Раннє мокре травлення сприяло розвитку процесів очищення або озолення. Сьогодні сухе травлення з використанням плазми стало основним методом.процес травленняПлазма складається з електронів, катіонів та радикалів. Енергія, що прикладається до плазми, призводить до відривання найзовніших електронів вихідного газу в нейтральному стані, тим самим перетворюючи ці електрони на катіони.
Крім того, недосконалі атоми в молекулах можна видалити, застосовуючи енергію для утворення електрично нейтральних радикалів. Сухе травлення використовує катіони та радикали, що утворюють плазму, де катіони анізотропні (придатні для травлення в певному напрямку), а радикали ізотропні (придатні для травлення в усіх напрямках). Кількість радикалів значно більша за кількість катіонів. У цьому випадку сухе травлення має бути ізотропним, як і мокре травлення.
Однак, саме анізотропне травлення методом сухого травлення робить можливими створення ультрамініатюрних схем. У чому причина цього? Крім того, швидкість травлення катіонів і радикалів дуже повільна. Тож як ми можемо застосувати методи плазмового травлення для масового виробництва, враховуючи цей недолік?
1. Співвідношення сторін (A/R)
Рисунок 1. Поняття співвідношення сторін та вплив на нього технологічного прогресу
Співвідношення сторін – це співвідношення горизонтальної ширини до вертикальної висоти (тобто висота, поділена на ширину). Чим менший критичний розмір (CD) схеми, тим більше значення співвідношення сторін. Тобто, якщо припустити значення співвідношення сторін 10 та ширину 10 нм, висота отвору, просвердленого під час процесу травлення, повинна становити 100 нм. Тому для продуктів наступного покоління, які потребують ультрамініатюризації (2D) або високої щільності (3D), потрібні надзвичайно високі значення співвідношення сторін, щоб забезпечити проникнення катіонів крізь нижню плівку під час травлення.
Для досягнення технології ультрамініатюризації з критичним розміром менше 10 нм у 2D-продуктах значення співвідношення сторін конденсатора динамічної пам'яті з довільним доступом (DRAM) повинно підтримуватися вище 100. Аналогічно, 3D NAND флеш-пам'ять також вимагає вищих значень співвідношення сторін для укладання 256 або більше шарів комірок. Навіть якщо умови, необхідні для інших процесів, виконані, необхідні продукти не можуть бути виготовлені, якщопроцес травленняне відповідає стандартам. Ось чому технологія травлення стає дедалі важливішою.
2. Огляд плазмового травлення
Рисунок 2. Визначення газу-джерела плазми залежно від типу плівки
Коли використовується порожниста труба, чим вужчий діаметр труби, тим легше рідині потрапляти в неї, що є так званим капілярним явищем. Однак, якщо отвір (закритий кінець) потрібно просвердлити у відкритій ділянці, введення рідини стає досить складним. Тому, оскільки критичний розмір контуру становив від 3 мкм до 5 мкм у середині 1970-х років, сухітравленняпоступово замінило мокре травлення як основний метод. Тобто, хоча й іонізований, він легше проникає в глибокі отвори, оскільки об'єм однієї молекули менший, ніж об'єм молекули розчину органічного полімеру.
Під час плазмового травлення внутрішню частину обробної камери, що використовується для травлення, слід налаштувати на вакуум перед введенням газу-джерела плазми, придатного для відповідного шару. Під час травлення плівок твердого оксиду слід використовувати сильніші гази-джерела на основі фториду вуглецю. Для відносно слабких кремнієвих або металевих плівок слід використовувати гази-джерела плазми на основі хлору.
Отже, як слід протравлювати шар затвора та нижній ізоляційний шар з діоксиду кремнію (SiO2)?
Спочатку, для шару затвора кремній слід видалити за допомогою плазми на основі хлору (кремній + хлор) із селективністю травлення полікремнію. Для нижнього ізоляційного шару плівку діоксиду кремнію слід протравити у два етапи, використовуючи газоподібний джерело плазми на основі фтористого вуглецю (діоксид кремнію + тетрафторид вуглецю) з сильнішою селективністю та ефективністю травлення.
3. Процес реактивного іонного травлення (RIE або фізико-хімічне травлення)
Рисунок 3. Переваги реактивного іонного травлення (анізотропія та висока швидкість травлення)
Плазма містить як ізотропні вільні радикали, так і анізотропні катіони, тож як вона виконує анізотропне травлення?
Плазмове сухе травлення переважно виконується за допомогою реактивного іонного травлення (RIE, Reactive Ion Etching) або застосувань, заснованих на цьому методі. Суть методу RIE полягає в ослабленні сили зв'язку між цільовими молекулами в плівці шляхом атаки на область травлення анізотропними катіонами. Ослаблена область поглинається вільними радикалами, поєднується з частинками, що утворюють шар, перетворюється на газ (летку сполуку) та вивільняється.
Хоча вільні радикали мають ізотропні характеристики, молекули, що складають нижню поверхню (чия сила зв'язування послаблюється атакою катіонів), легше захоплюються вільними радикалами та перетворюються на нові сполуки, ніж бічні стінки з сильною силою зв'язування. Тому травлення вниз стає основним напрямком. Захоплені частинки перетворюються на газ з вільними радикалами, які десорбуються та вивільняються з поверхні під дією вакууму.
У цьому випадку катіони, отримані фізичною дією, та вільні радикали, отримані хімічною дією, поєднуються для фізичного та хімічного травлення, а швидкість травлення (швидкість травлення, ступінь травлення за певний період часу) збільшується в 10 разів порівняно з випадком лише катіонного травлення або травлення вільними радикалами. Цей метод може не тільки збільшити швидкість травлення анізотропним низхідним травленням, але й вирішити проблему залишків полімеру після травлення. Цей метод називається реактивним іонним травленням (RIE). Ключем до успіху RIE-травлення є пошук плазмового джерела газу, придатного для травлення плівки. Примітка: Плазмове травлення - це RIE-травлення, і ці два поняття можна розглядати як одне й те саме.
4. Швидкість травлення та індекс продуктивності ядра
Рисунок 4. Індекс ефективності травлення ядра, пов'язаний зі швидкістю травлення
Швидкість травлення стосується глибини плівки, яка очікується за одну хвилину. То що ж означає, що швидкість травлення варіюється від деталі до деталі на одній пластині?
Це означає, що глибина травлення варіюється від деталі до деталі на пластині. З цієї причини дуже важливо встановити кінцеву точку (EOP), де травлення має зупинитися, враховуючи середню швидкість травлення та глибину травлення. Навіть якщо EOP встановлено, все ще залишаються деякі ділянки, де глибина травлення глибша (надмірне травлення) або менша (недостатнє травлення), ніж планувалося спочатку. Однак, недостатнє травлення завдає більше шкоди, ніж надмірне травлення під час травлення. Тому що у випадку недостатнього травлення, недостатньо протравлена деталь перешкоджатиме подальшим процесам, таким як іонна імплантація.
Тим часом, селективність (виміряна швидкістю травлення) є ключовим показником ефективності процесу травлення. Стандарт вимірювання базується на порівнянні швидкості травлення маскуючого шару (фоторезистної плівки, оксидної плівки, плівки нітриду кремнію тощо) та цільового шару. Це означає, що чим вища селективність, тим швидше травиться цільовий шар. Чим вищий рівень мініатюризації, тим вищі вимоги до селективності, щоб забезпечити ідеальне відтворення дрібних візерунків. Оскільки напрямок травлення прямий, селективність катіонного травлення низька, тоді як селективність радикального травлення висока, що покращує селективність радикального травлення.
5. Процес травлення
Рисунок 5. Процес травлення
Спочатку пластину поміщають в окислювальну піч з температурою, що підтримується від 800 до 1000℃, а потім на поверхні пластини сухим методом формують плівку діоксиду кремнію (SiO2) з високими ізоляційними властивостями. Далі починається процес осадження для формування шару кремнію або провідного шару на оксидній плівці методом хімічного осадження з парової фази (CVD)/фізичного осадження з парової фази (PVD). Якщо шар кремнію утворюється, за необхідності можна виконати процес дифузії домішок для збільшення провідності. Під час процесу дифузії домішок часто неодноразово додається кілька домішок.
На цьому етапі ізоляційний шар та шар полікремнію слід поєднати для травлення. Спочатку використовується фоторезист. Потім на плівку фоторезисту накладається маска, і виконується вологе експонування шляхом занурення, щоб відобразити бажаний малюнок (невидимий неозброєним оком) на плівці фоторезисту. Коли контур малюнка виявляється шляхом проявлення, фоторезист у світлочутливій ділянці видаляється. Потім пластина, оброблена процесом фотолітографії, переноситься в процес травлення для сухого травлення.
Сухе травлення переважно здійснюється методом реактивного іонного травлення (RIE), при якому травлення повторюється переважно шляхом заміни вихідного газу, що підходить для кожної плівки. Як сухе, так і мокре травлення спрямовані на збільшення співвідношення сторін (значення A/R) травлення. Крім того, необхідне регулярне очищення для видалення полімеру, накопиченого на дні отвору (зазор, утворений травленням). Важливо те, що всі змінні (такі як матеріали, вихідний газ, час, форма та послідовність) повинні бути скориговані органічно, щоб забезпечити стікання очищувального розчину або вихідного газу плазми до дна траншеї. Невелика зміна змінної вимагає перерахунку інших змінних, і цей процес перерахунку повторюється, доки він не досягне мети кожного етапу. Останнім часом моноатомні шари, такі як шари атомного шару осадження (ALD), стали тоншими та твердішими. Тому технологія травлення рухається в бік використання низьких температур і тисків. Процес травлення спрямований на контроль критичного розміру (CD) для створення дрібних візерунків та уникнення проблем, спричинених процесом травлення, особливо недостатнього травлення та проблем, пов'язаних з видаленням залишків. Дві вищезгадані статті про травлення мають на меті допомогти читачам зрозуміти мету процесу травлення, перешкоди для досягнення вищезазначених цілей та показники ефективності, що використовуються для подолання таких перешкод.
Час публікації: 10 вересня 2024 р.