Раннее влажное травление способствовало развитию процессов очистки или озоления. Сегодня сухое травление с использованием плазмы стало основным направлениемпроцесс травления. Плазма состоит из электронов, катионов и радикалов. Энергия, приложенная к плазме, заставляет внешние электроны исходного газа в нейтральном состоянии отрываться, тем самым превращая эти электроны в катионы.
Кроме того, несовершенные атомы в молекулах могут быть оторваны путем приложения энергии для образования электрически нейтральных радикалов. Сухое травление использует катионы и радикалы, которые составляют плазму, где катионы анизотропны (подходят для травления в определенном направлении), а радикалы изотропны (подходят для травления во всех направлениях). Число радикалов намного больше числа катионов. В этом случае сухое травление должно быть изотропным, как и влажное травление.
Однако именно анизотропное травление сухого травления делает возможными сверхминиатюрные схемы. В чем причина этого? Кроме того, скорость травления катионов и радикалов очень низкая. Так как же нам применить методы плазменного травления к массовому производству, несмотря на этот недостаток?
1. Соотношение сторон (A/R)
Рисунок 1. Понятие соотношения сторон и влияние на него технического прогресса
Соотношение сторон — это отношение горизонтальной ширины к вертикальной высоте (т. е. высота, деленная на ширину). Чем меньше критический размер (CD) схемы, тем больше значение соотношения сторон. То есть, предполагая значение соотношения сторон 10 и ширину 10 нм, высота отверстия, просверленного в процессе травления, должна составлять 100 нм. Поэтому для продуктов следующего поколения, требующих сверхминиатюризации (2D) или высокой плотности (3D), требуются чрезвычайно высокие значения соотношения сторон, чтобы гарантировать, что катионы смогут проникать через нижнюю пленку во время травления.
Для достижения технологии ультраминиатюризации с критическим размером менее 10 нм в 2D-продуктах значение соотношения сторон конденсатора динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) должно поддерживаться выше 100. Аналогично, 3D NAND флэш-память также требует более высоких значений соотношения сторон для укладки 256 слоев или более слоев укладки ячеек. Даже если условия, требуемые для других процессов, выполнены, требуемые продукты не могут быть произведены, еслипроцесс травленияне соответствует стандарту. Вот почему технология травления становится все более важной.
2. Обзор плазменного травления
Рисунок 2. Определение исходного газа плазмы в зависимости от типа пленки
При использовании полой трубы, чем уже диаметр трубы, тем легче проникать жидкости, что является так называемым капиллярным явлением. Однако, если в открытой области просверлить отверстие (закрытый конец), то проникновение жидкости становится довольно затруднительным. Поэтому, поскольку критический размер контура в середине 1970-х годов составлял от 3 до 5 мкм, сухойтравлениепостепенно заменило мокрое травление как основной метод. То есть, хотя и ионизировано, легче проникает в глубокие отверстия, поскольку объем одной молекулы меньше объема молекулы раствора органического полимера.
Во время плазменного травления внутренняя часть камеры обработки, используемой для травления, должна быть отрегулирована до состояния вакуума перед инжекцией плазменного исходного газа, подходящего для соответствующего слоя. При травлении твердых оксидных пленок следует использовать более сильные исходные газы на основе фторида углерода. Для относительно слабых кремниевых или металлических пленок следует использовать плазменные исходные газы на основе хлора.
Итак, как следует протравливать слой затвора и лежащий под ним изолирующий слой диоксида кремния (SiO2)?
Во-первых, для слоя затвора кремний должен быть удален с использованием плазмы на основе хлора (кремний + хлор) с селективностью травления поликремния. Для нижнего изолирующего слоя пленка диоксида кремния должна быть протравлена в два этапа с использованием исходного плазменного газа на основе фторида углерода (диоксид кремния + тетрафторид углерода) с более сильной селективностью травления и эффективностью.
3. Процесс реактивного ионного травления (RIE или физико-химическое травление)
Рисунок 3. Преимущества реактивного ионного травления (анизотропия и высокая скорость травления)
Плазма содержит как изотропные свободные радикалы, так и анизотропные катионы. Так как же она осуществляет анизотропное травление?
Плазменное сухое травление в основном выполняется методом реактивного ионного травления (RIE, Reactive Ion Etching) или приложениями на основе этого метода. Суть метода RIE заключается в ослаблении силы связи между целевыми молекулами в пленке путем атаки области травления анизотропными катионами. Ослабленная область поглощается свободными радикалами, соединяется с частицами, составляющими слой, преобразуется в газ (летучее соединение) и высвобождается.
Хотя свободные радикалы имеют изотропные характеристики, молекулы, составляющие нижнюю поверхность (сила связи которой ослаблена атакой катионов), легче захватываются свободными радикалами и преобразуются в новые соединения, чем боковые стенки с сильной силой связи. Поэтому основным становится травление сверху вниз. Захваченные частицы становятся газом со свободными радикалами, которые десорбируются и высвобождаются с поверхности под действием вакуума.
В это время катионы, полученные физическим воздействием, и свободные радикалы, полученные химическим воздействием, объединяются для физического и химического травления, и скорость травления (Etch Rate, степень травления за определенный период времени) увеличивается в 10 раз по сравнению со случаем катионного травления или травления свободными радикалами по отдельности. Этот метод может не только увеличить скорость травления анизотропного нисходящего травления, но и решить проблему остатков полимера после травления. Этот метод называется реактивным ионным травлением (RIE). Ключом к успеху RIE-травления является поиск газа-источника плазмы, подходящего для травления пленки. Примечание: плазменное травление — это RIE-травление, и их можно рассматривать как одно и то же понятие.
4. Скорость травления и индекс производительности сердечника
Рисунок 4. Индекс эффективности травления сердечника, связанный со скоростью травления
Скорость травления относится к глубине пленки, которая, как ожидается, будет достигнута за одну минуту. Так что же означает, что скорость травления варьируется от детали к детали на одной пластине?
Это означает, что глубина травления варьируется от детали к детали на пластине. По этой причине очень важно установить конечную точку (EOP), где травление должно остановиться, учитывая среднюю скорость травления и глубину травления. Даже если EOP установлено, все еще есть некоторые области, где глубина травления глубже (перетравлено) или мельче (недотравлено), чем изначально планировалось. Однако недотравливание вызывает больше повреждений, чем перетравливание во время травления. Поскольку в случае недотравления недотравленная часть будет препятствовать последующим процессам, таким как ионная имплантация.
Между тем, селективность (измеряемая скоростью травления) является ключевым показателем эффективности процесса травления. Стандарт измерения основан на сравнении скорости травления слоя маски (пленка фоторезиста, оксидная пленка, пленка нитрида кремния и т. д.) и целевого слоя. Это означает, что чем выше селективность, тем быстрее травится целевой слой. Чем выше уровень миниатюризации, тем выше требование к селективности, чтобы гарантировать, что тонкие узоры могут быть идеально представлены. Поскольку направление травления прямое, селективность катионного травления низкая, в то время как селективность радикального травления высокая, что улучшает селективность RIE.
5. Процесс травления
Рисунок 5. Процесс травления
Сначала пластина помещается в окислительную печь с температурой, поддерживаемой в диапазоне от 800 до 1000 ℃, а затем на поверхности пластины сухим способом формируется пленка диоксида кремния (SiO2) с высокими изоляционными свойствами. Затем вводится процесс осаждения для формирования слоя кремния или проводящего слоя на оксидной пленке методом химического осаждения из паровой фазы (CVD)/физического осаждения из паровой фазы (PVD). Если сформирован слой кремния, может быть выполнен процесс диффузии примесей для увеличения проводимости, если это необходимо. В процессе диффузии примесей часто повторно добавляются несколько примесей.
В это время изолирующий слой и слой поликремния должны быть объединены для травления. Сначала используется фоторезист. Затем на пленку фоторезиста накладывается маска, и выполняется влажное экспонирование путем погружения для отпечатывания желаемого рисунка (невидимого невооруженным глазом) на пленке фоторезиста. Когда контур рисунка проявляется путем проявления, фоторезист в светочувствительной области удаляется. Затем пластина, обработанная процессом фотолитографии, переносится в процесс травления для сухого травления.
Сухое травление в основном выполняется методом реактивного ионного травления (RIE), при котором травление повторяется в основном путем замены исходного газа, подходящего для каждой пленки. Как сухое травление, так и влажное травление направлены на увеличение соотношения сторон (значение A/R) травления. Кроме того, требуется регулярная очистка для удаления полимера, накопившегося на дне отверстия (зазор, образованный травлением). Важным моментом является то, что все переменные (такие как материалы, исходный газ, время, форма и последовательность) должны быть скорректированы органически, чтобы гарантировать, что чистящий раствор или исходный плазменный газ могут стекать на дно траншеи. Небольшое изменение переменной требует пересчета других переменных, и этот процесс пересчета повторяется до тех пор, пока он не будет соответствовать цели каждого этапа. В последнее время моноатомные слои, такие как слои атомно-слоевого осаждения (ALD), стали тоньше и тверже. Поэтому технология травления движется в сторону использования низких температур и давлений. Процесс травления направлен на контроль критического размера (CD) для получения тонких рисунков и обеспечения того, чтобы проблемы, вызванные процессом травления, были предотвращены, особенно недотравление и проблемы, связанные с удалением остатков. Две вышеупомянутые статьи о травлении направлены на то, чтобы предоставить читателям понимание цели процесса травления, препятствий для достижения вышеуказанных целей и показателей эффективности, используемых для преодоления таких препятствий.
Время публикации: 10-сен-2024