Повышение однородности травления HARC с помощью смещения по кромке и вариаций структурного импеданса при прямоугольной форме напряжения

Почему производителям микросхем важны прямые отверстия

Современные микросхемы памяти упаковывают больше информации в меньшие объёмы, создавая миллиарды чрезвычайно глубоких и тонких отверстий в кремнии. Эти отверстия с высоким соотношением сторон должны быть почти идеально вертикальными; даже небольшое отклонение или искажение формы может испортить устройство и резко снизить выход годных изделий. В этой работе показан новый способ сохранять вертикальность и однородность таких отверстий по всей пластине кремния за счёт тонкой настройки того, как электрические поля ведут себя у кромки пластины во время плазменного травления.

Проблема у уязвимой кромки пластины

Чтобы вырезать узоры в пластине, производители используют плазму — светящийся газ, полный энергичных ионов, которые выбивают материал. Вокруг пластины располагается расходуемое «фокусное кольцо», которое помогает выровнять плазму от центра к краю. Со временем это кольцо разрушается в той же агрессивной среде, что и процесс травления. По мере его износа электрический слой (оболочка), направляющий ионы к пластине, деформируется вблизи кромки. Вместо того чтобы падать строго вертикально, ионы приходят под углом, из-за чего отверстия наклоняются к центру и растягиваются в эллипсы. Это не только искажает крошечные структуры конденсаторов, но и уменьшает полезную площадь и снижает выход годных изделий.

Добавление управляемого «руля» на кромке

Исследователи решили проблему, добавив независимо управляемый электрод у кромки под фокусным кольцом, питаемый прямоугольным смещающим напряжением, отдельным от основного смещения пластины. Вместо обычной плавной синусоиды этот близкий к квадрату сигнал резко переключается между включённым и выключенным состоянием, удерживая разность напряжений между плазмой и поверхностью более постоянной во времени. Такое более стабильное «толкание» позволяет ионам приходить с более узким диапазоном энергий и углов. При аккуратном увеличении смещения по кромке команда смогла укрепить и перестроить электрическую оболочку у обода пластины, вернув траектории ионов ближе к вертикальным и восстановив круглые, чётко очерченные профили траншей даже в местах, где фокусное кольцо было изношено.

Когда больше мощности ухудшает ситуацию

Однако излишнее повышение напряжения на кромке породило новую проблему. Выше примерно 280–300 вольт электрическое взаимодействие между кромочным и центральным электродами вызывало нежелательные утечки тока через плазму. Мониторы регистрировали растущие несоответствия между напряжением, которое оборудование пыталось применить, и фактическим напряжением на пластине, а также увеличение токов в области пластины. Это нарушало тщательно настроенную оболочку, делая плазму нестабильной и вновь вводя неравномерное травление: средние области травились быстрее, кромка замедлялась, и формы отверстий снова искажались, несмотря на более высокое смещение по кромке.

Переработка аппаратуры для укрощения полей

Чтобы восстановить контроль при высоких напряжениях, команда переработала стэк изоляционных и проводящих частей вокруг пластины — особенно материалы под и вокруг фокусного кольца. Путём замены компонентов и изменения их электрических свойств они скорректировали отношение импедансов между путём через фокусное кольцо и держателем пластины. Более высокое отношение (примерно 1,31) ограничивало нежелательную связь между двумя цепями смещения, позволяя кромочному смещению выполнять свою функцию без «таскания» центра за собой. Эксперименты показали, что при оптимизированной конфигурации траншеи оставались почти круглыми и вертикальными даже при смещении по кромке 300 вольт, а скорость травления была значительно более однородна по пластине. Компьютерные симуляции подтвердили результаты, показав, как разные материалы фокусного кольца (кремний против кварца) меняют толщину оболочки, плотность плазмы и силу вертикального электрического поля.

Что это значит для будущих микросхем памяти

Для неспециалистов ключевая идея такова: авторы нашли способ «направлять» невидимые электрические поля у кромки пластины, чтобы ионы плазмы сверлили более прямые и одинаковые отверстия. Сочетая отдельно управляемое прямоугольное смещение по кромке с электрически оптимизированной опорной структурой, они могут исправлять наклон у кромки и избегать нестабильностей, возникающих при слишком высоких напряжениях. Этот подход должен помочь производителям сохранять точность травления глубинных элементов по мере дальнейшего уменьшения ячеек памяти, повышая выход годных изделий и надёжность в устройствах следующего поколения.

Цитирование: Park, C., Cho, J., Um, J. et al. Enhancing uniformity in HARC etching via edge bias voltage and structural impedance variations in a rectangular voltage waveform. Sci Rep 16, 5851 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36323-6

Ключевые слова: плазменное травление, производство полупроводников, высокое соотношение сторон, смещение по кромке, конструкция фокусного кольца