Главная / Технологии / Cryogenic Etch — что это за технология криогенного травления

Cryogenic Etch — что это за технология криогенного травления

При создании чипов энергонезависимой памяти с трехмерным расположением ячеек, 3D NAND, одной из технологических проблем, с которой столкнулись производители, стала сложность создания отверстий, проходящих через слои кремния, в которых располагаются ячейки памяти. Если в ранних экземплярах таких чипов с 32-40 слоями эта технологическая операция не относилась к проблемным, то при увеличении слоев до 64 и выше существующие методы создания таких отверстий перестали удовлетворять. Одним из способов решить эту задачу является технология криогенного травления кремния, о чем и пойдет далее речь.

Существующие технологии изготовления отверстий

Как следует из названия, эта технологическая операция, т. е. травление отверстий, выполняется при низкой температуре. К сожалению, этот процесс трудно контролируем, да еще и требует использования дорогостоящих криогенных газов.

Технология была разработана еще в 80-х годах прошлого века, но использовалась преимущественно на этапе R&D, для изготовления тестовых партий разрабатываемых устройств. Преимущественно для изготовления MEMS (Microelectromechanical systems — микроэлектромеханические системы) устройств и т. п. При этом свои достоинства у криогенного травления есть. Осложняется дело тем, что производители соответствующего оборудования почти не выпускали криогенные установки.

Технология криогенного травления (Cryogenic etch или cryo etch) – один из двух способов сделать отверстия с высоким соотношением длины к диаметру (high-aspect ratio — HAR), т. е. глубокие и узкие, проходящие через десятки слоев кремния.

Cryogenic Etch - что это за технология

Второй, наиболее популярный способ – это двухэтапный процесс Bosch. Сначала производится обычное травление с использованием плазмы не небольшую глубину, что позволяет получить канал с близкими к вертикали стенками. Затем поверхность отверстия покрывается пассивирующим материалом (этап пассивации), в качестве которого чаще всего используют химически инертный газ октофторциклобутан (C4F8). Осаждаясь на стенках проделанного отверстия, он способствует образованию пленки, напоминающей тефлон.

После этого повторяется процесс плазменного травления. Со дна отверстия пленка испаряется, не препятствуя дальнейшему углублению в кремний, а вот остающаяся на стенках, она не позволяет нарушить геометрию уже просверленного канала.

Данная технология наверняка останется доминирующей и в ближайшее время, но в ряде случаев лучшим вариантом окажется использование криогенной технологии травления. Дело в том, что в обрабатываемый материал охлаждается в процессе травления, а не нагревается, как при процессе Bosch. Это позволяет избегать нежелательных химических реакций исходного материала (кремния) и применяемых веществ. К тому же, криогенный способ – одноэтапный.

Cryogenic Etch - что это за технология

К сожалению, необходимость использовать низкие температуры при обработке, -100°C (-148°F), вынуждают применять дорогостоящее оборудование для подачи низкотемпературного сжиженного азота. Это одна из основных причин, препятствующих промышленному использованию данной технологии.

Тем не менее, привычный двухэтапный способ травления с серьезными проблемами при увеличении количества слоев при производстве чипов 3D NAND. Это вынуждает более внимательно присмотреться к криогенной технологии.

На момент своего появления, т. е. в 80-х годах прошлого века, этот способ получения глубоких и узких отверстий опередил свое время. Сложность реализации не позволяла использовать его на практике при массовом производстве, но сейчас прогресс развития оборудования для изготовления микросхем облегчает адаптацию низкотемпературного «сверления» отверстий для более широкого применения.

Что такое травление отверстий

Цель этой технологической операции изготовления электронного чипа – удаление исходного материала с подложки. Различают две разновидности травления — сухое и мокрое.

Cryogenic Etch - что это за технология

К первому типу относятся, в частности, криогенная технология, atomic layer etch (ALE). Думаю, со второй мы также познакомимся, но в другом материале. Отличия между этим способами создания отверстий заключаются в том, что ALE воздействует на материал на атомарном уровне.

В большинстве «сухих» способов применяется плазма для удаления материала кремниевой пластины. На этом технологическом этапе используется также газ, воздействуя на который, плазма генерирует ионы, бомбардирующие кремний, удаляя его.

Установка для травления отверстий может быть нескольких типов, в зависимости от применяемого реактора:

  • С емкостно-соединенной плазмой (capacitively coupled plasma — CCP). Кремниевая подложка располагается между двумя электродами, находящимися на малом расстоянии. Используется высокочастотное питание (RF power supply) с частотой, например, 13.56 МГц. Между электродами возникает электрическое поле, которое приводит к высвобождению ионов газа, которые применяются для формирования отверстий.
  • С индуктивно-связанной плазмой (inductively coupled plasma — ICP). Этот вариант похож на предыдущий, но газовый разряд генерируется переменным магнитным полем с помощью индукционной катушки.

Cryogenic Etch - что это за технология

В обоих случаях процесс получения отверстий имеет название реактивное ионное травление (reactive ion etching — RIE). Его можно разделить на два этапа – реактивное травление и ионное.

В первом случае происходящие процессы можно рассматривать как химическое кислотное удаление исходного материала. Ионное травление – это во многом механический процесс, который можно сравнить с пескоструйной обработкой поверхностей.

Объединив эти два метода, можно увеличить скорость создания отверстий, т. е. RIE совмещает механическое воздействие ионов вещества на кремниевую подложку и применение ICP плазмы для управления процессом. Использование индуктивно-связанной плазмы позволяет точно регулировать плотность газового разряда, что дает возможность изменять энергию ионов.

Таким образом, процесс с использованием ICP можно применить для травления отверстий высоким соотношение длины к диаметру (HAR).

Используемый в большинстве случае процесс Bosch надежен, и может применяться для создания отверстий с соотношением длина/диаметр до 100:1.

Cryogenic Etch - что это за технология

Среди недостатков следует отметить, что стенки получаемых отверстий могут иметь большую шероховатость (scallops), а также может быть нарушена геометрия отверстий, т. е. стенки могут быть не параллельны друг другу.

Альтернатива – криогенное травление, которое использует процесс RIE, и может применяться для отверстий с соотношением более 50:1, и вплоть до 100:1.

Тем не менее, когда создаваемые отверстия имеют HAR более 30:1, вне зависимости от того, используется ли процесс Bosch, или криогенный, результат становится менее предсказуемым, т. е. качество отверстий может быть разным и не соответствовать идеальным геометрическим параметрам.

И все же криогенный процесс имеет ряд преимуществ. В частности, может использоваться оборудование для ICP травления. Причем та же самая установка может применяться и для криогенного, и для обычного травления. По сути, все зависит от того, охлаждается ли кремниевая подложка. Если да – то процесс относится к криогенному, если нет – то применяется другой способ формирования отверстий.

И действительно, установка может иметь охлаждающий блок, позволяющий понижать температуру до -10°C – -20°C, но это еще не делает процесс криогенным (хотя это верно только отчасти, о чем немного ниже). Для этого надо установить линию подачи сниженного азота, что даст возможность получить температуры до -100°C и ниже.

Так, компания Oxford Instruments продает установки ICP травления, позволяющие регулировать температуру подложки в диапазоне от -150°C до +400°C.

В отличие от процесса Bosch, криогенное травление – процесс непрерывный, одноэтапный. Как правило, используются газы SF6 и O2, помогающие получать радикалы фтора для травления. Смешанное реактивное ионное травление поддается точному управлению, что необходимо при формировании глубоких отверстий.

Есть и еще одно отличие от применяемого процесса Bosch. Отсутствие необходимости в пассивации отверстий на промежуточных этапах травления позволяет получить более ровные стенки, без характерных выступов традиционной технологии.

Объясняется это тем, что процесс не останавливается до тех пор, пока не будет достигнута необходимая глубина травления. При этом температура всей подложки остается низкой, а локальный нагрев происходит только в месте воздействия бомбардирующих ионов, т. е. на дне отверстия. Стенки остаются холодными и удаления исходного материала с них не происходит. Одновременно снижается вероятность неудачи при травлении за счет снижения подвижности атомов материала.

Причин, препятствующих широкому использованию криогенного травления, в производстве несколько. Требуется точно поддерживать температуру, влажность, уровень O2 и т. п. в процессе работы. Но главная сложность – необходимость использования жидкого азота и, соответственно, установка линии по подаче его, и ее обслуживание.

Расположить сосуд Дьюара несложно, но вот обеспечение слежения за его расходованием и своевременной замене – задача, требующая определенного внимания и расходов.

Процесс криогенного травления хорошо показывает себя в тех случаях, когда необходимо создать структуру с минимальными неровностями стенок отверстий и каналов, например, в волноводах, отражающих поверхностях и т. п.

Перспективы криогенного травления

До сих пор эта технология формирования отверстий использовалась только разработчиками при создании опытных экземпляров чипов. Активное развитие 3D NAND памяти может стать катализатором внедрения низкотемпературного процесса «сверления» в производство.

Cryogenic Etch - что это за технология

В отличие от планарной памяти, трехмерная представляет собой этакий небоскреб с десятками слоев, на которых располагаются ячейки памяти, и соединяются они все с помощью мельчайших отверстий, проходящих через все «этажи».

Производители весьма заинтересованы в увеличении количества слоев, т. к. это позволяет кратно увеличивать емкость чипов при сохранении их размеров, т. е. увеличивать плотность хранения. В настоящее время широко используются 64-слойные чипы, и появились уже 96-слойные. Разработчики памяти работают на следующими поколениями 3D NAND, где количество слоев будет составлять уже 128 и даже 256.

Формирование трехмерного чипа начинается с подложки, на которой постепенно, слой за слоем, создаются уровни с ячейками памяти. Данный этап едва ли не самый простой, т. к. технологии уже отработаны, эффективны, и позволяют получать высококачественные структуры.

Самое сложное начинается потом, когда дело доходит до создания глубоких и узких отверстий (HAR). На этом этапе надо «просверлить» все созданные слои с самого верха до подложки. В дело вступает технология реактивного ионного травления (RIE).

Бомбардировка материала ионами позволяет удалять материал, создавая отверстие. Проблема возникает по мере углубления в созданную многослойную структуру. Дело в том, что количество ионов, воздействующих на материал в нужном месте, т. е. на дно отверстия, уменьшается. Увеличивается риск нарушения геометрии стенок, процесс замедляется.

Cryogenic Etch - что это за технология

В отличие от традиционного способа, пригодного для использования для «сверления» 64 и даже 96 слоев, большее их количество уже создает слишком большие сложности. Решением проблемы и является криогенный метод, позволяющий подавать основное количество реагентов, необходимых для создания отверстий, именно туда, где это больше всего необходимо – на дно, не затрагивая стенки.

Эта технология дороже, но преимущества, которые она сулит, перевешивают дополнительные затраты. Тем не менее, есть еще проблемы, которые требуется решить. Профиль отверстий можно поучить очень высокого качества, но сложности возникают при работе с диэлектрическими слоями оксида и нитрида кремния.

Строго говоря, производители 3D NAND продолжат увеличивать количество слоев в своих чипах и с помощью традиционной технологии, но внедрение криогенного процесса могло бы облегчить и ускорить этот процесс.

Другой областью, где могла бы пригодиться низкотемпературная технология – производство цифровых микросхем. В своей основе – это набор транзисторов, сформированных на подложке и используемых в качестве ключа, и соединение их медными проводниками между собой.

Cryogenic Etch - что это за технология

В настоящее время для соединения элементов интегральной схемы используется процесс двойной инкрустации (dual-damascene process). Суть его в том, что на поверхность схемы наносится слой low-k диэлектрика, обеспечивающий электрическое изолирование элементов друг от друга, а также уменьшение паразитных наводок, емкостей и т. п.

На следующем этапе на поверхность диэлектрика при помощи маски наносится рисунок будущих соединений. Ненужный материал стравливается, а на оставшиеся места наносится медь, электрически соединяющая элементы схемы.

Все бы хорошо, но есть проблема. Диэлектрик low-k – материал с коэффициентом диэлектрической проницаемости (k-value), находящимся на уровне 2.5 — 2.6. Актуальная задача – снизить это значение как минимум до 2.2, что позволило бы уменьшить паразитные помехи, повысить быстродействие устройств.

Собственно, проблема состоит в том, что снижение k-value осложняется пористостью диэлектрика low-k. При снижении диэлектрической проницаемости до 2.3 и ниже поры повреждаются в процессе плазменного травления.

Один их методов решения – заполнение пор диэлектрика специальным полимерным составом, что предохраняет от разрушения при травлении. Значит, проблемы больше нет? Есть, и состоит она в том, что данный полимерный материал теперь надо удалить после травления. Сам по себе это процесс не сложный, но требует времени и выполнения дополнительных технологических операций.

Разработчики из университета Антверпена предложили вариант использования криогенной технологии для формирования диэлектрического слоя. Так, подложка с нанесенным low-k диэлектриком охлаждается до криогенных температур -104°C и ниже. Используемый при травлении газ осаждается в порах в виде жидкости и препятствует диффузионным процессам в соединительных структурах схемы во время плазменного травления.

После завершения формирования отверстий и каналов, подложка нагревается до комнатной температуры. К сожалению, на все это требуется довольно много времени. Правда, разработчики заявляют, что создали новую газовую смесь для криогенного травления, позволяющую работать при температурах -20°C – -30°C. Это существенно сокращает время, затрачиваемое на данный технологический этап, и делает пригодным промышленное использование низкотемпературного процесса создания отверстий и каналов.

Выгоды от промышленного применения технологии криогенного травления весьма многообещающи, но наличие целого ряда проблем ее практического применения могут не позволить вывести низкотемпературную технологию за рамки исследовательских лабораторий. Получится ли решить все сложности – покажет будущее.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *