Tidig våtetsning främjade utvecklingen av rengörings- eller askningsprocesser. Idag har torretsning med plasma blivit den vanligaste metodenetsningsprocessPlasma består av elektroner, katjoner och radikaler. Energin som tillförs plasmat gör att de yttersta elektronerna i källgasen i neutralt tillstånd avskalas, varigenom dessa elektroner omvandlas till katjoner.
Dessutom kan ofullkomliga atomer i molekyler skalas bort genom att energi appliceras för att bilda elektriskt neutrala radikaler. Torretsning använder katjoner och radikaler som utgör plasma, där katjoner är anisotropa (lämpliga för etsning i en viss riktning) och radikaler är isotropa (lämpliga för etsning i alla riktningar). Antalet radikaler är mycket större än antalet katjoner. I detta fall bör torretsning vara isotropisk liksom våtetsning.
Det är emellertid den anisotropa etsningen vid torretsning som möjliggör ultraminiatyriserade kretsar. Vad är orsaken till detta? Dessutom är etsningshastigheten för katjoner och radikaler mycket långsam. Så hur kan vi tillämpa plasmaetsningsmetoder på massproduktion trots denna brist?
1. Bildförhållande (A/R)
Figur 1. Begreppet bildförhållande och den tekniska utvecklingens inverkan på det.
Bildförhållande är förhållandet mellan horisontell bredd och vertikal höjd (dvs. höjd dividerad med bredd). Ju mindre den kritiska dimensionen (CD) för kretsen är, desto större bildförhållandevärde. Det vill säga, om man antar ett bildförhållandevärde på 10 och en bredd på 10 nm, bör höjden på hålet som borras under etsningsprocessen vara 100 nm. Därför krävs extremt höga bildförhållandevärden för nästa generations produkter som kräver ultraminiatyrisering (2D) eller hög densitet (3D) för att säkerställa att katjoner kan penetrera bottenfilmen under etsningen.
För att uppnå ultraminiatyriseringsteknik med en kritisk dimension på mindre än 10 nm i 2D-produkter bör kondensatorns bildförhållande för dynamiskt random access-minne (DRAM) hållas över 100. På liknande sätt kräver 3D NAND-flashminne också högre bildförhållandevärden för att stapla 256 lager eller fler av cellstaplingslager. Även om villkoren för andra processer är uppfyllda kan de erforderliga produkterna inte produceras ometsningsprocesshåller inte måttet. Det är därför etsningstekniken blir allt viktigare.
2. Översikt över plasmaetsning
Figur 2. Bestämning av plasmakällgas enligt filmtyp
När ett ihåligt rör används, ju smalare rördiametern är, desto lättare är det för vätska att komma in, vilket är det så kallade kapillärfenomenet. Men om ett hål (sluten ände) ska borras i det exponerade området blir det ganska svårt att få in vätskan. Eftersom kretsens kritiska storlek var 3µm till 5µm i mitten av 1970-talet, är torra...etsninghar gradvis ersatt våtetsning som den vanligaste metoden. Det vill säga, även om det är joniserat, är det lättare att penetrera djupa hål eftersom volymen av en enskild molekyl är mindre än volymen av en organisk polymerlösningsmolekyl.
Under plasmaetsning bör det inre av bearbetningskammaren som används för etsning justeras till vakuum innan plasmakällgas som är lämplig för det aktuella lagret injiceras. Vid etsning av fasta oxidfilmer bör starkare kolfluoridbaserade källgaser användas. För relativt svaga kisel- eller metallfilmer bör klorbaserade plasmakällgaser användas.
Så, hur ska gate-lagret och det underliggande isoleringsskiktet av kiseldioxid (SiO2) etsas?
För det första bör kisel i gate-lagret avlägsnas med hjälp av ett klorbaserat plasma (kisel + klor) med polykiseletsningsselektivitet. För det undre isolerande lagret bör kiseldioxidfilmen etsas i två steg med hjälp av en kolfluoridbaserad plasmakällgas (kiseldioxid + koltetrafluorid) med starkare etsningsselektivitet och effektivitet.
3. Reaktiv jonetsningsprocess (RIE eller fysikalisk-kemisk etsning)
Figur 3. Fördelar med reaktiv jonetsning (anisotropi och hög etsningshastighet)
Plasma innehåller både isotropa fria radikaler och anisotropa katjoner, så hur utför den anisotrop etsning?
Plasmatorretsning utförs huvudsakligen med reaktiv jonetsning (RIE, Reactive Ion Etching) eller tillämpningar baserade på denna metod. Kärnan i RIE-metoden är att försvaga bindningskraften mellan målmolekylerna i filmen genom att attackera etsningsområdet med anisotropa katjoner. Det försvagade området absorberas av fria radikaler, kombineras med partiklarna som utgör skiktet, omvandlas till gas (en flyktig förening) och frigörs.
Även om fria radikaler har isotropa egenskaper, fångas molekyler som utgör bottenytan (vars bindningskraft försvagas av attacken från katjoner) lättare upp av fria radikaler och omvandlas till nya föreningar än sidoväggar med stark bindningskraft. Därför blir nedåtgående etsning mainstream. De uppfångade partiklarna blir gas med fria radikaler, som desorberas och frigörs från ytan under inverkan av vakuum.
Vid denna tidpunkt kombineras katjonerna som erhålls genom fysisk verkan och de fria radikalerna som erhålls genom kemisk verkan för fysisk och kemisk etsning, och etsningshastigheten (etsningshastighet, etsningsgraden under en viss tidsperiod) ökas 10 gånger jämfört med fallet med katjonisk etsning eller enbart friradikaletsning. Denna metod kan inte bara öka etsningshastigheten vid anisotrop nedåtgående etsning, utan också lösa problemet med polymerrester efter etsning. Denna metod kallas reaktiv jonetsning (RIE). Nyckeln till framgången med RIE-etsning är att hitta en plasmakällgas som är lämplig för etsning av filmen. Obs: Plasmaetsning är RIE-etsning, och de två kan betraktas som samma koncept.
4. Etsningshastighet och kärnprestandaindex
Figur 4. Core Etch Performance Index relaterat till etsningshastighet
Etsningshastigheten avser det filmdjup som förväntas uppnås på en minut. Så vad betyder det att etsningshastigheten varierar från del till del på en enda wafer?
Det här innebär att etsdjupet varierar från del till del på wafern. Av denna anledning är det mycket viktigt att ställa in slutpunkten (EOP) där etsningen ska stoppas genom att beakta den genomsnittliga etshastigheten och etsdjupet. Även om EOP är inställt finns det fortfarande vissa områden där etsdjupet är djupare (överetsat) eller grundare (underetsat) än ursprungligen planerat. Underetsning orsakar dock mer skada än överetsning under etsning. Vid underetsning kommer den underetsade delen att hindra efterföljande processer som jonimplantation.
Samtidigt är selektivitet (mätt med etsningshastighet) en viktig prestandaindikator för etsningsprocessen. Mätstandarden baseras på jämförelsen av etsningshastigheten för maskskiktet (fotoresistfilm, oxidfilm, kiselnitridfilm, etc.) och målskiktet. Detta innebär att ju högre selektivitet, desto snabbare etsas målskiktet. Ju högre miniatyriseringsnivå, desto högre är selektivitetskravet för att säkerställa att fina mönster kan presenteras perfekt. Eftersom etsningsriktningen är rak är selektiviteten för katjonisk etsning låg, medan selektiviteten för radikaletsning är hög, vilket förbättrar selektiviteten för RIE.
5. Etsningsprocess
Figur 5. Etsningsprocess
Först placeras wafern i en oxidationsugn med en temperatur som hålls mellan 800 och 1000 ℃, och sedan bildas en kiseldioxidfilm (SiO2) med höga isoleringsegenskaper på waferns yta med en torr metod. Därefter påbörjas deponeringsprocessen för att bilda ett kisellager eller ett ledande lager på oxidfilmen genom kemisk ångdeponering (CVD)/fysisk ångdeponering (PVD). Om ett kisellager bildas kan en föroreningsdiffusionsprocess utföras för att öka konduktiviteten vid behov. Under föroreningsdiffusionsprocessen tillsätts ofta flera föroreningar upprepade gånger.
Vid denna tidpunkt bör det isolerande lagret och polykisellagret kombineras för etsning. Först används en fotoresist. Därefter placeras en mask på fotoresistfilmen och våtexponering utförs genom nedsänkning för att prägla det önskade mönstret (osynligt för blotta ögat) på fotoresistfilmen. När mönstrets konturer avslöjas genom framkallning avlägsnas fotoresisten i det ljuskänsliga området. Därefter överförs den wafer som bearbetats med fotolitografiprocessen till etsningsprocessen för torretsning.
Torretsning utförs huvudsakligen med reaktiv jonetsning (RIE), där etsningen upprepas huvudsakligen genom att ersätta den källgas som är lämplig för varje film. Både torretsning och våtetsning syftar till att öka bildförhållandet (A/R-värdet) för etsningen. Dessutom krävs regelbunden rengöring för att avlägsna polymeren som ackumulerats i botten av hålet (mellanrummet som bildas av etsningen). Den viktiga punkten är att alla variabler (såsom material, källgas, tid, form och sekvens) bör justeras organiskt för att säkerställa att rengöringslösningen eller plasmakällgasen kan flöda ner till botten av schaktet. En liten förändring i en variabel kräver omberäkning av andra variabler, och denna omberäkningsprocess upprepas tills den uppfyller syftet med varje steg. Nyligen har monoatomära lager, såsom atomlagerdeponeringsskikt (ALD), blivit tunnare och hårdare. Därför går etsningstekniken mot användning av låga temperaturer och tryck. Etsningsprocessen syftar till att kontrollera den kritiska dimensionen (CD) för att producera fina mönster och säkerställa att problem som orsakas av etsningsprocessen undviks, särskilt underetsning och problem relaterade till avlägsnande av rester. Ovanstående två artiklar om etsning syftar till att ge läsarna en förståelse för syftet med etsningsprocessen, hindren för att uppnå ovanstående mål och de prestationsindikatorer som används för att övervinna sådana hinder.
Publiceringstid: 10 sep-2024