Halfgeleider-etsprocestechnologie

Etsen, of etsen, is een cruciale stap in de productie van halfgeleiders, IC-productie van micro-elektronica en micro-/nano-productieprocessen. Het is een primair patroonvormingsproces dat verband houdt met fotolithografie. In engere zin is etsen in wezen fotolithografisch etsen, waarbij fotoresist eerst wordt belicht met behulp van fotolithografie en vervolgens andere methoden worden gebruikt om het ongewenste materiaal weg te etsen. Etsen is het proces waarbij ongewenst materiaal selectief van het oppervlak van een siliciumwafel wordt verwijderd met behulp van chemische of fysische methoden. Het basisdoel is om het maskerpatroon op de gecoate siliciumwafel nauwkeurig te repliceren. Met de ontwikkeling van microfabricageprocessen is etsen in grote lijnen een algemene term geworden voor het strippen en verwijderen van materiaal met behulp van oplossingen, reactieve ionen of andere mechanische methoden, en is het een gebruikelijke term geworden bij microfabricage.

Etsen kan grofweg in twee soorten worden onderverdeeld: nat etsen en droog etsen. Bij droog etsen wordt het gas geëxciteerd bij hoge frequenties (voornamelijk 13,56 MHz of 2,45 GHz). Onder een druk van 1 tot 100 Pa varieert het gemiddelde vrije pad van enkele millimeters tot enkele centimeters. Er zijn drie hoofdtypen droogetsen:

• Fysiek droog etsen: Versnelt de fysieke slijtage van deeltjes op het waferoppervlak;

• Chemisch droog etsen: het gas reageert chemisch met het waferoppervlak;

• Chemisch-fysisch droogetsen: een fysisch etsproces met chemische eigenschappen;

1. Ionenbundeletsen

Ionenbundeletsen is een fysiek droog etsproces. Argonionen worden op het oppervlak gestraald in een ionenbundel van ongeveer 1 tot 3 keV. Door de energie van de ionen bombarderen ze het oppervlaktemateriaal. De wafer wordt verticaal of onder een hoek in de ionenbundel gestoken en het etsproces is absoluut anisotroop. De selectiviteit is laag omdat er geen onderscheid wordt gemaakt tussen lagen. Het gas en het gepolijste materiaal worden door een vacuümpomp verdreven; Omdat de reactieproducten echter niet gasvormig zijn, kunnen deeltjes zich op de wafer- of kamerwanden afzetten.

Om deze deeltjes te vermijden, wordt een tweede gas in de kamer gebracht. Dit gas reageert met argonionen, waardoor een fysisch-chemisch etsproces wordt geïnduceerd. Een deel van het gas reageert met het oppervlak, maar een ander deel reageert met de gepolijste deeltjes en vormt gasvormige bijproducten. Met deze methode kunnen vrijwel alle materialen worden geëtst. Door verticale straling is de slijtage aan de verticale wanden zeer laag (hoge anisotropie). Vanwege de lage selectiviteit en de lage etssnelheid wordt dit proces echter zelden gebruikt in de moderne halfgeleiderproductie.

2. Plasma-etsen

Plasma-etsen is een absoluut chemisch etsproces (chemisch droog etsen). Het voordeel is dat het wafeloppervlak niet wordt beschadigd door versnelde ionen. Door de beweegbare deeltjes van het etsgas is het etsprofiel isotroop, waardoor deze werkwijze geschikt is voor het verwijderen van gehele filmlagen (bijvoorbeeld achterzijdereiniging na thermische oxidatie).

Eén type reactor dat wordt gebruikt voor plasma-etsen is een stroomafwaartse reactor. Het plasma wordt ontstoken met een hoge frequentie van 2,45 GHz door impactionisatie, en de impactionisatieplaats scheidt zich van de wafer.

In het gasontladingsgebied zijn door de impact diverse deeltjes aanwezig, waaronder vrije radicalen. Vrije radicalen zijn neutrale atomen of moleculen met onverzadigde elektronen en zijn daarom zeer reactief. Als neutraal gas wordt tetrafluormethaan (CF4) in het gasontladingsgebied geïntroduceerd en scheidt het zich in CF2- en fluormoleculen (F2). Op dezelfde manier kan fluor worden gescheiden van CF4 door zuurstof (O2) toe te voegen:

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

Het fluormolecuul kan door de energie in het gasontladingsgebied in twee afzonderlijke fluoratomen worden gesplitst: elk fluoratoom is een vrije fluorradicaal, aangezien elk atoom zeven valentie-elektronen heeft en een inerte gasconfiguratie beoogt. Naast de neutrale vrije radicalen zijn er verschillende gedeeltelijk geladen deeltjes (CF+4, CF+3, CF+2, ...). Alle deeltjes, vrije radicalen etc. komen vervolgens via een keramische buis de etskamer binnen. Geladen deeltjes kunnen door een extractierooster uit de etskamer worden geblokkeerd of tijdens de vorming van neutrale moleculen opnieuw worden gecombineerd. Fluorradicalen recombineren ook gedeeltelijk, maar voldoende om de etskamer te bereiken, op het waferoppervlak te reageren en chemische slijtage te veroorzaken. Andere neutrale deeltjes maken geen deel uit van het etsproces en worden samen met de reactieproducten uitgeput.

Voorbeelden van dunne films die kunnen worden geëtst bij plasma-etsen: • Silicium: Si + 4F ---> SiF4 • Siliciumdioxide: SiO2 + 4F ---> SiF4 + O2 • Siliciumnitride: Si3N4 + 12F ---> 3SiF4 + 2N2 3. Kenmerken van reactief ionenetsen (RIE): selectiviteit, etsprofiel, etssnelheid, uniformiteit en herhaalbaarheid kunnen allemaal worden geregeld zeer nauwkeurig bij reactief ionenetsen. Zowel isotrope etsprofielen als anisotrope etsprofielen zijn mogelijk. Daarom is RIE een chemisch-fysisch etsproces en het belangrijkste proces bij de productie van halfgeleiders voor het construeren van een grote verscheidenheid aan dunne films. In de proceskamer wordt de wafer op een hoogfrequente elektrode (HF-elektrode) geplaatst. Plasma wordt gegenereerd door impactionisatie, waarbij vrije elektronen en positief geladen ionen verschijnen. Als de HF-elektrode een positieve spanning heeft, hopen zich vrije elektronen op en kunnen ze de elektrode niet meer verlaten vanwege hun elektronenaffiniteit. Daarom wordt de elektrode opgeladen tot -1000 V (voorspanning). Langzame ionen die het snel wisselende veld niet kunnen volgen, bewegen zich naar de negatief geladen elektrode.

Als het gemiddelde vrije pad van de ionen hoog is, bombarderen de deeltjes het wafeloppervlak onder bijna loodrechte hoeken. Het materiaal wordt dus van het oppervlak uitgestoten door versnelde ionen (fysisch etsen), en sommige deeltjes reageren ook chemisch met het oppervlak. Laterale zijwanden worden niet aangetast, waardoor er geen slijtage ontstaat en het etsprofiel anisotroop blijft. De selectiviteit is niet te klein, maar ook niet te groot vanwege het fysieke etsproces. Bovendien wordt het wafeloppervlak beschadigd door versnelde ionen en moet het worden uitgehard door thermisch uitgloeien. Het chemische deel van het etsproces wordt tot stand gebracht door de reactie van vrije radicalen met het oppervlak en het materiaal dat fysiek wordt gemalen, zodat het niet opnieuw wordt afgezet op de wafer of kamerwanden zoals bij ionenstraaletsen. Door het verhogen van de druk in de etskamer neemt de gemiddelde vrije weg van de deeltjes af. Daarom zijn er meer botsingen en reizen de deeltjes in verschillende richtingen. Dit resulteert in minder gericht etsen en het etsproces krijgt meer chemische eigenschappen. Verhoogde selectiviteit resulteert in een meer isotroop etsprofiel. Anisotrope etsprofielen worden bereikt door passivatie van de zijwanden tijdens het etsen van silicium. Zuurstof in de etskamer reageert met het gemalen silicium en vormt siliciumdioxide, dat zich op de verticale zijwanden afzet. De oxidefilm op de horizontale gebieden wordt verwijderd als gevolg van ionenbombardement, waardoor het laterale etsproces kan worden voortgezet.

De etssnelheid is afhankelijk van de druk, het vermogen van de hoogfrequente generator, het procesgas, de werkelijke gasstroomsnelheid en de wafertemperatuur. Anisotropie neemt toe met toenemend hoogfrequent vermogen, afnemende druk en afnemende temperatuur. De uniformiteit van het etsproces is afhankelijk van het gas, de afstand tussen de twee elektroden en het elektrodemateriaal. Als de afstand te klein is, kan het plasma niet gelijkmatig worden verspreid, wat resulteert in inhomogeniteit. Het vergroten van de elektrodeafstand vermindert de etssnelheid omdat het plasma over een vergroot volume wordt verdeeld. Voor elektroden is koolstof het voorkeursmateriaal gebleken. Omdat fluor en chloor ook koolstof aantasten, produceren de elektroden een uniform gespannen plasma, waardoor de randen van de wafel op dezelfde manier worden beïnvloed als het midden van de wafel.

Selectiviteit en etssnelheid zijn sterk afhankelijk van het procesgas. Voor silicium en siliciumverbindingen worden voornamelijk fluor en chloor gebruikt.

Etsprocessen zijn niet beperkt tot een enkel gas, gasmengsel of vaste procesparameters. Natuurlijke oxiden op polysilicium kunnen bijvoorbeeld eerst met een hoge etssnelheid en met lage selectiviteit worden verwijderd, gevolgd door etsen van het polysilicium met hogere selectiviteit ten opzichte van de onderliggende lagen.

Semicorex biedt diverseSiC-componententijdens het etsproces. Als u vragen heeft of aanvullende informatie nodig heeft, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Neem contact op met telefoonnummer +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com