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