กระบวนการสร้างลวดลายเซมิคอนดักเตอร์ - การกัดเซาะ

การกัดผิวแบบเปียกในยุคแรกส่งเสริมการพัฒนาวิธีการทำความสะอาดหรือการกำจัดเถ้า ปัจจุบัน การกัดผิวแบบแห้งโดยใช้พลาสมาได้กลายเป็นวิธีการหลักกระบวนการกัดกรดพลาสมาประกอบด้วยอิเล็กตรอน ไอออนบวก และอนุมูลอิสระ พลังงานที่ส่งไปยังพลาสมาจะทำให้อิเล็กตรอนวงนอกสุดของก๊าซต้นกำเนิดในสถานะเป็นกลางถูกดึงออกไป ส่งผลให้อิเล็กตรอนเหล่านี้เปลี่ยนเป็นไอออนบวก

นอกจากนี้ อะตอมที่ไม่สมบูรณ์ในโมเลกุลสามารถถูกกำจัดออกไปได้โดยการใช้พลังงานเพื่อสร้างอนุมูลอิสระที่เป็นกลางทางไฟฟ้า การกัดแบบแห้งใช้ไอออนบวกและอนุมูลอิสระที่ประกอบกันเป็นพลาสมา โดยที่ไอออนบวกมีคุณสมบัติแอนไอโซโทรปิก (เหมาะสมสำหรับการกัดในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง) และอนุมูลอิสระมีคุณสมบัติไอโซโทรปิก (เหมาะสมสำหรับการกัดในทุกทิศทาง) จำนวนอนุมูลอิสระมีมากกว่าจำนวนไอออนบวกมาก ในกรณีนี้ การกัดแบบแห้งควรมีคุณสมบัติไอโซโทรปิกเช่นเดียวกับการกัดแบบเปียก

อย่างไรก็ตาม การกัดเซาะแบบไม่สม่ำเสมอของการกัดเซาะแบบแห้งทำให้สามารถสร้างวงจรขนาดเล็กพิเศษได้ เหตุผลคืออะไร? นอกจากนี้ ความเร็วในการกัดเซาะของแคตไอออนและอนุมูลอิสระยังช้ามาก ดังนั้นเราจะนำวิธีการกัดเซาะด้วยพลาสมาไปใช้ในการผลิตจำนวนมากได้อย่างไรในเมื่อมีข้อจำกัดนี้?

 

 

1. อัตราส่วนภาพ (A/R)

 

รูปที่ 1. แนวคิดเรื่องอัตราส่วนภาพและผลกระทบของความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่มีต่ออัตราส่วนภาพ

 

อัตราส่วนความกว้างต่อความสูง (Aspect Ratio) คืออัตราส่วนของความกว้างในแนวนอนต่อความสูงในแนวตั้ง (กล่าวคือ ความสูงหารด้วยความกว้าง) ยิ่งขนาดวิกฤต (Critical Dimension, CD) ของวงจรเล็กลงเท่าใด ค่าอัตราส่วนความกว้างต่อความสูงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น กล่าวคือ สมมติว่าค่าอัตราส่วนความกว้างต่อความสูงเท่ากับ 10 และความกว้าง 10 นาโนเมตร ความสูงของรูที่เจาะระหว่างกระบวนการกัดควรอยู่ที่ 100 นาโนเมตร ดังนั้น สำหรับผลิตภัณฑ์รุ่นใหม่ที่ต้องการการย่อส่วนพิเศษ (2D) หรือความหนาแน่นสูง (3D) จึงจำเป็นต้องใช้ค่าอัตราส่วนความกว้างต่อความสูงที่สูงมาก เพื่อให้แน่ใจว่าไอออนบวกสามารถแทรกซึมผ่านฟิล์มด้านล่างได้ในระหว่างกระบวนการกัด

 

เพื่อให้ได้เทคโนโลยีการย่อส่วนพิเศษที่มีขนาดวิกฤตน้อยกว่า 10 นาโนเมตรในผลิตภัณฑ์ 2 มิติ ค่าอัตราส่วนความกว้างต่อความยาวของตัวเก็บประจุในหน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่มไดนามิก (DRAM) ควรคงไว้ที่มากกว่า 100 ในทำนองเดียวกัน หน่วยความจำแฟลช NAND 3 มิติก็ต้องการค่าอัตราส่วนความกว้างต่อความยาวที่สูงขึ้นเช่นกัน เพื่อให้สามารถเรียงซ้อนชั้นเซลล์ได้ 256 ชั้นขึ้นไป แม้ว่าเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับกระบวนการอื่นๆ จะครบถ้วนแล้วก็ตาม ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการก็ไม่สามารถผลิตได้หาก...กระบวนการกัดกรดไม่ได้มาตรฐาน นี่คือเหตุผลที่เทคโนโลยีการกัดกรดมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ

 

 

2. ภาพรวมของการกัดด้วยพลาสมา

 

รูปที่ 2 การกำหนดก๊าซแหล่งกำเนิดพลาสมาตามประเภทของฟิล์ม

 

เมื่อใช้ท่อกลวง ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อแคบลงเท่าใด ของเหลวก็จะยิ่งไหลเข้าได้ง่ายขึ้นเท่านั้น ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าปรากฏการณ์แรงดึงผิว (capillary phenomenon) อย่างไรก็ตาม หากต้องเจาะรู (ปลายปิด) ในบริเวณที่เปิดโล่ง การไหลของของเหลวก็จะยากขึ้นมาก ดังนั้น เนื่องจากขนาดที่สำคัญของวงจรอยู่ที่ 3 ไมโครเมตรถึง 5 ไมโครเมตรในช่วงกลางทศวรรษ 1970 จึง...การกัดกรดได้ค่อยๆ เข้ามาแทนที่การกัดแบบเปียกในฐานะวิธีการหลัก นั่นคือ แม้ว่าจะเกิดการแตกตัวเป็นไอออน แต่ก็สามารถแทรกซึมเข้าไปในรูลึกได้ง่ายกว่า เนื่องจากปริมาตรของโมเลกุลเดี่ยวมีขนาดเล็กกว่าปริมาตรของโมเลกุลในสารละลายพอลิเมอร์อินทรีย์

ในระหว่างการกัดผิวด้วยพลาสมา ภายในห้องกัดผิวควรปรับให้เป็นสภาวะสุญญากาศก่อนที่จะฉีดก๊าซพลาสมาที่เหมาะสมกับชั้นผิวที่ต้องการกัดเข้าไป สำหรับการกัดฟิล์มออกไซด์แข็ง ควรใช้ก๊าซพลาสมาที่มีส่วนประกอบของคาร์บอนฟลูออไรด์ที่มีความเข้มข้นสูงกว่า ส่วนฟิล์มซิลิคอนหรือโลหะที่มีความเข้มข้นค่อนข้างต่ำ ควรใช้ก๊าซพลาสมาที่มีส่วนประกอบของคลอรีน

ดังนั้น ควรทำการกัดเซาะชั้นเกตและชั้นฉนวนซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) ที่อยู่ด้านล่างอย่างไร?

ขั้นแรก สำหรับชั้นเกต ควรขจัดซิลิคอนออกโดยใช้พลาสมาที่มีคลอรีนเป็นองค์ประกอบ (ซิลิคอน + คลอรีน) ซึ่งมีคุณสมบัติในการกัดเซาะโพลีซิลิคอนได้ดีกว่า สำหรับชั้นฉนวนด้านล่าง ควรทำการกัดเซาะฟิล์มซิลิคอนไดออกไซด์ในสองขั้นตอนโดยใช้ก๊าซแหล่งกำเนิดพลาสมาที่มีคาร์บอนฟลูออไรด์เป็นองค์ประกอบ (ซิลิคอนไดออกไซด์ + คาร์บอนเตตระฟลูออไรด์) ซึ่งมีคุณสมบัติในการกัดเซาะที่คัดเลือกได้ดีกว่าและมีประสิทธิภาพสูงกว่า

 

 

3. กระบวนการกัดด้วยไอออนแบบรีแอคทีฟ (RIE หรือการกัดด้วยปฏิกิริยาทางเคมีกายภาพ)

 

รูปที่ 3 ข้อดีของการกัดด้วยไอออนแบบรีแอคทีฟ (ความไม่สมมาตรและอัตราการกัดสูง)

 

พลาสมาประกอบด้วยทั้งอนุมูลอิสระไอโซโทรปิกและแคตไอออนแอนิโซโทรปิก แล้วมันจึงทำให้เกิดการกัดเซาะแบบแอนิโซโทรปิกได้อย่างไร?

การกัดผิวด้วยพลาสมาแบบแห้งส่วนใหญ่ทำโดยการกัดด้วยไอออนแบบปฏิกิริยา (RIE, Reactive Ion Etching) หรือการประยุกต์ใช้ที่อิงตามวิธีการนี้ หลักการสำคัญของวิธีการ RIE คือการลดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเป้าหมายในฟิล์มโดยการโจมตีบริเวณที่ต้องการกัดด้วยไอออนบวกที่มีคุณสมบัติไม่สมมาตร บริเวณที่อ่อนแอลงจะถูกดูดซับโดยอนุมูลอิสระ รวมตัวกับอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นชั้น เปลี่ยนเป็นก๊าซ (สารประกอบระเหยได้) และถูกปล่อยออกมา

แม้ว่าอนุมูลอิสระจะมีลักษณะไอโซโทรปิก แต่โมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นพื้นผิวด้านล่าง (ซึ่งแรงยึดเหนี่ยวอ่อนลงจากการโจมตีของแคตไอออน) จะถูกจับโดยอนุมูลอิสระได้ง่ายกว่าและเปลี่ยนเป็นสารประกอบใหม่ได้ง่ายกว่าผนังด้านข้างที่มีแรงยึดเหนี่ยวแข็งแรง ดังนั้น การกัดเซาะลงด้านล่างจึงกลายเป็นกระบวนการหลัก อนุภาคที่ถูกจับจะกลายเป็นแก๊สที่มีอนุมูลอิสระ ซึ่งจะถูกดูดซับและปลดปล่อยออกจากพื้นผิวภายใต้การทำงานของสุญญากาศ

 

ในขณะนี้ ไอออนบวกที่ได้จากการกระทำทางกายภาพและอนุมูลอิสระที่ได้จากการกระทำทางเคมีจะถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อการกัดกร่อนทางกายภาพและทางเคมี และอัตราการกัดกร่อน (อัตราการกัดกร่อน ระดับการกัดกร่อนในช่วงเวลาที่กำหนด) จะเพิ่มขึ้น 10 เท่าเมื่อเทียบกับกรณีของการกัดกร่อนด้วยไอออนบวกหรืออนุมูลอิสระเพียงอย่างเดียว วิธีนี้ไม่เพียงแต่จะเพิ่มอัตราการกัดกร่อนแบบแอนไอโซโทรปิกแบบลงล่างเท่านั้น แต่ยังช่วยแก้ปัญหาการตกค้างของพอลิเมอร์หลังการกัดกร่อนได้อีกด้วย วิธีนี้เรียกว่าการกัดกร่อนด้วยไอออนแบบปฏิกิริยา (Reactive Ion Etching: RIE) กุญแจสำคัญสู่ความสำเร็จของการกัดกร่อนด้วย RIE คือการค้นหาก๊าซแหล่งกำเนิดพลาสมาที่เหมาะสมสำหรับการกัดกร่อนฟิล์ม หมายเหตุ: การกัดกร่อนด้วยพลาสมาคือการกัดกร่อนด้วย RIE และทั้งสองสามารถถือได้ว่าเป็นแนวคิดเดียวกัน

 

 

4. อัตราการกัดกรดและดัชนีประสิทธิภาพแกนกลาง

 

รูปที่ 4 ดัชนีประสิทธิภาพการกัดแกนที่สัมพันธ์กับอัตราการกัด

 

อัตราการกัดเซาะหมายถึงความลึกของฟิล์มที่คาดว่าจะกัดเซาะได้ภายในหนึ่งนาที แล้วการที่อัตราการกัดเซาะแตกต่างกันไปในแต่ละส่วนบนแผ่นเวเฟอร์เดียวกันหมายความว่าอย่างไร?

นี่หมายความว่าความลึกของการกัดเซาะจะแตกต่างกันไปในแต่ละส่วนของแผ่นเวเฟอร์ ด้วยเหตุนี้ การกำหนดจุดสิ้นสุด (EOP) ที่การกัดเซาะควรหยุดลงโดยพิจารณาจากอัตราการกัดเซาะและความลึกของการกัดเซาะโดยเฉลี่ยจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง แม้ว่าจะกำหนด EOP แล้ว ก็อาจยังมีบางพื้นที่ที่ความลึกของการกัดเซาะลึกกว่า (กัดเซาะมากเกินไป) หรือตื้นกว่า (กัดเซาะน้อยเกินไป) ที่วางแผนไว้แต่แรก อย่างไรก็ตาม การกัดเซาะน้อยเกินไปจะก่อให้เกิดความเสียหายมากกว่าการกัดเซาะมากเกินไปในระหว่างกระบวนการกัดเซาะ เพราะในกรณีของการกัดเซาะน้อยเกินไป ส่วนที่ถูกกัดเซาะน้อยเกินไปจะขัดขวางกระบวนการต่อไป เช่น การฝังไอออน

ในขณะเดียวกัน ความเลือกสรร (วัดโดยอัตราการกัด) เป็นตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพที่สำคัญของกระบวนการกัด การวัดมาตรฐานนั้นอิงจากการเปรียบเทียบอัตราการกัดของชั้นมาสก์ (ฟิล์มโฟโตเรซิสต์ ฟิล์มออกไซด์ ฟิล์มซิลิคอนไนไตรด์ ฯลฯ) และชั้นเป้าหมาย ซึ่งหมายความว่ายิ่งความเลือกสรรสูง ชั้นเป้าหมายก็จะถูกกัดเร็วขึ้น ระดับการย่อส่วนยิ่งสูง ความต้องการความเลือกสรรก็จะยิ่งสูงขึ้น เพื่อให้แน่ใจว่าลวดลายละเอียดสามารถแสดงได้อย่างสมบูรณ์แบบ เนื่องจากทิศทางการกัดเป็นเส้นตรง ความเลือกสรรของการกัดแบบแคตไอออนิกจึงต่ำ ในขณะที่ความเลือกสรรของการกัดแบบอนุมูลอิสระสูง ซึ่งช่วยปรับปรุงความเลือกสรรของ RIE

 

 

5. กระบวนการกัดกรด

 

รูปที่ 5. กระบวนการกัดกรด

 

ขั้นตอนแรก นำเวเฟอร์ไปวางในเตาเผาออกซิเดชันโดยควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ระหว่าง 800 ถึง 1000 องศาเซลเซียส จากนั้นจึงสร้างฟิล์มซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) ที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวนสูงบนพื้นผิวของเวเฟอร์ด้วยวิธีแห้ง ต่อมาจึงเริ่มกระบวนการตกตะกอนเพื่อสร้างชั้นซิลิคอนหรือชั้นนำไฟฟ้าบนฟิล์มออกไซด์โดยวิธีการตกตะกอนไอสารเคมี (CVD) หรือวิธีการตกตะกอนไอทางกายภาพ (PVD) หากมีการสร้างชั้นซิลิคอนแล้ว อาจทำการเติมสารเจือปนเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าหากจำเป็น ในระหว่างกระบวนการเติมสารเจือปน มักมีการเติมสารเจือปนหลายชนิดซ้ำๆ กัน

ในขั้นตอนนี้ ควรนำชั้นฉนวนและชั้นโพลีซิลิคอนมาประกอบกันเพื่อทำการกัดเซาะ ขั้นแรก ใช้สารไวแสง จากนั้นวางมาสก์ลงบนฟิล์มไวแสง และทำการฉายแสงแบบเปียกโดยการจุ่ม เพื่อพิมพ์ลวดลายที่ต้องการ (มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า) ลงบนฟิล์มไวแสง เมื่อลวดลายปรากฏขึ้นจากการล้าง สารไวแสงในบริเวณที่ไวแสงจะถูกกำจัดออกไป จากนั้น แผ่นเวเฟอร์ที่ผ่านกระบวนการโฟโตลิโทกราฟีจะถูกส่งไปยังกระบวนการกัดเซาะแบบแห้ง

การกัดแบบแห้งส่วนใหญ่ดำเนินการโดยการกัดด้วยไอออนแบบปฏิกิริยา (RIE) ซึ่งการกัดจะทำซ้ำโดยการเปลี่ยนก๊าซต้นกำเนิดที่เหมาะสมสำหรับฟิล์มแต่ละชนิด ทั้งการกัดแบบแห้งและการกัดแบบเปียกมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มอัตราส่วนความกว้างต่อความสูง (ค่า A/R) ของการกัด นอกจากนี้ยังต้องมีการทำความสะอาดอย่างสม่ำเสมอเพื่อกำจัดโพลิเมอร์ที่สะสมอยู่ที่ก้นรู (ช่องว่างที่เกิดจากการกัด) จุดสำคัญคือตัวแปรทั้งหมด (เช่น วัสดุ ก๊าซต้นกำเนิด เวลา รูปแบบ และลำดับ) ควรได้รับการปรับอย่างเป็นระบบเพื่อให้แน่ใจว่าสารละลายทำความสะอาดหรือก๊าซต้นกำเนิดพลาสมาสามารถไหลลงไปถึงก้นร่องได้ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในตัวแปรหนึ่งต้องคำนวณตัวแปรอื่นใหม่ และกระบวนการคำนวณใหม่นี้จะทำซ้ำจนกว่าจะบรรลุวัตถุประสงค์ของแต่ละขั้นตอน ในปัจจุบัน ชั้นโมโนอะตอมิก เช่น ชั้นการสะสมชั้นอะตอม (ALD) มีความบางและแข็งขึ้น ดังนั้นเทคโนโลยีการกัดจึงกำลังมุ่งไปสู่การใช้ที่อุณหภูมิและความดันต่ำ กระบวนการกัดกรดมีจุดมุ่งหมายเพื่อควบคุมขนาดวิกฤต (CD) เพื่อสร้างลวดลายที่ละเอียดและเพื่อให้แน่ใจว่าปัญหาที่เกิดจากกระบวนการกัดกรดนั้นถูกหลีกเลี่ยง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการกัดกรดไม่เพียงพอและปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการกำจัดสารตกค้าง บทความสองบทความข้างต้นเกี่ยวกับการกัดกรดมีจุดมุ่งหมายเพื่อให้ผู้อ่านเข้าใจถึงวัตถุประสงค์ของกระบวนการกัดกรด อุปสรรคในการบรรลุเป้าหมายข้างต้น และตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่ใช้ในการเอาชนะอุปสรรคเหล่านั้น