Khắc ướt sớm thúc đẩy sự phát triển của các quy trình làm sạch hoặc tro hóa. Ngày nay, khắc khô sử dụng plasma đã trở thành xu hướng chínhquá trình khắc. Plasma bao gồm các electron, cation và gốc. Năng lượng được áp dụng cho plasma khiến các electron ngoài cùng của khí nguồn ở trạng thái trung tính bị tước bỏ, do đó chuyển đổi các electron này thành cation.
Ngoài ra, các nguyên tử không hoàn hảo trong phân tử có thể bị loại bỏ bằng cách áp dụng năng lượng để tạo thành các gốc trung tính về điện. Khắc khô sử dụng các cation và gốc tạo nên plasma, trong đó các cation là dị hướng (phù hợp để khắc theo một hướng nhất định) và các gốc là đẳng hướng (phù hợp để khắc theo mọi hướng). Số lượng các gốc lớn hơn nhiều so với số lượng các cation. Trong trường hợp này, khắc khô phải đẳng hướng như khắc ướt.
Tuy nhiên, chính quá trình khắc dị hướng của quá trình khắc khô mới có thể tạo ra các mạch siêu nhỏ. Lý do cho điều này là gì? Ngoài ra, tốc độ khắc của cation và gốc rất chậm. Vậy làm thế nào chúng ta có thể áp dụng các phương pháp khắc plasma vào sản xuất hàng loạt khi đối mặt với nhược điểm này?
1. Tỷ lệ khung hình (A/R)
Hình 1. Khái niệm về tỷ lệ khung hình và tác động của tiến bộ công nghệ lên nó
Tỷ lệ khung hình là tỷ lệ giữa chiều rộng theo chiều ngang và chiều cao theo chiều dọc (tức là chiều cao chia cho chiều rộng). Kích thước quan trọng (CD) của mạch càng nhỏ thì giá trị tỷ lệ khung hình càng lớn. Nghĩa là, giả sử giá trị tỷ lệ khung hình là 10 và chiều rộng là 10nm, thì chiều cao của lỗ khoan trong quá trình khắc phải là 100nm. Do đó, đối với các sản phẩm thế hệ tiếp theo yêu cầu siêu thu nhỏ (2D) hoặc mật độ cao (3D), cần có giá trị tỷ lệ khung hình cực cao để đảm bảo rằng các cation có thể xuyên qua lớp màng dưới cùng trong quá trình khắc.
Để đạt được công nghệ siêu thu nhỏ với kích thước quan trọng dưới 10nm trong các sản phẩm 2D, giá trị tỷ lệ khung hình tụ điện của bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) phải được duy trì trên 100. Tương tự như vậy, bộ nhớ flash NAND 3D cũng yêu cầu giá trị tỷ lệ khung hình cao hơn để xếp chồng 256 lớp hoặc nhiều hơn các lớp xếp chồng ô. Ngay cả khi các điều kiện cần thiết cho các quy trình khác được đáp ứng, các sản phẩm cần thiết không thể được sản xuất nếuquá trình khắckhông đạt tiêu chuẩn. Đây là lý do tại sao công nghệ khắc ngày càng trở nên quan trọng.
2. Tổng quan về khắc plasma
Hình 2. Xác định khí nguồn plasma theo loại màng
Khi sử dụng ống rỗng, đường kính ống càng hẹp thì chất lỏng càng dễ đi vào, đây được gọi là hiện tượng mao dẫn. Tuy nhiên, nếu khoan một lỗ (đầu kín) ở khu vực hở, thì việc đưa chất lỏng vào trở nên khá khó khăn. Do đó, vì kích thước tới hạn của mạch là 3um đến 5um vào giữa những năm 1970, nên khôkhắcđã dần thay thế phương pháp khắc ướt thành phương pháp chính thống. Nghĩa là, mặc dù bị ion hóa, nhưng dễ dàng xuyên qua các lỗ sâu hơn vì thể tích của một phân tử đơn lẻ nhỏ hơn thể tích của một phân tử dung dịch polyme hữu cơ.
Trong quá trình khắc plasma, bên trong buồng xử lý được sử dụng để khắc phải được điều chỉnh đến trạng thái chân không trước khi đưa khí nguồn plasma phù hợp với lớp liên quan vào. Khi khắc màng oxit rắn, nên sử dụng khí nguồn gốc carbon fluoride mạnh hơn. Đối với màng silicon hoặc kim loại tương đối yếu, nên sử dụng khí nguồn plasma gốc clo.
Vậy, lớp cổng và lớp cách điện silicon dioxide (SiO2) bên dưới nên được khắc như thế nào?
Đầu tiên, đối với lớp cổng, silicon phải được loại bỏ bằng plasma gốc clo (silicon + clo) với độ chọn lọc khắc polysilicon. Đối với lớp cách điện dưới cùng, màng silicon dioxide phải được khắc theo hai bước bằng khí nguồn plasma gốc cacbon florua (silicon dioxide + cacbon tetrafluoride) với độ chọn lọc và hiệu quả khắc mạnh hơn.
3. Quá trình khắc ion phản ứng (RIE hoặc khắc lý hóa)
Hình 3. Ưu điểm của phương pháp khắc ion phản ứng (tính dị hướng và tốc độ khắc cao)
Huyết tương chứa cả gốc tự do đẳng hướng và cation dị hướng, vậy nó thực hiện quá trình khắc dị hướng như thế nào?
Khắc khô plasma chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp khắc ion phản ứng (RIE, Reactive Ion Etching) hoặc các ứng dụng dựa trên phương pháp này. Cốt lõi của phương pháp RIE là làm suy yếu lực liên kết giữa các phân tử mục tiêu trong màng bằng cách tấn công vùng khắc bằng các cation dị hướng. Vùng bị suy yếu được hấp thụ bởi các gốc tự do, kết hợp với các hạt tạo nên lớp, chuyển thành khí (một hợp chất dễ bay hơi) và giải phóng.
Mặc dù các gốc tự do có đặc điểm đẳng hướng, các phân tử tạo nên bề mặt đáy (có lực liên kết bị suy yếu do sự tấn công của các cation) dễ bị các gốc tự do bắt giữ và chuyển đổi thành các hợp chất mới hơn so với các thành bên có lực liên kết mạnh. Do đó, khắc xuống trở thành xu hướng chính. Các hạt bị bắt giữ trở thành khí với các gốc tự do, được giải phóng khỏi bề mặt dưới tác động của chân không.
Lúc này, các cation thu được bằng tác động vật lý và các gốc tự do thu được bằng tác động hóa học được kết hợp để khắc vật lý và hóa học, và tốc độ khắc (Tốc độ khắc, mức độ khắc trong một khoảng thời gian nhất định) tăng lên 10 lần so với trường hợp khắc cation hoặc khắc gốc tự do đơn lẻ. Phương pháp này không chỉ có thể tăng tốc độ khắc của khắc dị hướng xuống mà còn giải quyết được vấn đề cặn polyme sau khi khắc. Phương pháp này được gọi là khắc ion phản ứng (RIE). Chìa khóa thành công của khắc RIE là tìm ra khí nguồn plasma phù hợp để khắc màng. Lưu ý: Khắc plasma là khắc RIE và cả hai có thể được coi là cùng một khái niệm.
4. Tốc độ khắc và chỉ số hiệu suất cốt lõi
Hình 4. Chỉ số hiệu suất khắc cốt lõi liên quan đến tốc độ khắc
Tốc độ khắc đề cập đến độ sâu của màng phim dự kiến đạt được trong một phút. Vậy tốc độ khắc thay đổi từ phần này sang phần khác trên một tấm wafer có nghĩa là gì?
Điều này có nghĩa là độ sâu khắc thay đổi tùy theo từng phần trên wafer. Vì lý do này, điều rất quan trọng là phải thiết lập điểm cuối (EOP) nơi quá trình khắc nên dừng lại bằng cách xem xét tốc độ khắc trung bình và độ sâu khắc. Ngay cả khi EOP được thiết lập, vẫn có một số khu vực mà độ sâu khắc sâu hơn (khắc quá mức) hoặc nông hơn (khắc thiếu) so với kế hoạch ban đầu. Tuy nhiên, khắc thiếu gây ra nhiều thiệt hại hơn khắc quá mức trong quá trình khắc. Bởi vì trong trường hợp khắc thiếu, phần khắc thiếu sẽ cản trở các quá trình tiếp theo như cấy ion.
Trong khi đó, độ chọn lọc (được đo bằng tốc độ khắc) là một chỉ số hiệu suất chính của quá trình khắc. Tiêu chuẩn đo lường dựa trên sự so sánh tốc độ khắc của lớp mặt nạ (phim photoresist, phim oxide, phim silicon nitride, v.v.) và lớp mục tiêu. Điều này có nghĩa là độ chọn lọc càng cao thì lớp mục tiêu được khắc càng nhanh. Mức độ thu nhỏ càng cao thì yêu cầu về độ chọn lọc càng cao để đảm bảo có thể trình bày các hoa văn tinh xảo một cách hoàn hảo. Vì hướng khắc thẳng nên độ chọn lọc của khắc cation thấp, trong khi độ chọn lọc của khắc gốc cao, giúp cải thiện độ chọn lọc của RIE.
5. Quá trình khắc
Hình 5. Quá trình khắc
Đầu tiên, wafer được đặt trong lò oxy hóa với nhiệt độ duy trì trong khoảng từ 800 đến 1000℃, sau đó một lớp silicon dioxide (SiO2) có tính chất cách điện cao được hình thành trên bề mặt của wafer bằng phương pháp khô. Tiếp theo, quá trình lắng đọng được thực hiện để tạo thành một lớp silicon hoặc một lớp dẫn điện trên màng oxit bằng lắng đọng hơi hóa học (CVD)/lắng đọng hơi vật lý (PVD). Nếu một lớp silicon được hình thành, một quá trình khuếch tán tạp chất có thể được thực hiện để tăng độ dẫn điện nếu cần thiết. Trong quá trình khuếch tán tạp chất, nhiều tạp chất thường được thêm vào nhiều lần.
Lúc này, lớp cách điện và lớp polysilicon nên được kết hợp để khắc. Đầu tiên, sử dụng chất cản quang. Sau đó, đặt một lớp mặt nạ lên màng chất cản quang và thực hiện phơi sáng ướt bằng cách nhúng để in hoa văn mong muốn (mắt thường không nhìn thấy được) lên màng chất cản quang. Khi đường viền hoa văn được lộ ra bằng quá trình tráng, chất cản quang ở vùng nhạy sáng sẽ được loại bỏ. Sau đó, tấm wafer được xử lý bằng quy trình quang khắc được chuyển sang quy trình khắc để khắc khô.
Khắc khô chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp khắc ion phản ứng (RIE), trong đó quá trình khắc được lặp lại chủ yếu bằng cách thay thế khí nguồn phù hợp với từng màng. Cả khắc khô và khắc ướt đều nhằm mục đích tăng tỷ lệ khía cạnh (giá trị A/R) của quá trình khắc. Ngoài ra, cần vệ sinh thường xuyên để loại bỏ polyme tích tụ ở đáy lỗ (khoảng hở hình thành do khắc). Điểm quan trọng là tất cả các biến số (như vật liệu, khí nguồn, thời gian, hình dạng và trình tự) phải được điều chỉnh hữu cơ để đảm bảo dung dịch làm sạch hoặc khí nguồn plasma có thể chảy xuống đáy rãnh. Một thay đổi nhỏ trong một biến số đòi hỏi phải tính toán lại các biến số khác và quá trình tính toán lại này được lặp lại cho đến khi đáp ứng được mục đích của từng giai đoạn. Gần đây, các lớp đơn nguyên tử như lớp lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) đã trở nên mỏng hơn và cứng hơn. Do đó, công nghệ khắc đang chuyển sang sử dụng nhiệt độ và áp suất thấp. Quá trình khắc nhằm mục đích kiểm soát kích thước tới hạn (CD) để tạo ra các hoa văn tinh xảo và đảm bảo tránh được các vấn đề do quá trình khắc gây ra, đặc biệt là khắc dưới mức và các vấn đề liên quan đến việc loại bỏ cặn. Hai bài viết trên về quá trình khắc nhằm mục đích cung cấp cho người đọc hiểu biết về mục đích của quá trình khắc, những trở ngại để đạt được các mục tiêu trên và các chỉ số hiệu suất được sử dụng để khắc phục những trở ngại đó.
Thời gian đăng: 10-09-2024