Vodič za tehnologiju jetkanja poluvodiča i uobičajene nedostatke

I. Uvod u procese proizvodnje integriranih krugova

Proces proizvodnje integriranih krugova uključuje mnoge tehnološke korake, a jetkanje je jedan od tih koraka. To je temeljna tehnologija u području mikroelektronike, koja uključuje selektivno uklanjanje tankih filmova na ili na poluvodičkoj podlozi prema unaprijed-definiranom uzorku ili dizajnu maske.

Jetkanje se obično koristi za selektivno jetkanje i uklanjanje tankih filmova s ​​poluvodičkih podloga ili površinskih premaza, a često se kombinira s fotolitografijom i procesima taloženja kako bi se postigao prijenos uzorka.

Tehnologije plazma jetkanja i taloženja postale su glavne metode jetkanja zbog kontinuiranog poboljšanja preciznosti procesa. U proizvodnji čipova, procesi fotolitografije i jetkanja/taloženja rade u jednostavnoj petlji, koja se ponavlja dok se ne postignu željena struktura i zahtjevi idealne preciznosti.

Pojednostavljeni opis procesa jetkanja je sljedeći: Prvo se tanki film s uzorkom taloži na strukturu supstrata. Ovaj odloženi film općenito se naziva maska. Zatim se prekriva fotoosjetljivim materijalom koji se naziva fotorezist i izlaže svjetlu fotomaskom s uzorkom. Ovaj korak se naziva izlaganje.

Fotorezisti se općenito mogu klasificirati u dvije vrste: pozitivni fotorezisti i negativni fotorezisti. Pozitivni fotorezisti nude prednosti kao što su visoko prepoznavanje uzoraka i fleksibilnost obrade, omogućujući prijenos uzoraka s manjim veličinama značajki u naprednim tehnološkim čvorovima. Međutim, njihova otpornost na koroziju je relativno slaba, a njihova sposobnost zaštite temeljnog materijala tijekom kasnijih procesa kao što je jetkanje nije tako dobra kao kod negativnih fotorezista.

Negativni fotorezisti, s druge strane, nude bolju otpornost na koroziju i prikladni su za primjene koje zahtijevaju deblji sloj fotorezista za zaštitu temeljnog materijala. U većini praktičnih postupaka jetkanja, negativni fotorezisti biraju se kao materijal za zaštitnu masku.

[Slika] Nakon toga, pločica se uranja u otopinu za razvijanje kako bi se uklonili izloženi dijelovi fotorezista. Zatim se neosvijetljeni dijelovi fotorezista prenesu na masku i tako oblikuju željeni uzorak. Taj se proces naziva razvojem.

Neosvijetljeni dijelovi fotorezista ugravirani su kemijskim reakcijama, fizičkim bombardiranjem ili kombinacijom oba. Nakon jetkanja, fotorezist se uklanja, ostavljajući tanki film s prikazanim uzorkom. Gore navedeni postupak ugrubo opisuje proces prijenosa značajki. Ovi se koraci ponavljaju više puta tijekom izrade uređaja kako bi se formirala struktura uređaja koja ispunjava specifične zahtjeve. Stoga se može reći da sofisticiranost procesa jetkanja u određenoj mjeri određuje rad uređaja. U usporedbi s tradicionalnim metodama jetkanja, plazma jetkanje nudi bolju anizotropiju, manje energetsko oštećenje, veću fleksibilnost, ponovljivost, veće stope jetkanja i veću mogućnost upravljanja.

II. Mokro jetkanje

Mokro jetkanje naširoko se koristi u području integriranih sklopova. U biti, to je čisto kemijski reakcijski proces. Koristi tekuće kemijske reagense (ili sredstva za nagrizanje) za reakciju s materijalom koji se urezuje, stvarajući u vodi-topljive nusprodukte reakcije koji uklanjaju neželjeni materijal.

Ove kemijske reakcije obično se temelje na redoks reakcijama, reakcijama kiselo-bazne neutralizacije itd.

Na primjer, kod mokrog jetkanja silicija, uobičajeno sredstvo za jetkanje je mješavina fluorovodične kiseline (HF) i dušične kiseline (HNO3). Dušična kiselina djeluje kao oksidans, oksidirajući silicij u silicij-dioksid, dok fluorovodična kiselina reagira sa silicij-dioksidom da bi formirala -heksafluorosilicijsku kiselinu topljivu u vodi (H₂SiF₆), čime se postiže učinak jetkanja.

[Slika] Gledajući povijest procesa jetkanja, najranija korištena tehnika bila je mokro jetkanje, u početku prvenstveno za čišćenje i jednostavno jetkanje površina silicijskih ploča. U 1960-ima, kemijska obrada silicijevih pločica pokazala je ovisnost o orijentaciji i koncentraciji. U ovoj se fazi mokro jetkanje uglavnom temeljilo na jednostavnim otopinama kiselih-baza; na primjer, kada se koristi otopina KOH kao sredstvo za jetkanje, različite orijentacije kristala rezultirale su različitim brzinama jetkanja.

S brzim razvojem tehnologije integriranih krugova, procesi mokrog jetkanja dodatno su optimizirani. Istraživači su počeli sustavno proučavati brzine jetkanja i selektivnost različitih sredstava za jetkanje na različitim materijalima, kao što su silicij, silicij dioksid (SiO₂) i silicij nitrid (Si₃N4). Kako se veličina mikroelektroničkih uređaja i dalje smanjuje, procesi mokrog jetkanja zahtijevaju veću preciznost i selektivnost. Istraživači su razvili različite nove materijale za jetkanje i aditive za postizanje precizne kontrole nad brzinama jetkanja i profilima nakon-jetkanja.

Mokro jetkanje ostaje ključan proces u modernoj proizvodnji poluvodiča, posebno u proizvodnji mikro-elektro-mehaničkih sustava (MEMS) i uređaja u nanosmjeru.

U praktičnim procesima jetkanja, ključni izazov leži u održavanju preciznosti prijenosa značajki. Stoga, idealan postupak jetkanja ima za cilj minimalno oštećenje uzorka, visoke stope jetkanja, visoku selektivnost, zadovoljavajuću morfologiju profila značajki i dobru anizotropiju.

Budući da mokro jetkanje prvenstveno koristi kemijske reakcije, može postići samo izotropno jetkanje. Čak i uz visoku selektivnost, kapilarni učinak izazvan otopinom tijekom jetkanja ostaje uporan problem; ovaj problem čini prianjanje vjerojatnijim kod jetkanja struktura s visokim omjerom širine i visine. Trenutno, mokro jetkanje nudi prednosti kao što su visoka selektivnost, niska cijena i mogućnost jetkanja velikih serija pločica u jednoj operaciji. Međutim, sredstvo za jetkanje (otopinu) teško je sačuvati dulje vrijeme, a brzinu jetkanja teško je održavati dosljednom, što značajno utječe na jednolikost jetkanja. Stoga se mokro jetkanje općenito koristi samo za procese ne-kritičnih dimenzija i ima ograničenja u jetkanju struktura visoke-gustoće, visoke-preciznosti.

III. Suho jetkanje

Tehnologija suhog jetkanja koristi plazmu za postizanje procesa jetkanja. Nakon što se plinovi uvedu u šupljinu, oni se ioniziraju i pretvaraju u stanje plazme.

Pregled plazme

Dvadesetih godina prošlog stoljeća Langmuir i njegovi suradnici prvi su predložili koncept plazme. Sastoji se od elektrona, nabijenih iona i neutralnih čestica, pokazujući visoke karakteristike ionizacije i ukupnu električnu neutralnost. Kao četvrto agregatno stanje, različito od krutog, tekućeg i plinovitog, plazma postoji u svakom kutku svemira.

Njegov jedinstveni sastav nabijenih čestica daje plazmi dvije značajne karakteristike: izvrsnu vodljivost i snažno spajanje s elektromagnetskim poljima. Ove kontrolirane karakteristike čine ga nezamjenjivom ulogom u industrijskim područjima, posebno u tehnologiji proizvodnje poluvodiča.

[Slika] Plazma koju stvara radiofrekvencijsko pražnjenje uključuje kapacitivno spregnutu plazmu i induktivno spregnutu plazmu. Induktivno spregnuta plazma (ICP) je stanje plazme visoke-energije-gustoće generirano mehanizmom induktivnog spajanja visoko-frekventnog elektromagnetskog polja.

Njegovo načelo rada može se podijeliti na sljedeće ključne procese: Prvo, potrebni procesni plin se uvodi u reakcijsku komoru, a standardni radiofrekventni signal od 13,56 MHz primjenjuje se na indukcijski svitak izvan komore. Prema Faradayevom zakonu elektromagnetske indukcije, kada se magnetski tok kroz zavojnicu mijenja s vremenom, unutar zavojnice se stvara izmjenična struja. Ova struja stvara vremenski-promjenjivo magnetsko polje u komori, dodatno inducirajući stvaranje obodnog električnog polja. Pod utjecajem obodnog električnog polja elektroni se ubrzavaju. Kada akumuliraju dovoljno energije, sustav ulazi u elektromagnetski mod u kojem dominira induktivna sprega (H mod).

Vrijedno je napomenuti da kada se preko zavojnice primijeni radiofrekvencijska snaga, generira se pad napona od stotina do tisuća volti. Rezultirajuće elektrostatsko polje može uzrokovati proboj plina, stvarajući elektrostatički mod (E mod). Način pražnjenja sustava usko je povezan s ulaznom snagom: u uvjetima niske snage, E način prevladava s nižom gustoćom plazme; u uvjetima velike snage, H mod je dominantan.

U stanju plazme, pokazuje dvije značajne karakteristike:

Prvo, plinovi u plazmi pokazuju veću kemijsku reaktivnost u usporedbi s normalnim stanjem. To znači da možemo odabrati odgovarajuće plinove za jetkanje (tj. reaktante) na temelju karakteristika materijala za jetkanje, čime se ubrzava kemijska reakcija s materijalom i postiže svrha jetkanja.

Drugo, plazma se može voditi i ubrzavati pomoću električnog polja, noseći određenu količinu energije. Kada te visoko{1}}energetske plazme ubrzano udare u površinu predmeta koji se gravira, gravura se dovršava putem mehanizma fizičkog prijenosa energije.

Stoga je suho jetkanje zapravo rezultat i fizikalnih i kemijskih procesa.

Jedinstvena značajka tehnologije plazma suhog jetkanja je da ne samo da može izvršiti anizotropno jetkanje, već i održati precizan prijenos uzorka dok kritična veličina značajke ostaje iznimno mala.

Suho jetkanje je opći naziv za razne tehnologije suhog jetkanja koje su se postupno razvijale prema tadašnjim potrebama.

Jetkanje ionskom zrakom je-alternativa mokrom jetkanju prve generacije. Koristi visoko{2}}energetsku ionsku zraku (100seV-1000seV) za fizičko bombardiranje materijala, što rezultira visoko anizotropnim jetkanjem.

Iako se potrebne visoke energije i dovoljno visoke brzine jetkanja mogu postići industrijski, to neizbježno oštećuje površinu supstrata, potencijalno do dubina od desetaka mikrometara.

Nadalje, implantacija nečistoća tijekom bombardiranja česticama stvara značajne nedostatke na površini ploče i uvodi određenu razinu gustoće nečistoća.

Godine 1979. Coburn i Winters otkrili su sinergistički učinak kada se snop iona argona kombinira s protokom atoma fluora koji stvara toplinski plin XeF2, povećavajući brzinu jetkanja jer je protok miješanog plina za red veličine ili više veći od protoka proizvedenog korištenjem bilo kojeg plina pojedinačno.

Dodatno, anizotropija tijekom jetkanja održava se kroz aktivacijski učinak ionskog toka; taj se postupak naziva ionsko{0}}jetkanje ili reaktivno ionsko jetkanje (RIE).

Kasnije, u kasnim 1980-ima, tehnologija kapacitivno spregnute plazme (CCP) je sazrela i naširoko se koristila u dielektričnom jetkanju (kao što je SiO₂).

U 1990-ima, tehnologije induktivno spregnute plazme (ICP) i elektronske ciklotronske rezonancije (ECR) postupno su postale komercijalizirane. Ove su dvije tehnologije značajno poboljšale gustoću plazme i stope jetkanja, pri čemu je ICP najčešća plazma visoke-gustoće.

S daljnjim napretkom, početkom 21. stoljeća, predložena je tehnologija jetkanja atomskog sloja (ALE), koja je omogućila jetkanje -na atomskoj skali kroz korake cikličke pasivizacije i jetkanja. Kako su veličine značajki ulazile u čvorove ispod 3 nm, proces jetkanja zahtijevao je sub-nanometarsku ujednačenost i visoku selektivnost, što je dovelo do toga da se istraživanja sve više fokusiraju na optimizaciju parametara procesa pomoću strojnog učenja.

IV. Uobičajene anomalije u procesima jetkanja

Kako procesi jetkanja postaju sve sofisticiraniji, tijekom procesa jetkanja često se susreću različiti izazovi. Ovi izazovi uključuju sljedeće pojave:

1. Učinak mikrorovova

U proizvodnji mikroelektronike, pri korištenju reaktora za jetkanje plazmom visoke{0}}gustoće, značajno povećani tok iona i zrcalna refleksija visoko{1}}energetskih čestica na bočnim stijenkama maske i kanala uzrokuju fokusiranje toka na kutove kanala, što dovodi do skoka u lokaliziranim brzinama jetkanja (tj. efekt mikroudubljenja). Općenito, do efekta mikroudubljenja dolazi jer su udarni ioni gotovo okomiti na površinu ploče. U nekim slučajevima to može dovesti do skoro -spektralne refleksije od okomitih bočnih stijenki, povećavajući tok iona blizu dna elementa i tako stvarajući mikrorovove-što je neželjeni učinak.

2. Učinak izvijanja jetkanja bočnih stijenki profila

Dugotrajni-eksperimenti su provedeni na profilima jetkanja kontaktnih rupa silicijevog dioksida visokog omjera u C4F6/CH2F2/O2/Ar plazmi. Utvrđeno je da je savijanje bočne stijenke uzrokovano grlom zbog ponovnog taloženja raspršenih čestica na nagibu maske, dok je savijanje uzrokovano reflektiranim ionima na nagibu maske.

3. Učinak rezanja profila za jetkanje ispod maske

Efekt podrezivanja rezultat je izotropnog jetkanja tijekom procesa jetkanja. Izotropno jetkanje znači da je brzina jetkanja približno ista u svim smjerovima. Ovo izotropno jetkanje uzrokuje prekomjerno jetkanje dijela ispod maske; stoga se učinak potkopavanja također naziva preko-nagrizanje.

Kada je izotropna komponenta jaka, na primjer, kada se koristi SF6 s visokim sadržajem F kao sredstvo za jetkanje, opaža se profil sličan mokrom jetkanju.

To je zbog jetkanja uzrokovanog neutralnim slobodnim radikalima koji prolaze kroz kemijsku reakciju. Međutim, potkopavanje se može relativno smanjiti povećanjem vertikalne komponente. Kako bi se izbjeglo potpuno podrezivanje u tim slučajevima, potrebna je bočna zaštita. Tipično, primjena prednapona dovodi do stvaranja nusproizvoda koji pridonose ovoj zaštiti bočne stijenke, kao što je otporna erozija tijekom Al jetkanja.

Efekt podrezivanja ispod maske profila za jetkanje prikazan je na donjoj slici.

4. Jetkanje ovisno o omjeru slike (ARDE)

Aspect Ratio Dependent Etching (ARDE) ili "RIE histereza" odnosi se na fenomen u procesima plazma suhog jetkanja gdje se brzina jetkanja značajno smanjuje kako se omjer širine (dubine prema širini) urezane strukture povećava.

Ovaj fenomen posebno je izražen u strukturama visokog omjera širine i visine (kao što su duboke rupe i uski kanali), što rezultira ne-ujednačenim rezultatima jetkanja za elemente jetkanja različitih veličina ili oblika pod istim uvjetima procesa. Kako jetkanje napreduje, brzina jetkanja se smanjuje kako se omjer širine kanala povećava, ili u ekstremnim slučajevima, jetkanje prestaje.

To se događa brže u uzorcima manjih značajki, što znači da je graviranje manjih uzoraka značajki sporije kada su strukture različitih promjera urezane na istu pločicu.

Općenito, postoje mnogi glavni čimbenici koji pridonose ARDE-u: gubitak toka iona na dnu urezane strukture i smanjenje aktivnog neutralnog materijala zbog neutralnog sjenčanja i Knudsenovog transporta. S jedne strane, tok slobodnih radikala u dublje kanale ključan je za kinetiku jetkanja, dok je smanjenje sadržaja fluora na dnu kanala glavni uzrok ARDE-a. S druge strane, ARDE je rezultat transportnog fenomena. Što je veći omjer širine i visine, to je teže reaktantima doći do dna rova, a nusproizvodima je teže pobjeći. Ova stopa prijenosa mase varira s procesom jetkanja, uzrokujući smanjenje brzine jetkanja kako jetkanje napreduje.

Učinak opterećenja određen je karakteristikama sustava jetkanja i prevladava u svim reaktivnim ionskim jetkanjem. Kako bi se ublažio utjecaj ovog učinka na rezultate jetkanja, s jedne strane, potrebna je veća gustoća i ravnomjernije raspoređena plazma. S druge strane, pomoćni plinovi mogu se dodati reaktivnom plinu za razrjeđivanje i homogeniziranje plazme, performanse vakuumskog sustava mogu se poboljšati kako bi se ubrzala izmjena plazme i uklanjanje proizvoda jetkanja, a pozornost treba obratiti na uravnoteženje gustoće uzorka prilikom dizajniranja fotomaske.