Technologie des Halbleiterätzprozesses

Das Ätzen oder Ätzen ist ein entscheidender Schritt in der Halbleiterfertigung, der Mikroelektronik-IC-Herstellung und Mikro-/Nano-Herstellungsprozessen. Es handelt sich um einen primären Strukturierungsprozess im Zusammenhang mit der Fotolithografie. Im engeren Sinne handelt es sich beim Ätzen im Wesentlichen um fotolithografisches Ätzen, bei dem Fotolack zunächst fotolithografisch belichtet wird und dann andere Methoden zum Wegätzen des unerwünschten Materials eingesetzt werden. Beim Ätzen wird unerwünschtes Material mithilfe chemischer oder physikalischer Methoden selektiv von der Oberfläche eines Siliziumwafers entfernt. Sein grundlegendes Ziel besteht darin, das Maskenmuster auf dem beschichteten Siliziumwafer genau zu reproduzieren. Mit der Entwicklung von Mikrofabrikationsprozessen ist Ätzen im Großen und Ganzen zu einem allgemeinen Begriff für das Ablösen und Entfernen von Material mithilfe von Lösungen, reaktiven Ionen oder anderen mechanischen Methoden geworden und hat sich zu einem gebräuchlichen Begriff in der Mikrofabrikation entwickelt.

Das Ätzen kann grob in zwei Arten eingeteilt werden: Nassätzen und Trockenätzen. Beim Trockenätzen wird das Gas mit hohen Frequenzen (hauptsächlich 13,56 MHz oder 2,45 GHz) angeregt. Bei Drücken von 1 bis 100 Pa beträgt seine mittlere freie Weglänge einige Millimeter bis einige Zentimeter. Es gibt drei Hauptarten des Trockenätzens:

• Physikalisches Trockenätzen: Beschleunigt den physikalischen Verschleiß von Partikeln auf der Waferoberfläche;

• Chemisches Trockenätzen: Das Gas reagiert chemisch mit der Waferoberfläche;

• Chemisch-physikalisches Trockenätzen: Ein physikalisches Ätzverfahren mit chemischen Eigenschaften;

1. Ionenstrahlätzen

Beim Ionenstrahlätzen handelt es sich um ein physikalisches Trockenätzverfahren. Argonionen werden mit einem Ionenstrahl von etwa 1 bis 3 keV auf die Oberfläche gestrahlt. Aufgrund der Energie der Ionen bombardieren sie das Oberflächenmaterial. Der Wafer wird senkrecht oder schräg in den Ionenstrahl eingeführt und der Ätzvorgang ist absolut anisotrop. Die Selektivität ist gering, da nicht zwischen Schichten unterschieden wird. Das Gas und das polierte Material werden durch eine Vakuumpumpe ausgestoßen; Da die Reaktionsprodukte jedoch nicht gasförmig sind, können sich Partikel auf dem Wafer oder den Kammerwänden ablagern.

Um diese Partikel zu vermeiden, wird ein zweites Gas in die Kammer eingeleitet. Dieses Gas reagiert mit Argonionen und löst einen physikalisch-chemischen Ätzprozess aus. Ein Teil des Gases reagiert mit der Oberfläche, ein anderer Teil jedoch mit den polierten Partikeln unter Bildung gasförmiger Nebenprodukte. Nahezu alle Materialien können mit dieser Methode geätzt werden. Aufgrund der vertikalen Strahlung ist der Verschleiß an den vertikalen Wänden sehr gering (hohe Anisotropie). Aufgrund der geringen Selektivität und der geringen Ätzrate wird dieses Verfahren jedoch in der modernen Halbleiterfertigung selten eingesetzt.

2. Plasmaätzen

Beim Plasmaätzen handelt es sich um ein rein chemisches Ätzverfahren (chemisches Trockenätzen). Sein Vorteil besteht darin, dass die Waferoberfläche nicht durch beschleunigte Ionen beschädigt wird. Aufgrund der beweglichen Partikel des Ätzgases ist das Ätzprofil isotrop, wodurch sich diese Methode zum Entfernen ganzer Filmschichten eignet (z. B. Rückseitenreinigung nach thermischer Oxidation).

Ein Reaktortyp, der zum Plasmaätzen verwendet wird, ist ein nachgeschalteter Reaktor. Durch Stoßionisation wird das Plasma mit einer hohen Frequenz von 2,45 GHz gezündet und die Stoßionisationsstelle löst sich vom Wafer.

Im Gasentladungsbereich befinden sich durch den Aufprall verschiedene Partikel, darunter auch freie Radikale. Freie Radikale sind neutrale Atome oder Moleküle mit ungesättigten Elektronen und daher hochreaktiv. Als neutrales Gas wird Tetrafluormethan (CF4) in den Gasentladungsbereich eingeleitet und trennt sich in CF2- und Fluormoleküle (F2). Ebenso kann Fluor durch Zugabe von Sauerstoff (O2) von CF4 abgetrennt werden:

2 CF4 + O2 ---> 2 COF2 + 2 F2

Das Fluormolekül kann durch die Energie im Gasentladungsbereich in zwei separate Fluoratome gespalten werden: Jedes Fluoratom ist ein freies Fluorradikal, da jedes Atom sieben Valenzelektronen hat und eine Inertgaskonfiguration anstrebt. Neben den neutralen freien Radikalen gibt es mehrere teilweise geladene Teilchen (CF+4, CF+3, CF+2, ...). Alle Partikel, freien Radikale usw. gelangen dann durch ein Keramikrohr in die Ätzkammer. Geladene Teilchen können durch ein Extraktionsgitter von der Ätzkammer abgehalten werden oder sich bei der Bildung neutraler Moleküle rekombinieren. Auch Fluorradikale rekombinieren teilweise, jedoch in ausreichender Menge, um die Ätzkammer zu erreichen, auf der Waferoberfläche zu reagieren und chemischen Abrieb zu verursachen. Andere neutrale Partikel sind nicht Teil des Ätzprozesses und werden zusammen mit den Reaktionsprodukten abgereichert.

Beispiele für dünne Filme, die beim Plasmaätzen geätzt werden können: • Silizium: Si + 4F ---> SiF4 • Siliziumdioxid: SiO2 + 4F ---> SiF4 + O2 • Siliziumnitrid: Si3N4 + 12F ---> 3SiF4 + 2N2 3. Eigenschaften des reaktiven Ionenätzens (RIE): Selektivität, Ätzprofil, Ätzrate, Gleichmäßigkeit und Wiederholbarkeit können alle sehr präzise gesteuert werden reaktives Ionenätzen. Es sind sowohl isotrope als auch anisotrope Ätzprofile möglich. Daher ist RIE ein chemisch-physikalischer Ätzprozess und der wichtigste Prozess in der Halbleiterfertigung zum Aufbau einer Vielzahl dünner Schichten. In der Prozesskammer wird der Wafer auf eine Hochfrequenzelektrode (HF-Elektrode) gelegt. Durch Stoßionisation entsteht Plasma, bei dem freie Elektronen und positiv geladene Ionen entstehen. Liegt an der HF-Elektrode eine positive Spannung, sammeln sich freie Elektronen darauf an und können aufgrund ihrer Elektronenaffinität die Elektrode nicht wieder verlassen. Daher wird die Elektrode auf -1000 V (Vorspannung) aufgeladen. Langsame Ionen, die dem schnell wechselnden Feld nicht folgen können, bewegen sich auf die negativ geladene Elektrode zu.

Ist die mittlere freie Weglänge der Ionen groß, treffen die Partikel nahezu senkrecht auf die Waferoberfläche. Dabei wird das Material durch beschleunigte Ionen aus der Oberfläche herausgeschleudert (physikalische Ätzung) und einige Partikel reagieren auch chemisch mit der Oberfläche. Die seitlichen Seitenwände bleiben davon unberührt, sodass kein Verschleiß auftritt und das Ätzprofil anisotrop bleibt. Die Selektivität ist nicht zu gering, aber aufgrund des physikalischen Ätzprozesses auch nicht zu groß. Darüber hinaus wird die Waferoberfläche durch beschleunigte Ionen beschädigt und muss durch thermisches Tempern ausgehärtet werden. Der chemische Teil des Ätzprozesses erfolgt durch die Reaktion freier Radikale mit der Oberfläche und dem physikalisch gemahlenen Material, so dass es sich nicht wie beim Ionenstrahlätzen wieder auf dem Wafer oder den Kammerwänden ablagert. Durch die Erhöhung des Drucks in der Ätzkammer verringert sich die mittlere freie Weglänge der Partikel. Daher kommt es zu mehr Kollisionen und die Teilchen bewegen sich in unterschiedliche Richtungen. Dies führt zu einer weniger gerichteten Ätzung und der Ätzprozess erhält mehr chemische Eigenschaften. Eine erhöhte Selektivität führt zu einem isotroperen Ätzprofil. Anisotrope Ätzprofile werden durch Passivierung der Seitenwände beim Siliziumätzen erreicht. Der Sauerstoff in der Ätzkammer reagiert mit dem gemahlenen Silizium unter Bildung von Siliziumdioxid, das sich an den vertikalen Seitenwänden ablagert. Der Oxidfilm auf den horizontalen Bereichen wird durch den Ionenbeschuss entfernt, sodass der seitliche Ätzprozess fortgesetzt werden kann.

Die Ätzrate hängt vom Druck, der Leistung des Hochfrequenzgenerators, dem Prozessgas, der tatsächlichen Gasdurchflussrate und der Wafertemperatur ab. Die Anisotropie nimmt mit zunehmender Hochfrequenzleistung, abnehmendem Druck und sinkender Temperatur zu. Die Gleichmäßigkeit des Ätzprozesses hängt vom Gas, dem Abstand zwischen den beiden Elektroden und dem Elektrodenmaterial ab. Ist der Abstand zu gering, kann das Plasma nicht gleichmäßig verteilt werden, was zu Inhomogenität führt. Eine Vergrößerung des Elektrodenabstands verringert die Ätzrate, da das Plasma über ein erweitertes Volumen verteilt wird. Für Elektroden hat sich Kohlenstoff als bevorzugtes Material erwiesen. Da Fluor und Chlor auch Kohlenstoff angreifen, erzeugen die Elektroden ein gleichmäßig gespanntes Plasma, wodurch die Waferkanten in gleicher Weise wie die Wafermitte beeinflusst werden.

Selektivität und Ätzrate hängen stark vom Prozessgas ab. Für Silizium und Siliziumverbindungen werden vor allem Fluor und Chlor verwendet.

Ätzprozesse sind nicht auf ein einzelnes Gas, Gasgemisch oder feste Prozessparameter beschränkt. Beispielsweise können native Oxide auf Polysilizium zunächst mit einer hohen Ätzrate und geringer Selektivität entfernt werden, gefolgt vom Ätzen des Polysiliziums mit höherer Selektivität im Vergleich zu den darunter liegenden Schichten.

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