Розуміння технології сухого травлення в напівпровідниковій промисловості

Травлення відноситься до техніки вибіркового видалення матеріалу за допомогою фізичних або хімічних засобів для досягнення розроблених структурних візерунків.

Зараз у багатьох напівпровідникових пристроях використовуються меза-структури, які переважно створюються двома типами травлення:вологе травлення і сухе травлення. Хоча просте та швидке вологе травлення відіграє важливу роль у виготовленні напівпровідникових пристроїв, воно має властиві недоліки, такі як ізотропне травлення та погана однорідність, що призводить до обмеженого контролю під час передачі малюнків малого розміру. Однак сухе травлення з його високою анізотропією, хорошою однорідністю та повторюваністю стало помітним у процесах виготовлення напівпровідникових пристроїв. Термін «сухе травлення» в широкому сенсі стосується будь-якої технології немокрого травлення, яка використовується для видалення поверхневих матеріалів і перенесення мікро- та наноматеріалів, включаючи лазерне травлення, плазмове травлення та хімічне травлення парами. Сухе травлення, яке обговорюється в цьому тексті, конкретно стосується вузького застосування процесів із використанням плазмового розряду — фізичного чи хімічного — для модифікації поверхонь матеріалу. Він охоплює кілька поширених промислових технологій травлення, в тому числіІонно-променеве травлення (IBE), реактивне іонне травлення (RIE), плазмове травлення електронним циклотронним резонансом (ECR) і травлення індуктивно-зв’язаною плазмою (ICP).

1. Іонно-променеве травлення (IBE)

Також відомий як іонний подрібнення, IBE був розроблений у 1970-х роках як чисто фізичний метод травлення. Процес включає пучки іонів, створені з інертних газів (наприклад, Ar, Xe), які прискорюються напругою для бомбардування поверхні цільового матеріалу. Іони передають енергію поверхневим атомам, змушуючи ті, енергія яких перевищує їх енергію зв’язку, розпорошуватися. Ця техніка використовує прискорену напругу для керування напрямком і енергією іонного пучка, що забезпечує чудову анізотропію травлення та контроль швидкості. Незважаючи на те, що він ідеально підходить для травлення хімічно стійких матеріалів, таких як кераміка та певні метали, потреба в більш товстих масках для більш глибокого травлення може поставити під загрозу точність травлення, а бомбардування високоенергетичними іонами може спричинити неминучі електричні пошкодження через порушення решітки.

2. Реактивне іонне травлення (RIE)

Розроблений на основі IBE, RIE поєднує хімічні реакції з фізичним іонним бомбардуванням. Порівняно з IBE, RIE пропонує вищі швидкості травлення та чудову анізотропію та однорідність на великих площах, що робить його одним із найбільш широко використовуваних методів травлення в мікро- та нано-виробництві. Процес включає застосування радіочастотної (ВЧ) напруги до паралельних пластинчастих електродів, що змушує електрони в камері прискорюватися та іонізувати реакційні гази, що призводить до стабільного стану плазми на одній стороні пластин. Плазма несе позитивний потенціал через те, що електрони притягуються до катода та заземлюються на аноді, таким чином створюючи електричне поле в камері. Позитивно заряджена плазма прискорюється до пов’язаної з катодом підкладки, ефективно її травлячи.

Під час процесу травлення в камері підтримується низький тиск середовища (0,1~10 Па), що підвищує швидкість іонізації реакційних газів і прискорює процес хімічної реакції на поверхні підкладки. Як правило, процес RIE вимагає, щоб побічні продукти реакції були леткими, щоб їх ефективно видаляли вакуумною системою, забезпечуючи високу точність травлення. Рівень радіочастотної потужності безпосередньо визначає щільність плазми та напругу зміщення прискорення, тим самим контролюючи швидкість травлення. Однак, збільшуючи густину плазми, RIE також збільшує напругу зміщення, що може спричинити пошкодження решітки та зменшити селективність маски, створюючи обмеження для застосування травлення. Зі швидким розвитком великомасштабних інтегральних схем і зменшенням розміру транзисторів зріс попит на точність і співвідношення сторін у мікро- та нанофабриках, що призвело до появи технологій сухого травлення на основі плазми високої щільності, що забезпечує нові можливості для розвитку електронних інформаційних технологій.

3. Плазмове травлення електронним циклотронним резонансом (ECR).

Технологія ECR, ранній метод досягнення плазми високої щільності, використовує мікрохвильову енергію для резонансу з електронами всередині камери, посилену зовнішнім магнітним полем із узгодженою частотою для індукції електронного циклотронного резонансу. Цей метод забезпечує значно вищу щільність плазми, ніж RIE, підвищуючи швидкість травлення та вибірковість маски, таким чином полегшуючи травлення структур із надвисоким співвідношенням сторін. Однак складність системи, яка ґрунтується на скоординованій роботі джерел мікрохвиль, джерел РЧ і магнітних полів, створює труднощі для експлуатації. Невдовзі з’явилося травлення з індуктивно зв’язаною плазмою (ICP) як спрощення порівняно з ECR.

4. Індуктивно зв'язана плазма (ІСП) травлення

Технологія травлення ICP спрощує систему, засновану на технології ECR, використовуючи два радіочастотних джерела 13,56 МГц для керування генерацією плазми та напругою зміщення прискорення. Замість зовнішнього магнітного поля, що використовується в ECR, спіральна котушка індукує змінне електромагнітне поле, як показано на схемі. Радіочастотні джерела передають енергію через електромагнітний зв’язок внутрішнім електронам, які рухаються в циклотронному русі в індукованому полі, стикаючись із реакційними газами, викликаючи іонізацію. Ця установка забезпечує щільність плазми, порівнянну з ECR. Травлення ICP поєднує в собі переваги різних систем травлення, задовольняючи потреби у високій швидкості травлення, високій вибірковості, однорідності на великій площі та простій керованій структурі обладнання, таким чином швидко стаючи кращим вибором для нового покоління технологій плазмового травлення високої щільності .

5. Характеристики сухого травлення

Технологія сухого травлення швидко зайняла провідну позицію в мікро- та нанофабриках завдяки чудовій анізотропії та високій швидкості травлення, замінивши вологе травлення. Критерії для оцінки хорошої технології сухого травлення включають вибірковість маски, анізотропію, швидкість травлення, загальну однорідність і гладкість поверхні від пошкодження решітки. З багатьма критеріями оцінки конкретну ситуацію необхідно враховувати на основі потреб виготовлення. Найбільш прямими показниками сухого травлення є морфологія поверхні, включаючи площинність витравленої підлоги та бічних стінок, а також анізотропію витравлених терас, якими можна керувати, регулюючи співвідношення хімічних реакцій до фізичного бомбардування. Мікроскопічна характеристика після травлення зазвичай виконується за допомогою скануючої електронної мікроскопії та атомно-силової мікроскопії. Селективність маски, яка є співвідношенням глибини травлення маски до глибини травлення матеріалу за тих самих умов травлення та часу, є вирішальною. Як правило, чим вища селективність, тим краща точність передачі шаблону. Звичайні маски, що використовуються при ICP травленні, включають фоторезист, метали та діелектричні плівки. Фоторезист має низьку селективність і може руйнуватися під впливом високих температур або енергійного бомбардування; метали забезпечують високу селективність, але створюють проблеми при видаленні маски та часто вимагають багатошарових методів маскування. Крім того, металеві маски можуть прилипати до бічних стінок під час травлення, утворюючи шляхи витоку. Тому вибір відповідної технології маски особливо важливий для травлення, а вибір матеріалів маски повинен визначатися на основі конкретних вимог до продуктивності пристроїв.**