Radierung und geätzte Morphologie

Bei der Herstellung von Halbleiterchips sind wir so, als würden wir einen Wolkenkratzer auf einem Reiskorn bauen. Die Lithografiemaschine ist wie ein Stadtplaner, der mit „Licht“ den Bauplan des Gebäudes auf den Wafer zeichnet; Beim Ätzen hingegen handelt es sich um eine Art Bildhauer mit Präzisionswerkzeugen, der dafür verantwortlich ist, die Kanäle, Löcher und Linien gemäß der Blaupause genau herauszuarbeiten. Wenn Sie den Querschnitt dieser „Kanäle“ genau beobachten, werden Sie feststellen, dass ihre Formen nicht einheitlich sind; einige sind trapezförmig (oben breiter und unten schmaler), während andere perfekte Rechtecke (vertikale Seitenwände) sind. Diese Formen sind nicht willkürlich; Dahinter verbirgt sich ein komplexes Zusammenspiel physikalischer und chemischer Prinzipien, die direkt die Leistungsfähigkeit des Chips bestimmen.

I. Grundprinzipien des Ätzens: Eine Kombination physikalischer und chemischer Effekte

Vereinfacht ausgedrückt ist Ätzen das selektive Entfernen von Material, das nicht durch Fotolack geschützt ist. Es ist hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt:

1. Nassätzen: Zum Ätzen werden chemische Lösungsmittel (wie Säuren und Laugen) verwendet. Es handelt sich im Wesentlichen um eine rein chemische Reaktion und die Ätzrichtung ist isotrop – das heißt, sie verläuft in alle Richtungen (vorne, hinten, links, rechts, oben, unten) mit der gleichen Geschwindigkeit.

2. Trockenätzen (Plasmaätzen): Dies ist heute die gängige Technologie. In einer Vakuumkammer werden Prozessgase (z. B. fluor- oder chlorhaltige Gase) eingeleitet und durch eine Hochfrequenzstromversorgung wird Plasma erzeugt. Das Plasma enthält energiereiche Ionen und aktive freie Radikale, die auf der geätzten Oberfläche zusammenarbeiten.

Durch das Trockenätzen können verschiedene Formen erzeugt werden, gerade weil es den „physikalischen Angriff“ und den „chemischen Angriff“ flexibel kombinieren kann:

Chemische Zusammensetzung: Verantwortlich für aktive freie Radikale. Sie reagieren chemisch mit dem Waferoberflächenmaterial und erzeugen flüchtige Produkte, die dann entfernt werden. Dieser Angriff ist isotrop, sodass er sich „durchquetschen“ und seitlich ätzen kann, wodurch leicht trapezförmige Formen entstehen.

Physikalische Zusammensetzung: Positiv geladene hochenergetische Ionen, beschleunigt durch ein elektrisches Feld, bombardieren senkrecht die Waferoberfläche. Ähnlich wie das Sandstrahlen einer Oberfläche ist dieser „Ionenbeschuss“ anisotrop, hauptsächlich vertikal nach unten, und kann die Seitenwände „geradlinig“ herausschneiden.

II. Entschlüsselung zweier klassischer Profile: Die Geburt von Trapezen und Rechteckprofilen

1. Trapezoid (konisches Profil) – Hauptsächlich chemischer Angriff

Formationsprinzip: Wenn das chemische Ätzen den Prozess dominiert, während der physikalische Beschuss schwächer ist, geschieht Folgendes: Das Ätzen schreitet nicht nur nach unten voran, sondern korrodiert auch seitlich den Bereich unter der Fotolackmaske und den freiliegenden Seitenwänden. Dadurch wird das Material unter der geschützten Maske allmählich „ausgehöhlt“ und bildet eine schräge Seitenwand, die oben breiter und unten schmaler ist, also ein Trapez.

Gute Stufenabdeckung: Bei nachfolgenden Dünnschichtabscheidungsprozessen erleichtert die geneigte Struktur des Trapezes die gleichmäßige Abdeckung von Materialien (z. B. Metallen) und vermeidet Brüche an steilen Ecken.

Reduzierte Belastung: Die schräge Struktur verteilt die Belastung besser und verbessert so die Gerätezuverlässigkeit.

Hohe Prozesstoleranz: Relativ einfach zu implementieren.

2. Rechteckig (vertikales Profil) – Hauptsächlich physischer Angriff

Physikalische Zusammensetzung: Positiv geladene hochenergetische Ionen, beschleunigt durch ein elektrisches Feld, bombardieren senkrecht die Waferoberfläche. Ähnlich wie das Sandstrahlen einer Oberfläche ist dieser „Ionenbeschuss“ anisotrop, hauptsächlich vertikal nach unten, und kann die Seitenwände „geradlinig“ herausschneiden.

In fortschrittlichen Herstellungsprozessen ist die Transistordichte extrem hoch und der Platz äußerst kostbar.

Höchste Wiedergabetreue: Die maximale Übereinstimmung mit dem fotolithografischen Bauplan wird gewährleistet, wodurch genaue kritische Abmessungen (CD) des Geräts gewährleistet werden.

Spart Platz: Vertikale Strukturen ermöglichen die Herstellung von Geräten mit minimalem Platzbedarf, was der Schlüssel zur Miniaturisierung von Chips ist.

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