Ранние методы влажного травления способствовали развитию процессов очистки или озоления. Сегодня основным методом стало сухое травление с использованием плазмы.процесс травленияПлазма состоит из электронов, катионов и радикалов. Энергия, приложенная к плазме, приводит к отрыву самых внешних электронов исходного газа, находящегося в нейтральном состоянии, превращая эти электроны в катионы.
Кроме того, несовершенные атомы в молекулах могут быть удалены путем приложения энергии с образованием электрически нейтральных радикалов. Сухое травление использует катионы и радикалы, составляющие плазму, где катионы анизотропны (пригодны для травления в определенном направлении), а радикалы изотропны (пригодны для травления во всех направлениях). Количество радикалов значительно превышает количество катионов. В этом случае сухое травление должно быть изотропным, как и влажное травление.
Однако именно анизотропное травление при сухом травлении делает возможным создание сверхминиатюрных схем. В чем причина этого? Кроме того, скорость травления катионов и радикалов очень низкая. Как же в условиях этого недостатка можно применять методы плазменного травления в массовом производстве?
1. Соотношение сторон (A/R)
Рисунок 1. Концепция соотношения сторон и влияние технологического прогресса на неё.
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, если предположить, что соотношение сторон равно 10 и ширина составляет 10 нм, высота отверстия, просверленного в процессе травления, должна составлять 100 нм. Следовательно, для продуктов следующего поколения, требующих сверхминиатюризации (2D) или высокой плотности (3D), необходимы чрезвычайно высокие значения соотношения сторон, чтобы гарантировать проникновение катионов через нижнюю пленку во время травления.
Для достижения технологии сверхминиатюризации с критическим размером менее 10 нм в 2D-изделиях значение коэффициента аспектного соотношения конденсатора в динамической оперативной памяти (DRAM) должно поддерживаться выше 100. Аналогично, для 3D NAND флэш-памяти также требуются более высокие значения коэффициента аспектного соотношения для укладки 256 или более слоев ячеек. Даже если условия, необходимые для других процессов, соблюдены, требуемые изделия не могут быть произведены, если...процесс травленияне соответствует стандартам. Именно поэтому технология травления приобретает все большее значение.
2. Обзор плазменного травления
Рисунок 2. Определение газа-источника плазмы в зависимости от типа пленки.
При использовании полой трубы, чем уже диаметр трубы, тем легче жидкости проникать внутрь, что называется капиллярным явлением. Однако, если в открытой части трубы просверлить отверстие (закрытый конец), проникновение жидкости становится довольно затруднительным. Поэтому, поскольку критический размер контура в середине 1970-х годов составлял от 3 до 5 мкм, сухойтравлениеПостепенно вытеснило жидкостное травление в качестве основного метода. Это означает, что, несмотря на ионизацию, оно легче проникает в глубокие отверстия, поскольку объем отдельной молекулы меньше, чем объем молекулы раствора органического полимера.
В процессе плазменного травления перед подачей плазменного газа, подходящего для соответствующего слоя, необходимо создать вакуум внутри рабочей камеры, используемой для травления. При травлении пленок твердых оксидов следует использовать более концентрированные плазменные газы на основе фторида углерода. Для относительно слабых пленок кремния или металла следует использовать плазменные газы на основе хлора.
Итак, как следует травить затворный слой и нижележащий изоляционный слой из диоксида кремния (SiO2)?
Сначала для затворного слоя следует удалить кремний с помощью плазмы на основе хлора (кремний + хлор) с селективностью травления поликремния. Для нижнего изоляционного слоя пленку диоксида кремния следует травить в два этапа с использованием плазменного газа на основе фторида углерода (диоксид кремния + тетрафторид углерода) с более высокой селективностью и эффективностью травления.
3. Процесс реактивного ионного травления (РИТ 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 (РИТ) или на основе этого метода. Суть метода РИТ заключается в ослаблении силы связывания между молекулами-мишенями в пленке путем воздействия на область травления анизотропными катионами. Ослабленная область поглощается свободными радикалами, которые связываются с частицами, составляющими слой, превращаются в газ (летучее соединение) и высвобождаются.
Хотя свободные радикалы обладают изотропными свойствами, молекулы, составляющие нижнюю поверхность (сила связывания которой ослабляется атакой катионов), легче захватываются свободными радикалами и превращаются в новые соединения, чем молекулы на боковых стенках с сильной силой связывания. Поэтому травление вниз становится основным процессом. Захваченные частицы превращаются в газ со свободными радикалами, которые десорбируются и высвобождаются с поверхности под действием вакуума.
В данном случае катионы, полученные физическим воздействием, и свободные радикалы, полученные химическим воздействием, объединяются для физического и химического травления, и скорость травления (скорость травления, степень травления за определенный период времени) увеличивается в 10 раз по сравнению со случаем только катионного травления или травления свободными радикалами. Этот метод позволяет не только увеличить скорость травления при анизотропном травлении вниз, но и решить проблему остатков полимера после травления. Этот метод называется реактивным ионным травлением (РИТ). Ключом к успеху РИТ является поиск плазменного газа, подходящего для травления пленки. Примечание: Плазменное травление — это РИТ, и эти два понятия можно считать одним и тем же.
4. Скорость травления и основной показатель производительности.
Рисунок 4. Показатель эффективности травления стержня в зависимости от скорости травления.
Скорость травления — это ожидаемая глубина пленки, которая будет достигнута за одну минуту. Что же означает, что скорость травления варьируется от детали к детали на одной и той же пластине?
Это означает, что глубина травления варьируется от участка к участку 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 установлена, все равно остаются области, где глубина травления больше (перетравливание) или меньше (недотравливание), чем планировалось изначально. Однако недотравливание наносит больший ущерб, чем перетравливание. Потому что в случае недотравливания 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 маскирующего слоя (фоторезистивной пленки, оксидной пленки, пленки 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 требования к селективности, чтобы обеспечить идеальное отображение тонких рисунков. Поскольку направление травления прямолинейное, селективность катионного травления низкая, в то время как селективность радикального травления высокая, что повышает селективность реактивного ионного травления.
5. Процесс травления
Рисунок 5. Процесс травления.
Сначала пластину помещают в печь для окисления при температуре от 800 до 1000 ℃, а затем на поверхности пластины сухим методом формируют пленку диоксида кремния (SiO2) с высокими изоляционными свойствами. Далее, на оксидную пленку наносят слой кремния или проводящий слой методом химического осаждения из газовой фазы (CVD)/физического осаждения из газовой фазы (PVD). Если сформирован слой кремния, при необходимости можно провести процесс диффузии примесей для повышения проводимости. В процессе диффузии примесей часто многократно добавляются различные примеси.
На этом этапе необходимо соединить изолирующий слой и слой поликремния для травления. Сначала используется фоторезист. Затем на пленку фоторезиста наносится маска, и методом погружения выполняется влажное экспонирование для нанесения желаемого рисунка (невидимого невооруженным глазом) на пленку фоторезиста. После проявления контура рисунка фоторезист в светочувствительной области удаляется. Затем пластина, обработанная методом фотолитографии, переносится на этап сухого травления.
Сухое травление в основном осуществляется методом реактивного ионного травления (РИТ), при котором травление повторяется главным образом путем замены исходного газа, подходящего для каждой пленки. Как сухое, так и влажное травление направлены на увеличение соотношения сторон (значения A/R) травимого слоя. Кроме того, требуется регулярная очистка для удаления полимера, накопившегося на дне отверстия (зазора, образованного в результате травления). Важно, чтобы все переменные (такие как материалы, исходный газ, время, форма и последовательность) были органично скорректированы, чтобы обеспечить проникновение чистящего раствора или плазменного газа на дно канавки. Незначительное изменение одной переменной требует перерасчета других переменных, и этот процесс перерасчета повторяется до тех пор, пока не будет достигнута цель каждого этапа. В последнее время моноатомные слои, такие как слои, полученные методом атомно-слоевого осаждения (АЛО), стали тоньше и тверже. Поэтому технология травления движется в сторону использования низких температур и давлений. Цель процесса травления — контролировать критический размер (CD) для получения тонких узоров и предотвращения проблем, возникающих в процессе травления, особенно недотравливания и проблем, связанных с удалением остатков. Две вышеупомянутые статьи о травлении призваны дать читателям понимание цели процесса травления, препятствий на пути достижения указанных целей и показателей эффективности, используемых для преодоления таких препятствий.
Дата публикации: 10 сентября 2024 г.