For det nederste isolerende laget bør silisiumdioksidfilmen etses i to trinn ved hjelp av en karbonfluoridbasert plasmakildegass (silisiumdioksid + karbontetrafluorid) med sterkere etseselektivitet og effektivitet.
3. Reaktiv ionetsing (RIE eller fysikalsk-kjemisk etsing) prosess
Figur 3. Fordeler med reaktiv ionetsing (anisotropi og høy etsehastighet)
Plasma inneholder både isotrope frie radikaler og anisotrope kationer, så hvordan utfører det anisotropisk etsing?
Plasmatørretsing utføres hovedsakelig ved reaktiv ionetsing (RIE, Reactive Ion Etching) eller anvendelser basert på denne metoden. Kjernen i RIE-metoden er å svekke bindingskraften mellom målmolekylene i filmen ved å angripe etseområdet med anisotrope kationer. Det svekkede området absorberes av frie radikaler, kombineres med partiklene som utgjør laget, omdannes til gass (en flyktig forbindelse) og frigjøres.
Selv om frie radikaler har isotrope egenskaper, blir molekyler som utgjør bunnflaten (hvis bindingskraft svekkes av angrep fra kationer) lettere fanget opp av frie radikaler og omdannet til nye forbindelser enn sidevegger med sterk bindingskraft. Derfor blir nedadgående etsing hovedstrømmen. De fangede partiklene blir til gass med frie radikaler, som desorberes og frigjøres fra overflaten under påvirkning av vakuum.
På dette tidspunktet kombineres kationene oppnådd ved fysisk virkning og de frie radikalene oppnådd ved kjemisk virkning for fysisk og kjemisk etsing, og etsehastigheten (etsehastigheten, graden av etsing i en viss tidsperiode) økes med 10 ganger sammenlignet med kationisk etsing eller friradikaletsing alene. Denne metoden kan ikke bare øke etsehastigheten ved anisotropisk nedadgående etsing, men også løse problemet med polymerrester etter etsing. Denne metoden kalles reaktiv ionetsing (RIE). Nøkkelen til suksess med RIE-etsing er å finne en plasmakildegass som er egnet for etsing av filmen. Merk: Plasmaetsing er RIE-etsing, og de to kan betraktes som det samme konseptet.
4. Etsehastighet og kjerneytelsesindeks
Figur 4. Kjerneetsningsytelsesindeks relatert til etsehastighet
Etsehastighet refererer til filmens dybde som forventes å bli nådd i løpet av ett minutt. Så hva betyr det at etsehastigheten varierer fra del til del på en enkelt wafer?
Dette betyr at etsedybden varierer fra del til del på waferen. Av denne grunn er det svært viktig å angi sluttpunktet (EOP) der etsingen skal stoppe ved å ta hensyn til gjennomsnittlig etsehastighet og etsedybde. Selv om EOP er angitt, er det fortsatt noen områder der etsedybden er dypere (overetset) eller grunnere (underetset) enn opprinnelig planlagt. Underetsing forårsaker imidlertid mer skade enn overetsing under etsing. Fordi i tilfelle underetsing vil den underetsede delen hindre påfølgende prosesser som ionimplantasjon.
Selektivitet (målt ved etsehastighet) er en viktig ytelsesindikator for etseprosessen. Målestandarden er basert på sammenligning av etsehastigheten til maskelaget (fotoresistfilm, oksidfilm, silisiumnitridfilm osv.) og mållaget. Dette betyr at jo høyere selektivitet, desto raskere etses mållaget. Jo høyere miniatyriseringsnivå, desto høyere er selektivitetskravet for å sikre at fine mønstre kan presenteres perfekt. Siden etseretningen er rett, er selektiviteten til kationisk etsing lav, mens selektiviteten til radikaletsing er høy, noe som forbedrer selektiviteten til RIE.
5. Etseprosess
Figur 5. Etseprosess
Først plasseres waferen i en oksidasjonsovn med en temperatur som holdes mellom 800 og 1000 ℃, og deretter dannes en silisiumdioksid (SiO2)-film med høye isolasjonsegenskaper på overflaten av waferen ved en tørr metode. Deretter går avsetningsprosessen i gang for å danne et silisiumlag eller et ledende lag på oksidfilmen ved kjemisk dampavsetning (CVD)/fysisk dampavsetning (PVD). Hvis et silisiumlag dannes, kan en urenhetsdiffusjonsprosess utføres for å øke konduktiviteten om nødvendig. Under urenhetsdiffusjonsprosessen tilsettes ofte flere urenheter gjentatte ganger.
På dette tidspunktet bør det isolerende laget og polysilisiumlaget kombineres for etsing. Først brukes en fotoresist. Deretter plasseres en maske på fotoresistfilmen, og våteksponering utføres ved nedsenking for å prege det ønskede mønsteret (usynlig for det blotte øye) på fotoresistfilmen. Når mønsteromrisset avsløres ved fremkalling, fjernes fotoresisten i det lysfølsomme området. Deretter overføres waferen som er behandlet med fotolitografiprosessen til etseprosessen for tørretsing.
Tørretsing utføres hovedsakelig ved reaktiv ionetsing (RIE), der etsingen gjentas hovedsakelig ved å erstatte kildegassen som er egnet for hver film. Både tørretsing og våtetsing tar sikte på å øke sideforholdet (A/R-verdien) for etsingen. I tillegg kreves regelmessig rengjøring for å fjerne polymeren som er samlet i bunnen av hullet (gapet som dannes ved etsingen). Det viktige poenget er at alle variabler (som materialer, kildegass, tid, form og sekvens) bør justeres organisk for å sikre at rengjøringsløsningen eller plasmakildegassen kan strømme ned til bunnen av grøften. En liten endring i en variabel krever omberegning av andre variabler, og denne omberegningsprosessen gjentas til den oppfyller formålet med hvert trinn. I den senere tid har monoatomiske lag, som atomlagsavsetningslag (ALD), blitt tynnere og hardere. Derfor beveger etseteknologien seg mot bruk av lave temperaturer og trykk. Etseprosessen tar sikte på å kontrollere den kritiske dimensjonen (CD) for å produsere fine mønstre og sikre at problemer forårsaket av etseprosessen unngås, spesielt underetsing og problemer knyttet til fjerning av rester. De to artiklene ovenfor om etsing har som mål å gi leserne en forståelse av formålet med etseprosessen, hindringene for å oppnå målene ovenfor, og ytelsesindikatorene som brukes for å overvinne slike hindringer.
Publisert: 10. september 2024