กระบวนการกัดกระแสการสร้างรูปแบบเซมิคอนดักเตอร์

การกัดแบบเปียกในช่วงแรกส่งเสริมการพัฒนาของกระบวนการทำความสะอาดหรือการเผา ปัจจุบัน การกัดแบบแห้งโดยใช้พลาสม่ากลายเป็นกระแสหลักกระบวนการแกะสลักพลาสมาประกอบด้วยอิเล็กตรอน ไอออนบวก และอนุมูลอิสระ พลังงานที่จ่ายให้กับพลาสมาจะทำให้อิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของก๊าซต้นกำเนิดซึ่งอยู่ในสถานะเป็นกลางถูกแยกออก จึงทำให้อิเล็กตรอนเหล่านี้กลายเป็นไอออนบวก

นอกจากนี้ อะตอมที่ไม่สมบูรณ์ในโมเลกุลสามารถแยกออกได้โดยการใช้พลังงานเพื่อสร้างอนุมูลอิสระที่เป็นกลางทางไฟฟ้า การกัดแบบแห้งใช้ไอออนบวกและอนุมูลอิสระที่ประกอบเป็นพลาสมา โดยที่ไอออนบวกเป็นแอนไอโซทรอปิก (เหมาะสำหรับการกัดในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง) และอนุมูลอิสระเป็นไอโซทรอปิก (เหมาะสำหรับการกัดในทุกทิศทาง) จำนวนอนุมูลอิสระจะมากกว่าจำนวนไอออนบวกมาก ในกรณีนี้ การกัดแบบแห้งควรเป็นไอโซทรอปิกเช่นเดียวกับการกัดแบบเปียก

อย่างไรก็ตาม การกัดแบบแอนไอโซทรอปิกของการกัดแบบแห้งเป็นสิ่งที่ทำให้วงจรขนาดเล็กมากเป็นไปได้ เหตุใดจึงเป็นเช่นนี้ นอกจากนี้ ความเร็วในการกัดไอออนบวกและอนุมูลอิสระยังช้ามาก แล้วเราจะนำวิธีการกัดพลาสมาไปใช้กับการผลิตจำนวนมากได้อย่างไรเมื่อเผชิญกับข้อบกพร่องนี้

 

 

1. อัตราส่วนภาพ (A/R)

 

รูปที่ 1 แนวคิดเรื่องอัตราส่วนภาพและผลกระทบของความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีต่อแนวคิดดังกล่าว

 

อัตราส่วนภาพคืออัตราส่วนของความกว้างในแนวนอนต่อความสูงในแนวตั้ง (กล่าวคือ ความสูงหารด้วยความกว้าง) ยิ่งขนาดวิกฤต (CD) ของวงจรเล็กลงเท่าใด ค่าอัตราส่วนภาพก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น กล่าวคือ หากถือว่าค่าอัตราส่วนภาพเท่ากับ 10 และความกว้างเท่ากับ 10 นาโนเมตร ความสูงของรูที่เจาะระหว่างกระบวนการแกะสลักควรเท่ากับ 100 นาโนเมตร ดังนั้น สำหรับผลิตภัณฑ์รุ่นถัดไปที่ต้องการการย่อส่วนแบบเล็กมาก (2D) หรือความหนาแน่นสูง (3D) จำเป็นต้องใช้ค่าอัตราส่วนภาพที่สูงมากเพื่อให้แน่ใจว่าไอออนบวกสามารถทะลุผ่านฟิล์มด้านล่างได้ระหว่างการแกะสลัก

 

เพื่อให้ได้เทคโนโลยีขนาดเล็กพิเศษที่มีขนาดวิกฤตน้อยกว่า 10 นาโนเมตรในผลิตภัณฑ์ 2 มิติ ค่าอัตราส่วนด้านตัวเก็บประจุของหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มแบบไดนามิก (DRAM) ควรคงไว้สูงกว่า 100 ในทำนองเดียวกัน หน่วยความจำแฟลช NAND 3 มิติยังต้องการค่าอัตราส่วนด้านที่สูงกว่าเพื่อซ้อนชั้นเซลล์ 256 ชั้นหรือมากกว่า แม้ว่าจะตรงตามเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับกระบวนการอื่นๆ แต่ก็ไม่สามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่ต้องการได้หากกระบวนการแกะสลักไม่ได้มาตรฐาน ดังนั้นเทคโนโลยีการแกะสลักจึงมีความสำคัญเพิ่มมากขึ้น

 

 

2. ภาพรวมของการกัดพลาสมา

 

รูปที่ 2 การกำหนดแหล่งก๊าซพลาสมาตามชนิดของฟิล์ม

 

เมื่อใช้ท่อกลวง ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางท่อแคบ ของเหลวก็จะไหลเข้าได้ง่าย ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์แคปิลลารี อย่างไรก็ตาม หากต้องเจาะรู (ปลายปิด) ในบริเวณที่เปิดออก ของเหลวจะไหลเข้าได้ยาก ดังนั้น เนื่องจากขนาดวิกฤตของวงจรคือ 3um ถึง 5um ในช่วงกลางทศวรรษ 1970 จึงทำให้ท่อแห้งการแกะสลักได้เข้ามาแทนที่การกัดแบบเปียกอย่างค่อยเป็นค่อยไปจนกลายเป็นกระแสหลัก กล่าวคือ ถึงแม้จะแตกตัวเป็นไอออน แต่ก็สามารถเจาะเข้าไปในหลุมลึกได้ง่ายกว่า เนื่องจากปริมาตรของโมเลกุลเดี่ยวมีขนาดเล็กกว่าปริมาตรของโมเลกุลสารละลายโพลีเมอร์อินทรีย์

ในระหว่างการกัดด้วยพลาสมา ภายในห้องประมวลผลที่ใช้ในการกัดควรปรับให้อยู่ในสถานะสุญญากาศก่อนจะฉีดก๊าซแหล่งพลาสมาที่เหมาะสมสำหรับชั้นที่เกี่ยวข้อง เมื่อกัดฟิล์มออกไซด์แข็ง ควรใช้ก๊าซแหล่งที่มีคาร์บอนฟลูออไรด์เป็นส่วนประกอบที่แข็งแรงกว่า สำหรับฟิล์มซิลิกอนหรือโลหะที่ค่อนข้างอ่อนแอ ควรใช้ก๊าซแหล่งพลาสมาที่มีคลอรีนเป็นส่วนประกอบ

ดังนั้น ควรกัดชั้นเกตและชั้นฉนวนซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) ที่อยู่ด้านล่างอย่างไร?

ประการแรก สำหรับชั้นเกต ควรกำจัดซิลิกอนโดยใช้พลาสมาที่มีคลอรีนเป็นฐาน (ซิลิกอน + คลอรีน) ที่มีความสามารถในการกัดกร่อนโพลีซิลิกอน สำหรับชั้นฉนวนด้านล่าง ควรกัดกร่อนฟิล์มซิลิกอนไดออกไซด์เป็นสองขั้นตอนโดยใช้ก๊าซต้นทางพลาสมาที่มีคาร์บอนฟลูออไรด์เป็นฐาน (ซิลิกอนไดออกไซด์ + คาร์บอนเตตระฟลูออไรด์) ที่มีความสามารถในการกัดกร่อนและประสิทธิภาพที่สูงกว่า

 

 

3. กระบวนการกัดไอออนแบบปฏิกิริยา (RIE หรือการกัดแบบฟิสิกเคมี)

 

รูปที่ 3 ข้อดีของการกัดด้วยไอออนแบบปฏิกิริยา (แอนไอโซทรอปิกและอัตราการกัดสูง)

 

พลาสมาประกอบด้วยทั้งอนุมูลอิสระแบบไอโซทรอปิกและไอออนแอนไอโซทรอปิก ดังนั้นจึงทำการกัดแบบแอนไอโซทรอปิกได้อย่างไร

การกัดแบบแห้งด้วยพลาสมาส่วนใหญ่ดำเนินการโดยการกัดด้วยไอออนแบบปฏิกิริยา (RIE, Reactive Ion Etching) หรือการใช้งานตามวิธีนี้ โดยหัวใจสำคัญของวิธี RIE คือการทำให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเป้าหมายในฟิล์มอ่อนลงโดยการโจมตีบริเวณที่กัดด้วยไอออนบวกแบบแอนไอโซทรอปิก บริเวณที่อ่อนลงจะถูกดูดซับโดยอนุมูลอิสระ รวมกับอนุภาคที่ประกอบเป็นชั้น จากนั้นแปลงเป็นก๊าซ (สารระเหย) และปล่อยออกมา

แม้ว่าอนุมูลอิสระจะมีลักษณะไอโซทรอปิก แต่โมเลกุลที่ประกอบเป็นพื้นผิวด้านล่าง (ซึ่งแรงยึดเหนี่ยวจะลดลงจากการโจมตีของไอออนบวก) จะถูกอนุมูลอิสระจับได้ง่ายกว่าและเปลี่ยนเป็นสารประกอบใหม่ได้ดีกว่าผนังด้านข้างที่มีแรงยึดเหนี่ยวที่แข็งแรง ดังนั้น การกัดลงด้านล่างจึงกลายเป็นกระแสหลัก อนุภาคที่จับได้จะกลายเป็นก๊าซพร้อมกับอนุมูลอิสระ ซึ่งจะถูกดูดกลืนและปล่อยออกจากพื้นผิวภายใต้การกระทำของสุญญากาศ

 

ในขณะนี้ ไอออนบวกที่ได้จากการกระทำทางกายภาพและอนุมูลอิสระที่ได้จากการกระทำทางเคมีจะรวมกันเพื่อการกัดกร่อนทางกายภาพและทางเคมี และอัตราการกัด (Etch Rate หรือระดับของการกัดกร่อนในช่วงระยะเวลาหนึ่ง) จะเพิ่มขึ้น 10 เท่าเมื่อเทียบกับกรณีของการกัดกร่อนด้วยไอออนบวกหรือการกัดด้วยอนุมูลอิสระเพียงอย่างเดียว วิธีนี้ไม่เพียงแต่จะเพิ่มอัตราการกัดของการกัดแบบแอนไอโซทรอปิกลงด้านล่างเท่านั้น แต่ยังช่วยแก้ปัญหาของสารตกค้างของโพลิเมอร์หลังการกัดกร่อนได้อีกด้วย วิธีนี้เรียกว่าการกัดด้วยไอออนปฏิกิริยา (RIE) กุญแจสำคัญของความสำเร็จของการกัดด้วย RIE คือการค้นหาแหล่งก๊าซพลาสมาที่เหมาะสมสำหรับการกัดฟิล์ม หมายเหตุ: การกัดด้วยพลาสมาคือการกัดด้วย RIE และทั้งสองอย่างสามารถถือเป็นแนวคิดเดียวกันได้

 

 

4. อัตราการกัดกร่อนและดัชนีประสิทธิภาพแกนกลาง

 

รูปที่ 4 ดัชนีประสิทธิภาพการกัดแกนที่เกี่ยวข้องกับอัตราการกัด

 

อัตราการกัดหมายถึงความลึกของฟิล์มที่คาดว่าจะถึงในหนึ่งนาที แล้วอัตราการกัดจะแตกต่างกันไปตามแต่ละชิ้นส่วนบนเวเฟอร์หนึ่งชิ้นอย่างไร

ซึ่งหมายความว่าความลึกของการกัดจะแตกต่างกันไปในแต่ละชิ้นส่วนบนเวเฟอร์ ด้วยเหตุนี้ จึงมีความสำคัญมากที่จะต้องกำหนดจุดสิ้นสุด (EOP) ที่การกัดควรหยุดโดยพิจารณาจากอัตราการกัดเฉลี่ยและความลึกของการกัด แม้ว่าจะกำหนด EOP ไว้แล้ว แต่ก็ยังมีบางพื้นที่ที่ความลึกของการกัดลึกกว่า (กัดมากเกินไป) หรือตื้นกว่า (กัดไม่เพียงพอ) มากกว่าที่วางแผนไว้ในตอนแรก อย่างไรก็ตาม การกัดไม่เพียงพอจะก่อให้เกิดความเสียหายมากกว่าการกัดมากเกินไปในระหว่างการกัด เนื่องจากในกรณีของการกัดไม่เพียงพอ ชิ้นส่วนที่กัดไม่เพียงพอจะขัดขวางกระบวนการที่ตามมา เช่น การฝังไอออน

ในขณะเดียวกัน การเลือกสรร (วัดจากอัตราการกัด) เป็นตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพหลักของกระบวนการกัด มาตรฐานการวัดนั้นอิงตามการเปรียบเทียบอัตราการกัดของชั้นมาส์ก (ฟิล์มโฟโตเรซิสต์ ฟิล์มออกไซด์ ฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์ ฯลฯ) และชั้นเป้าหมาย ซึ่งหมายความว่ายิ่งการเลือกสรรสูงเท่าไร ชั้นเป้าหมายก็จะถูกกัดเร็วขึ้นเท่านั้น ยิ่งระดับการย่อส่วนสูงเท่าไร ข้อกำหนดการเลือกสรรก็จะสูงขึ้นเท่านั้น เพื่อให้แน่ใจว่าสามารถนำเสนอรูปแบบละเอียดได้อย่างสมบูรณ์แบบ เนื่องจากทิศทางการกัดเป็นแนวตรง การเลือกสรรของการกัดด้วยไอออนบวกจึงต่ำ ในขณะที่การเลือกสรรของการกัดด้วยเรดิคัลสูง ซึ่งช่วยปรับปรุงการเลือกสรรของ RIE

 

 

5. กระบวนการแกะสลัก

 

รูปที่ 5 กระบวนการกัดกรด

 

ขั้นแรก เวเฟอร์จะถูกวางในเตาเผาออกซิเดชันที่มีอุณหภูมิคงที่ระหว่าง 800 ถึง 1,000 องศาเซลเซียส จากนั้นจึงสร้างฟิล์มซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) ที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวนสูงบนพื้นผิวของเวเฟอร์โดยใช้วิธีการแบบแห้ง ขั้นต่อไป เข้าสู่กระบวนการสะสมเพื่อสร้างชั้นซิลิกอนหรือชั้นตัวนำบนฟิล์มออกไซด์โดยการสะสมไอเคมี (CVD)/การสะสมไอทางกายภาพ (PVD) หากสร้างชั้นซิลิกอนแล้ว สามารถดำเนินการแพร่กระจายสิ่งเจือปนเพื่อเพิ่มสภาพการนำไฟฟ้าได้หากจำเป็น ในระหว่างกระบวนการแพร่กระจายสิ่งเจือปน มักจะเติมสิ่งเจือปนหลายๆ ชนิดซ้ำกัน

ในขั้นตอนนี้ ควรผสมชั้นฉนวนและชั้นโพลีซิลิกอนเข้าด้วยกันเพื่อการกัดกร่อน ขั้นแรก ให้ใช้โฟโตรีซิสต์ จากนั้น วางมาส์กบนฟิล์มโฟโตรีซิสต์ แล้วจึงทำการเปิดรับแสงแบบเปียกโดยการจุ่มเพื่อพิมพ์ลวดลายที่ต้องการ (มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า) บนฟิล์มโฟโตรีซิสต์ เมื่อโครงร่างลวดลายถูกเปิดเผยโดยการพัฒนา โฟโตรีซิสต์ในบริเวณที่ไวต่อแสงจะถูกลบออก จากนั้น เวเฟอร์ที่ผ่านการประมวลผลด้วยกระบวนการโฟโตลิโทกราฟีจะถูกถ่ายโอนไปยังกระบวนการกัดเพื่อการกัดกร่อนแบบแห้ง

การกัดแบบแห้งนั้นส่วนใหญ่ดำเนินการโดยการกัดด้วยไอออนปฏิกิริยา (RIE) ซึ่งการกัดจะเกิดขึ้นซ้ำโดยการเปลี่ยนก๊าซต้นทางที่เหมาะสมสำหรับฟิล์มแต่ละแผ่น การกัดแบบแห้งและการกัดแบบเปียกนั้นมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มอัตราส่วนภาพ (ค่า A/R) ของการกัด นอกจากนี้ ยังต้องทำความสะอาดเป็นประจำเพื่อขจัดพอลิเมอร์ที่สะสมอยู่ที่ด้านล่างของรู (ช่องว่างที่เกิดขึ้นจากการกัด) ประเด็นสำคัญคือตัวแปรทั้งหมด (เช่น วัสดุ ก๊าซต้นทาง เวลา รูปแบบ และลำดับ) ควรได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าสารละลายทำความสะอาดหรือก๊าซต้นทางพลาสมาสามารถไหลลงไปที่ด้านล่างร่องได้ การเปลี่ยนแปลงตัวแปรเพียงเล็กน้อยนั้นต้องคำนวณตัวแปรอื่นๆ ใหม่ และกระบวนการคำนวณใหม่นี้จะถูกทำซ้ำจนกว่าจะบรรลุวัตถุประสงค์ของแต่ละขั้นตอน เมื่อไม่นานนี้ ชั้นโมโนอะตอมิก เช่น ชั้นการสะสมชั้นอะตอมิก (ALD) มีความบางและแข็งขึ้น ดังนั้น เทคโนโลยีการกัดจึงกำลังมุ่งหน้าสู่การใช้อุณหภูมิและแรงดันต่ำ กระบวนการกัดกรดมีวัตถุประสงค์เพื่อควบคุมมิติวิกฤต (CD) เพื่อสร้างรูปแบบที่ละเอียดและเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาที่เกิดจากกระบวนการกัดกรดได้ โดยเฉพาะการกัดกร่อนที่ไม่เพียงพอและปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการกำจัดสารตกค้าง บทความทั้งสองบทความข้างต้นเกี่ยวกับการกัดกร่อนมีวัตถุประสงค์เพื่อให้ผู้อ่านเข้าใจจุดประสงค์ของกระบวนการกัดกรด อุปสรรคในการบรรลุเป้าหมายข้างต้น และตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพที่ใช้ในการเอาชนะอุปสรรคดังกล่าว