Caratterizzazione e controllo di un processo di dry etching per la produzione di memorie Flash EEPROM.

La tesi qui presentata è incentrata sulla caratterizzazione e l’elaborazione di una strategia di controllo per un processo di dry etching di ossido di silicio, denominato SAS etch. Tale processo costituisce un passo del ciclo di produzione di dispositivi di memoria Flash EEPROM (un tipo di memorie a semiconduttore non volatili, di concezione relativamente recente) nello stabilimento della Texas Instruments situato ad Avezzano.
Questi dispositivi vengono realizzati su wafer di silicio, e la funzione del processo considerato è la rimozione selettiva dei residui di SiO2 derivanti dalle strutture di isolamento elettrico che separano tra loro le celle della matrice di memoria.
SAS è l’acronimo di Self Aligned Source e sta ad indicare che si tratta di un processo autoallineante, cioè in grado di attaccare specifiche porzioni della superficie del wafer, senza necessità di un posizionamento estremamente accurato della “maschera” usata per l’etching.
Il SAS etch viene effettuato utilizzando un plasma costituito da una miscela di CF4, CHF3 e Ar, che si forma all’interno di un reattore dotato di un elettrodo in silicio policristallino, il quale prende parte attiva alle reazioni chimiche atte a rimuovere l’SiO2. L’elettrodo è pertanto soggetto a degrado (il limite massimo della sua vita operativa è fissato a 50000 minuti di potenza elettrica applicata), e ciò induce una graduale variazione delle condizioni di attacco.

La prima parte della tesi è la caratterizzazione del processo di SAS etch, con l’obiettivo di acquisire una conoscenza più approfondita del processo e del reattore a plasma mediante il quale esso viene realizzato.
In particolare si è cercato di capire in che modo le principali caratteristiche dell’etching, cioè la velocità, la selettività e l’uniformità di attacco, venissero influenzate da alcuni parametri del processo quali i flussi di CF4, CHF3 e Ar, e la pressione nella camera di reazione, e da variabili esterne come il degrado dell’elettrodo in silicio del reattore a plasma.
I metodi utilizzati sono stati: analisi dei dati storici relativi alla produzione; realizzazione ed esecuzione di un Design Of Experiment, comprendente diverse sperimentazioni fattoriali; acquisizione dati dal reattore a plasma; analisi di microscopia elettronica al SEM e al TEM.
Grazie ad essi sono state individuate le espressioni matematiche che esprimono la velocità media e la selettività di attacco in funzione dei parametri di processo. È stato inoltre elaborato un modello matematico che esprime la velocità puntuale di attacco in funzione delle coordinate normalizzate sulla superficie del wafer, e che consente di descrivere l’influenza dei parametri e del degrado dell’elettrodo sull’uniformità dell’etching.
Mediante l’acquisizione di segnali resi disponibili dal reattore, si è cercato di individuare una o più variabili di stato, che consentissero di stimare il grado di invecchiamento dell’elettrodo: l’unica grandezza che ha mostrato una parziale correlazione col degrado del componente è stata la wafer area pressure, cioè la pressione locale sulla superficie del wafer.
Le analisi al SEM e al TEM sono state necessarie per determinare l’entità del sovrattacco del substrato e l’integrità delle strutture realizzate sul wafer prima del SAS etch.

Nella seconda parte della tesi, le conoscenze così ottenute sono state utilizzate per sviluppare una strategia di controllo del SAS etch, la quale sfrutta i modelli matematici, elaborati nella fase di caratterizzazione del processo, per realizzare un controllo attivo delle condizioni di etching: modificando la ricetta di processo (ossia le impostazioni relative ai flussi di gas e alla pressione) è possibile contrastare la diminuzione dell’uniformità di attacco osservata, la cui causa è il degrado dell’elettrodo.
La strategia è stata quindi implementata mediante un software dedicato al controllo automatico di processo - secondo la metodologia denominata Advanced Process Control o Model Based Process Control - chiamato Process WORKS.
Alcune simulazioni numeriche hanno confermato la bontà della strategia elaborata e sono servite come test di funzionamento per il software di controllo di processo, che è tuttora in fase di sviluppo.
La finalità del controllo avanzato di processo è quella di migliorarne o almeno stabilizzarne il livello qualitativo e consentire un utilizzo più efficace degli strumenti di produzione e quindi una riduzione dei costi.