ייצור שבבים: ציוד תחריט ותהליך

בתהליך ייצור המוליכים למחצה,תַחרִיטהטכנולוגיה היא תהליך קריטי המשמש להסרה מדויקת של חומרים לא רצויים על המצע ליצירת דפוסי מעגל מורכבים. מאמר זה יציג שתי טכנולוגיות תחריט מיינסטרים בפירוט - תחריט פלזמה בשילוב קיבולי (CCP) ותחריט פלזמה בשילוב אינדוקטיבי (ICP), ולחקור את היישומים שלהם בתחריט חומרים שונים.

תחריט פלזמה בקיבוליות (CCP)

צריבת פלזמה מקושרת קיבולית (CCP) מושגת על ידי הפעלת מתח RF על שתי אלקטרודות צלחות מקבילות דרך מתאם וקבל חוסם DC. שתי האלקטרודות והפלזמה יוצרים יחד קבל שווה ערך. בתהליך זה, מתח ה-RF יוצר מעטה קיבולי ליד האלקטרודה, והגבול של הנדן משתנה עם התנודה המהירה של המתח. כאשר אלקטרונים מגיעים לנדן המשתנה במהירות, הם משתקפים ומקבלים אנרגיה, אשר בתורה מפעילה את ההתנתקות או היינון של מולקולות הגז ליצירת פלזמה. תחריט CCP מיושם בדרך כלל על חומרים בעלי אנרגיית קשר כימית גבוהה יותר, כגון דיאלקטריות, אך בשל קצב התחריט הנמוך שלה, היא מתאימה ליישומים הדורשים שליטה עדינה.

תחריט פלזמה בשילוב אינדוקטיבי (ICP)

פלזמה בשילוב אינדוקטיביתַחרִיט(ICP) מבוסס על העיקרון שזרם חילופין עובר דרך סליל כדי ליצור שדה מגנטי מושרה. תחת פעולת השדה המגנטי הזה, האלקטרונים בתא התגובה מואצים וממשיכים להאיץ בשדה החשמלי המושרה, בסופו של דבר מתנגשים עם מולקולות גז התגובה, מה שגורם למולקולות להתנתק או ליינן וליצור פלזמה. שיטה זו יכולה לייצר קצב יינון גבוה ולאפשר להתאים את צפיפות הפלזמה ואת אנרגיית ההפצצה באופן עצמאי, מה שהופך אתתחריט ICPמתאים מאוד לחריטה של ​​חומרים בעלי אנרגיית קשר כימית נמוכה, כגון סיליקון ומתכת. בנוסף, טכנולוגיית ICP מספקת גם אחידות וקצב תחריט טובים יותר.

1. תחריט מתכת

תחריט מתכת משמש בעיקר לעיבוד של חיבורים וחיווט מתכת רב-שכבתי. הדרישות שלו כוללות: קצב חריטה גבוה, סלקטיביות גבוהה (יותר מ-4:1 עבור שכבת המסכה ויותר מ-20:1 עבור הדיאלקטרי הבין-שכבתי), אחידות תחריט גבוהה, בקרת מימד קריטי טובה, ללא נזק לפלזמה, פחות מזהמים שיוריים, וכן אין קורוזיה למתכת. תחריט מתכת משתמש בדרך כלל בציוד תחריט פלזמה בשילוב אינדוקטיבי.

•תחריט אלומיניום: אלומיניום הוא חומר החוטים החשוב ביותר בשלבים האמצעיים והאחוריים של ייצור השבבים, עם היתרונות של התנגדות נמוכה, שקיעה ותחריט קל. תחריט אלומיניום משתמש בדרך כלל בפלזמה הנוצרת על ידי גז כלורי (כגון Cl2). אלומיניום מגיב עם כלור כדי לייצר אלומיניום כלוריד נדיף (AlCl3). בנוסף, ניתן להוסיף הלידים אחרים כגון SiCl4, BCl3, BBr3, CCl4, CHF3 וכו' כדי להסיר את שכבת התחמוצת על משטח האלומיניום כדי להבטיח את התחריט הרגיל.

• תחריט טונגסטן: במבני חיבור חוטי מתכת רב-שכבתיים, טונגסטן היא המתכת העיקרית המשמשת לחיבור החלק האמצעי של השבב. ניתן להשתמש בגזים על בסיס פלואור או על בסיס כלור כדי לחרוט טונגסטן מתכת, אך לגזים על בסיס פלואור יש סלקטיביות ירודה לתחמוצת סיליקון, בעוד לגזים על בסיס כלור (כגון CCl4) יש סלקטיביות טובה יותר. בדרך כלל מוסיפים חנקן לגז התגובה כדי להשיג סלקטיביות גבוהה של דבק תחריט, ומוסיפים חמצן כדי להפחית את שקיעת הפחמן. תחריט טונגסטן בגז מבוסס כלור יכול להשיג תחריט אנזוטרופי וסלקטיביות גבוהה. הגזים המשמשים בתחריט יבש של טונגסטן הם בעיקר SF6, Ar ו-O2, ביניהם ניתן לפרק את SF6 בפלזמה כדי לספק אטומי פלואור וטונגסטן לתגובה כימית לייצור פלואוריד.

• תחריט טיטניום ניטריד: טיטניום ניטריד, כחומר מסכה קשיח, מחליף את מסכת הסיליקון ניטריד או תחמוצת המסורתית בתהליך הדמשקה הכפול. תחריט טיטניום ניטריד משמש בעיקר בתהליך פתיחת המסכה הקשה, ותוצר התגובה העיקרי הוא TiCl4. הסלקטיביות בין המסכה המסורתית לשכבה הדיאלקטרית נמוכה-k אינה גבוהה, מה שיוביל להופעת הפרופיל בצורת קשת בחלק העליון של השכבה הדיאלקטרית נמוכה-k ולהרחבת רוחב החריץ לאחר תחריט. המרווח בין קווי המתכת המופקדים קטן מדי, אשר נוטה לגשר על דליפה או התמוטטות ישירה.

2. תחריט מבודד

האובייקט של תחריט מבודד הוא בדרך כלל חומרים דיאלקטריים כמו סיליקון דו חמצני או סיליקון ניטריד, שנמצאים בשימוש נרחב ליצירת חורי מגע וחורי תעלות לחיבור שכבות מעגלים שונות. תחריט דיאלקטרי משתמש בדרך כלל בתחרט המבוסס על העיקרון של תחריט פלזמה בקיבוליות.

• תחריט פלזמה של סרט סיליקון דו חמצני: סרט סיליקון דו חמצני נחרט בדרך כלל באמצעות גזי תחריט המכילים פלואור, כגון CF4, CHF3, C2F6, SF6 ו-C3F8. הפחמן הכלול בגז התחריט יכול להגיב עם החמצן בשכבת התחמוצת כדי לייצר תוצרי לוואי CO ו-CO2, ובכך להסיר את החמצן בשכבת התחמוצת. CF4 הוא גז התחריט הנפוץ ביותר. כאשר CF4 מתנגש באלקטרונים עתירי אנרגיה, נוצרים יונים שונים, רדיקלים, אטומים ורדיקלים חופשיים. רדיקלים חופשיים של פלואור יכולים להגיב כימית עם SiO2 ו-Si כדי לייצר סיליקון טטרפלואוריד נדיף (SiF4).

• תחריט פלזמה של סרט סיליקון ניטריד: ניתן לחרוט סרט סיליקון ניטריד באמצעות תחריט פלזמה עם גז מעורב CF4 או CF4 (עם O2, SF6 ו-NF3). עבור סרט Si3N4, כאשר משתמשים בפלסמת CF4-O2 או פלזמת גז אחרת המכילה אטומי F לחריטה, קצב הצריבה של סיליקון ניטריד יכול להגיע ל-1200Å/דקה, וסלקטיביות הצריבה יכולה להגיע עד 20:1. המוצר העיקרי הוא טטרפלואוריד סיליקון נדיף (SiF4) שקל להפיקו.

4. תחריט סיליקון קריסטל יחיד

תחריט סיליקון גביש יחיד משמש בעיקר ליצירת בידוד תעלות רדוד (STI). תהליך זה כולל בדרך כלל תהליך פריצת דרך ותהליך תחריט ראשי. תהליך פריצת הדרך משתמש בגז SiF4 ו-NF כדי להסיר את שכבת התחמוצת על פני השטח של סיליקון גבישי יחיד באמצעות הפצצת יונים חזקה ופעולה כימית של יסודות פלואור; התחריט הראשי משתמש במימן ברומיד (HBr) כחומר התחריט העיקרי. רדיקלי הברום המפורקים על ידי HBr בסביבת הפלזמה מגיבים עם סיליקון ויוצרים סיליקון טטרברומיד נדיף (SiBr4), ובכך מסירים סיליקון. תחריט סיליקון גביש יחיד משתמש בדרך כלל במכונת תחריט פלזמה בשילוב אינדוקטיבי.

5. תחריט פוליסיליקון

תחריט פוליסיליקון הוא אחד מתהליכי המפתח הקובעים את גודל השער של טרנזיסטורים, וגודל השער משפיע ישירות על הביצועים של מעגלים משולבים. תחריט פוליסיליקון דורש יחס סלקטיביות טוב. גזי הלוגן כגון כלור (Cl2) משמשים בדרך כלל להשגת תחריט אנזוטרופי, ובעלי יחס סלקטיביות טוב (עד 10:1). גזים מבוססי ברום כגון מימן ברומיד (HBr) יכולים לקבל יחס סלקטיביות גבוה יותר (עד 100:1). תערובת של HBr עם כלור וחמצן יכולה להגביר את קצב התחריט. תוצרי התגובה של גז הלוגן וסיליקון מופקדים על הדפנות כדי למלא תפקיד מגן. תחריט פוליסיליקון משתמש בדרך כלל במכונת תחריט פלזמה בשילוב אינדוקטיבי.

בין אם מדובר בתחריט פלזמה בשילוב קיבולי ובין אם מדובר בתחריט פלזמה בשילוב אינדוקטיבי, לכל אחד יש יתרונות ומאפיינים טכניים ייחודיים משלו. בחירה בטכנולוגיית תחריט מתאימה יכולה לא רק לשפר את יעילות הייצור, אלא גם להבטיח את התפוקה של המוצר הסופי.