Halbleiterprozesse und -ausrüstung (5/7) – Ätzprozess und -ausrüstung

Eine Einführung

Das Ätzen im Herstellungsprozess integrierter Schaltkreise ist unterteilt in:
-Nassätzen;
-Trockenätzung.

In den Anfängen war Nassätzen weit verbreitet, aber aufgrund der Einschränkungen bei der Linienbreitensteuerung und der Richtungsrichtung des Ätzens verwenden die meisten Prozesse nach 3 μm Trockenätzen. Das Nassätzen dient lediglich der Entfernung bestimmter spezieller Materialschichten und der Reinigung von Rückständen.
Unter Trockenätzen versteht man den Prozess, bei dem gasförmige chemische Ätzmittel verwendet werden, um mit Materialien auf dem Wafer zu reagieren, um den zu entfernenden Teil des Materials wegzuätzen und flüchtige Reaktionsprodukte zu bilden, die dann aus der Reaktionskammer extrahiert werden. Ätzmittel wird meist direkt oder indirekt aus dem Plasma des Ätzgases erzeugt, daher wird Trockenätzen auch Plasmaätzen genannt.

1.1 Plasma

Plasma ist ein Gas in einem schwach ionisierten Zustand, das durch Glimmentladung von Ätzgas unter der Wirkung eines externen elektromagnetischen Feldes (z. B. erzeugt durch eine Hochfrequenz-Stromversorgung) entsteht. Es umfasst Elektronen, Ionen und neutrale aktive Teilchen. Unter diesen können aktive Partikel direkt chemisch mit dem geätzten Material reagieren, um eine Ätzung zu erreichen. Diese rein chemische Reaktion tritt jedoch normalerweise nur bei einer sehr kleinen Anzahl von Materialien auf und ist nicht gerichtet. Wenn die Ionen eine bestimmte Energie haben, können sie durch direktes physikalisches Sputtern geätzt werden, allerdings ist die Ätzrate dieser rein physikalischen Reaktion extrem niedrig und die Selektivität sehr schlecht.

Die meisten Plasmaätzvorgänge werden unter gleichzeitiger Beteiligung aktiver Partikel und Ionen durchgeführt. Der Ionenbeschuss hat dabei zwei Funktionen. Eine besteht darin, die atomaren Bindungen auf der Oberfläche des geätzten Materials zu zerstören und dadurch die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der neutrale Partikel damit reagieren. Die andere besteht darin, die an der Reaktionsschnittstelle abgelagerten Reaktionsprodukte abzuschlagen, um dem Ätzmittel den vollständigen Kontakt mit der Oberfläche des geätzten Materials zu erleichtern, sodass das Ätzen fortgesetzt werden kann.

Die an den Seitenwänden der geätzten Struktur abgelagerten Reaktionsprodukte können durch gerichteten Ionenbeschuss nicht wirksam entfernt werden, wodurch das Ätzen der Seitenwände blockiert wird und eine anisotrope Ätzung entsteht.

 
Zweiter Ätzvorgang

2.1 Nassätzen und Reinigen

Nassätzen ist eine der frühesten Technologien zur Herstellung integrierter Schaltkreise. Obwohl die meisten Nassätzverfahren aufgrund der isotropen Ätzung durch anisotropes Trockenätzen ersetzt wurden, spielt es immer noch eine wichtige Rolle bei der Reinigung unkritischer Schichten größerer Größe. Insbesondere beim Ätzen von Oxidentfernungsrückständen und beim Ablösen der Epidermis ist es effektiver und wirtschaftlicher als das Trockenätzen.

Zu den Objekten des Nassätzens gehören hauptsächlich Siliziumoxid, Siliziumnitrid, einkristallines Silizium und polykristallines Silizium. Beim Nassätzen von Siliziumoxid wird üblicherweise Flusssäure (HF) als chemischer Hauptträger verwendet. Um die Selektivität zu verbessern, wird bei dem Verfahren verdünnte Flusssäure, gepuffert mit Ammoniumfluorid, verwendet. Um die Stabilität des pH-Wertes aufrechtzuerhalten, kann eine kleine Menge starker Säure oder anderer Elemente zugesetzt werden. Dotiertes Siliziumoxid korrodiert leichter als reines Siliziumoxid. Die nasschemische Entlackung wird hauptsächlich zur Entfernung von Fotolack und Hartmaske (Siliziumnitrid) eingesetzt. Heiße Phosphorsäure (H3PO4) ist die wichtigste chemische Flüssigkeit, die beim nasschemischen Strippen zur Entfernung von Siliziumnitrid verwendet wird, und weist eine gute Selektivität für Siliziumoxid auf.

Die Nassreinigung ähnelt dem Nassätzen und entfernt hauptsächlich Schadstoffe auf der Oberfläche von Siliziumwafern durch chemische Reaktionen, darunter Partikel, organische Stoffe, Metalle und Oxide. Die gängige Nassreinigung ist die nasschemische Methode. Obwohl die Trockenreinigung viele Nassreinigungsmethoden ersetzen kann, gibt es keine Methode, die die Nassreinigung vollständig ersetzen kann.

Zu den häufig verwendeten Chemikalien für die Nassreinigung gehören Schwefelsäure, Salzsäure, Flusssäure, Phosphorsäure, Wasserstoffperoxid, Ammoniumhydroxid, Ammoniumfluorid usw. In praktischen Anwendungen werden eine oder mehrere Chemikalien je nach Bedarf in einem bestimmten Verhältnis mit entionisiertem Wasser gemischt Bilden Sie eine Reinigungslösung wie SC1, SC2, DHF, BHF usw.

In diesem Prozess wird häufig vor der Oxidschichtabscheidung eine Reinigung durchgeführt, da die Herstellung der Oxidschicht auf einer absolut sauberen Siliziumwaferoberfläche durchgeführt werden muss. Der übliche Reinigungsprozess für Siliziumwafer ist wie folgt:

2.2 Trockenätzen aund Reinigung

2.2.1 Trockenätzen

Trockenätzen bezieht sich in der Industrie hauptsächlich auf Plasmaätzen, bei dem Plasma mit erhöhter Aktivität zum Ätzen bestimmter Substanzen verwendet wird. Das Ausrüstungssystem in großtechnischen Produktionsprozessen verwendet Niedertemperatur-Ungleichgewichtsplasma.
Beim Plasmaätzen werden hauptsächlich zwei Entladungsmodi verwendet: kapazitiv gekoppelte Entladung und induktiv gekoppelte Entladung

Im kapazitiv gekoppelten Entladungsmodus wird Plasma durch eine externe Hochfrequenz-Stromversorgung (RF) in zwei parallelen Plattenkondensatoren erzeugt und aufrechterhalten. Der Gasdruck beträgt normalerweise mehrere Millitorr bis mehrere zehn Millitorr und die Ionisierungsrate beträgt weniger als 10-5. Im induktiv gekoppelten Entladungsmodus: Im Allgemeinen wird das Plasma bei einem niedrigeren Gasdruck (mehrere zehn Millitorr) durch induktiv gekoppelte Eingangsenergie erzeugt und aufrechterhalten. Die Ionisationsrate beträgt üblicherweise mehr als 10-5 und wird daher auch als Plasma hoher Dichte bezeichnet. Hochdichte Plasmaquellen können auch durch Elektronenzyklotronresonanz und Zyklotronwellenentladung erhalten werden. Hochdichtes Plasma kann die Ätzrate und Selektivität des Ätzprozesses optimieren und gleichzeitig Ätzschäden reduzieren, indem der Ionenfluss und die Ionenbeschussenergie über eine externe HF- oder Mikrowellenstromversorgung und eine HF-Vorspannungsstromversorgung auf dem Substrat unabhängig gesteuert werden.

Der Trockenätzprozess läuft wie folgt ab: Das Ätzgas wird in die Vakuumreaktionskammer injiziert, und nachdem sich der Druck in der Reaktionskammer stabilisiert hat, wird das Plasma durch Hochfrequenz-Glimmentladung erzeugt; Nachdem es von Hochgeschwindigkeitselektronen getroffen wurde, zerfällt es und erzeugt freie Radikale, die an die Oberfläche des Substrats diffundieren und dort adsorbiert werden. Unter der Wirkung des Ionenbeschusses reagieren die adsorbierten freien Radikale mit Atomen oder Molekülen auf der Oberfläche des Substrats und bilden gasförmige Nebenprodukte, die aus der Reaktionskammer ausgetragen werden. Der Vorgang ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

 
Trockenätzverfahren lassen sich in die folgenden vier Kategorien einteilen:

(1)Physikalisches Sputterätzen: Es beruht hauptsächlich darauf, dass die energiereichen Ionen im Plasma die Oberfläche des geätzten Materials bombardieren. Die Anzahl der zerstäubten Atome hängt von der Energie und dem Winkel der einfallenden Teilchen ab. Bei unveränderter Energie und Winkel unterscheidet sich die Sputterrate verschiedener Materialien in der Regel nur um das Zwei- bis Dreifache, sodass keine Selektivität vorliegt. Der Reaktionsprozess ist überwiegend anisotrop.

(2)Chemisches Ätzen: Plasma liefert in der Gasphase ätzende Atome und Moleküle, die chemisch mit der Oberfläche des Materials reagieren und flüchtige Gase erzeugen. Diese rein chemische Reaktion hat eine gute Selektivität und weist isotrope Eigenschaften auf, ohne die Gitterstruktur zu berücksichtigen.

Zum Beispiel: Si (fest) + 4F → SiF4 (gasförmig), Fotolack + O (gasförmig) → CO2 (gasförmig) + H2O (gasförmig)

(3)Durch Ionenenergie angetriebenes Ätzen: Ionen sind sowohl ätzende als auch energietragende Teilchen. Die Ätzeffizienz solcher energietragenden Partikel ist um mehr als eine Größenordnung höher als die des einfachen physikalischen oder chemischen Ätzens. Dabei ist die Optimierung der physikalischen und chemischen Parameter des Prozesses der Kern der Steuerung des Ätzprozesses.

(4)Ätzen von Verbundwerkstoffen mit Ionenbarriere: Es bezieht sich hauptsächlich auf die Erzeugung einer Polymerbarriere-Schutzschicht durch Verbundpartikel während des Ätzprozesses. Plasma benötigt eine solche Schutzschicht, um die Ätzreaktion der Seitenwände während des Ätzvorgangs zu verhindern. Beispielsweise kann die Zugabe von C zum Cl- und Cl2-Ätzen während des Ätzens eine Schicht aus einer Chlorkohlenstoffverbindung erzeugen, um die Seitenwände vor dem Ätzen zu schützen.

2.2.1 Trockenreinigung
Bei der Trockenreinigung handelt es sich hauptsächlich um die Plasmareinigung. Die Ionen im Plasma werden verwendet, um die zu reinigende Oberfläche zu bombardieren, und die Atome und Moleküle im aktivierten Zustand interagieren mit der zu reinigenden Oberfläche, um so den Fotolack zu entfernen und zu veraschen. Im Gegensatz zum Trockenätzen beinhalten die Prozessparameter der Trockenreinigung normalerweise keine Richtungsselektivität, sodass das Prozessdesign relativ einfach ist. Als Hauptkörper des Reaktionsplasmas werden in großtechnischen Produktionsprozessen überwiegend fluorbasierte Gase, Sauerstoff oder Wasserstoff eingesetzt. Darüber hinaus kann die Zugabe einer bestimmten Menge Argonplasma den Ionenbeschusseffekt verstärken und dadurch die Reinigungseffizienz verbessern.

Bei der Plasma-Trockenreinigung wird üblicherweise das Remote-Plasma-Verfahren eingesetzt. Dies liegt daran, dass beim Reinigungsprozess die Bombardierungswirkung der Ionen im Plasma verringert werden soll, um den durch den Ionenbeschuss verursachten Schaden zu kontrollieren. und die verstärkte Reaktion chemischer freier Radikale kann die Reinigungseffizienz verbessern. Remote-Plasma kann mithilfe von Mikrowellen ein stabiles und hochdichtes Plasma außerhalb der Reaktionskammer erzeugen, wodurch eine große Anzahl freier Radikale erzeugt wird, die in die Reaktionskammer gelangen, um die für die Reinigung erforderliche Reaktion zu erreichen. Die meisten Trockenreinigungsgasquellen in der Industrie verwenden Gase auf Fluorbasis, wie z. B. NF3, und mehr als 99 % von NF3 werden im Mikrowellenplasma zersetzt. Beim Trockenreinigungsprozess gibt es fast keinen Ionenbeschusseffekt, daher ist es vorteilhaft, den Siliziumwafer vor Beschädigungen zu schützen und die Lebensdauer der Reaktionskammer zu verlängern.

 
Drei Nassätz- und Reinigungsgeräte

3.1 Wafer-Reinigungsmaschine vom Tanktyp
Die Wafer-Reinigungsmaschine vom Trogtyp besteht hauptsächlich aus einem nach vorne öffnenden Wafer-Transferbox-Übertragungsmodul, einem Wafer-Lade-/Entlade-Übertragungsmodul, einem Abluftansaugmodul, einem Tankmodul für chemische Flüssigkeiten, einem Tankmodul für entionisiertes Wasser und einem Trocknungstank Modul und ein Steuermodul. Es kann mehrere Kartons mit Wafern gleichzeitig reinigen und ein Ein- und Austrocknen der Wafer ermöglichen.

3.2 Trench Wafer Etcher

3.3 Ausrüstung für die Nassverarbeitung einzelner Wafer

Je nach Prozesszweck können Einzelwafer-Nassprozessanlagen in drei Kategorien unterteilt werden. Die erste Kategorie umfasst Reinigungsgeräte für einzelne Wafer, deren Reinigungsziele Partikel, organische Stoffe, natürliche Oxidschichten, Metallverunreinigungen und andere Schadstoffe umfassen. Die zweite Kategorie sind Reinigungsgeräte für einzelne Wafer, deren Hauptzweck darin besteht, Partikel auf der Oberfläche des Wafers zu entfernen. Die dritte Kategorie sind Geräte zum Ätzen einzelner Wafer, die hauptsächlich zum Entfernen dünner Schichten verwendet werden. Je nach Prozesszweck können Einzelwafer-Ätzgeräte in zwei Typen unterteilt werden. Bei der ersten Art handelt es sich um milde Ätzgeräte, die hauptsächlich zum Entfernen von Oberflächenfilmschadensschichten verwendet werden, die durch die Implantation hochenergetischer Ionen verursacht werden. Der zweite Typ sind Opferschichtentfernungsgeräte, die hauptsächlich zum Entfernen von Barriereschichten nach dem Ausdünnen des Wafers oder dem chemisch-mechanischen Polieren verwendet werden.

Aus Sicht der gesamten Maschinenarchitektur ist die Grundarchitektur aller Arten von Einzelwafer-Nassprozessanlagen ähnlich und besteht im Allgemeinen aus sechs Teilen: Hauptrahmen, Wafer-Transfersystem, Kammermodul, Modul zur Versorgung und Übertragung chemischer Flüssigkeiten, Softwaresystem und elektronisches Steuermodul.

3.4 Reinigungsausrüstung für einzelne Wafer
Die Einzelwafer-Reinigungsanlage basiert auf der traditionellen RCA-Reinigungsmethode und dient der Reinigung von Partikeln, organischen Stoffen, natürlichen Oxidschichten, Metallverunreinigungen und anderen Schadstoffen. Im Hinblick auf die Prozessanwendung werden Einzelwafer-Reinigungsgeräte derzeit häufig in den Front-End- und Back-End-Prozessen der Herstellung integrierter Schaltkreise eingesetzt, einschließlich der Reinigung vor und nach der Filmbildung, der Reinigung nach dem Plasmaätzen, der Reinigung nach der Ionenimplantation und der Reinigung nach der chemischen Reinigung mechanisches Polieren und Reinigen nach der Metallabscheidung. Mit Ausnahme des Hochtemperatur-Phosphorsäureverfahrens sind Einzelwafer-Reinigungsgeräte grundsätzlich mit allen Reinigungsverfahren kompatibel.

3.5 Ausrüstung zum Ätzen einzelner Wafer
Der Prozesszweck von Einzelwafer-Ätzgeräten ist hauptsächlich das Ätzen dünner Schichten. Je nach Prozesszweck kann es in zwei Kategorien unterteilt werden, nämlich Lichtätzgeräte (zur Entfernung der Oberflächenfilmschadensschicht, die durch die Implantation hochenergetischer Ionen verursacht wird) und Opferschichtentfernungsgeräte (zur Entfernung der Barriereschicht nach dem Wafer). Verdünnung oder chemisch-mechanisches Polieren). Zu den Materialien, die dabei entfernt werden müssen, gehören im Allgemeinen Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Metallfilmschichten.
 

Vier Trockenätz- und Reinigungsgeräte

4.1 Klassifizierung von Plasmaätzgeräten
Zusätzlich zu Ionensputtern-Ätzgeräten, die einer rein physikalischen Reaktion nahe kommen, und Entschleimungsgeräten, die einer rein chemischen Reaktion nahe kommen, kann das Plasmaätzen entsprechend den unterschiedlichen Plasmaerzeugungs- und -steuerungstechnologien grob in zwei Kategorien unterteilt werden:
-Ätzen mit kapazitiv gekoppeltem Plasma (CCP);
-Ätzen mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP).

4.1.1 CCP
Beim kapazitiv gekoppelten Plasmaätzen wird die Hochfrequenzstromversorgung mit einer oder beiden der oberen und unteren Elektroden in der Reaktionskammer verbunden, und das Plasma zwischen den beiden Platten bildet einen Kondensator in einem vereinfachten Ersatzschaltbild.

Es gibt zwei früheste Technologien dieser Art:

Eine davon ist das frühe Plasmaätzen, bei dem die HF-Stromversorgung mit der oberen Elektrode verbunden wird und die untere Elektrode, an der sich der Wafer befindet, geerdet wird. Da das auf diese Weise erzeugte Plasma keine ausreichend dicke Ionenhülle auf der Oberfläche des Wafers bildet, ist die Energie des Ionenbeschusses gering und wird normalerweise in Prozessen wie dem Ätzen von Silizium verwendet, bei denen aktive Partikel als Hauptätzmittel verwendet werden.

Das andere ist das frühe reaktive Ionenätzen (RIE), bei dem die HF-Stromversorgung mit der unteren Elektrode, an der sich der Wafer befindet, verbunden wird und die obere Elektrode mit einer größeren Fläche geerdet wird. Diese Technologie kann eine dickere Ionenhülle bilden, die für dielektrische Ätzprozesse geeignet ist, die eine höhere Ionenenergie benötigen, um an der Reaktion teilzunehmen. Auf der Grundlage des frühen reaktiven Ionenätzens wird ein DC-Magnetfeld senkrecht zum elektrischen HF-Feld hinzugefügt, um eine ExB-Drift zu erzeugen, die die Kollisionswahrscheinlichkeit von Elektronen und Gaspartikeln erhöhen und dadurch die Plasmakonzentration und Ätzrate effektiv verbessern kann. Dieses Ätzen wird als magnetfeldverstärktes reaktives Ionenätzen (MERIE) bezeichnet.

Die oben genannten drei Technologien haben einen gemeinsamen Nachteil: Die Plasmakonzentration und ihre Energie können nicht getrennt gesteuert werden. Um beispielsweise die Ätzrate zu erhöhen, kann die Methode der Erhöhung der HF-Leistung verwendet werden, um die Plasmakonzentration zu erhöhen. Die erhöhte HF-Leistung führt jedoch zwangsläufig zu einer Erhöhung der Ionenenergie, was zu Schäden an den Geräten führt die Waffel. Im letzten Jahrzehnt hat die kapazitive Kopplungstechnologie ein Design mit mehreren HF-Quellen übernommen, die jeweils mit der oberen und unteren Elektrode oder beide mit der unteren Elektrode verbunden sind.

Durch die Auswahl und Abstimmung verschiedener HF-Frequenzen werden Elektrodenfläche, Abstand, Materialien und andere Schlüsselparameter aufeinander abgestimmt, Plasmakonzentration und Ionenenergie können so weit wie möglich entkoppelt werden.

4.1.2 ICP

Beim induktiv gekoppelten Plasmaätzen werden ein oder mehrere Spulensätze, die mit einer Hochfrequenzstromversorgung verbunden sind, auf oder um die Reaktionskammer herum platziert. Das durch den Hochfrequenzstrom in der Spule erzeugte magnetische Wechselfeld gelangt durch das dielektrische Fenster in die Reaktionskammer, um die Elektronen zu beschleunigen und dadurch Plasma zu erzeugen. In einem vereinfachten Ersatzschaltbild (Transformator) ist die Spule die Induktivität der Primärwicklung und das Plasma die Induktivität der Sekundärwicklung.

Mit dieser Kopplungsmethode kann eine Plasmakonzentration erreicht werden, die um mehr als eine Größenordnung höher ist als die kapazitive Kopplung bei niedrigem Druck. Darüber hinaus ist die zweite HF-Stromversorgung als Vorspannungsversorgung an die Stelle des Wafers angeschlossen, um Ionenbeschussenergie bereitzustellen. Daher hängt die Ionenkonzentration von der Quellenstromversorgung der Spule und die Ionenenergie von der Vorstromversorgung ab, wodurch eine gründlichere Entkopplung von Konzentration und Energie erreicht wird.

4.2 Plasmaätzgeräte
Fast alle Ätzmittel beim Trockenätzen werden direkt oder indirekt aus Plasma erzeugt, daher wird Trockenätzen oft als Plasmaätzen bezeichnet. Plasmaätzen ist eine Art Plasmaätzen im weitesten Sinne. Bei den beiden frühen Flachplattenreaktorkonstruktionen besteht die eine darin, die Platte dort zu erden, wo sich der Wafer befindet, und die andere Platte ist mit der HF-Quelle verbunden. das andere ist das Gegenteil. Bei ersterem Design ist die Fläche der geerdeten Platte normalerweise größer als die Fläche der Platte, die mit der HF-Quelle verbunden ist, und der Gasdruck im Reaktor ist hoch. Die auf der Oberfläche des Wafers gebildete Ionenhülle ist sehr dünn und der Wafer scheint in Plasma „eingetaucht“ zu sein. Das Ätzen erfolgt hauptsächlich durch die chemische Reaktion zwischen den aktiven Partikeln im Plasma und der Oberfläche des geätzten Materials. Die Energie des Ionenbeschusses ist sehr gering und seine Beteiligung am Ätzen ist sehr gering. Dieses Design wird als Plasmaätzmodus bezeichnet. In einem anderen Design wird es als reaktiver Ionenätzmodus bezeichnet, da der Grad der Beteiligung des Ionenbeschusses relativ groß ist.

4.3 Ausrüstung für reaktives Ionenätzen

Unter reaktivem Ionenätzen (RIE) versteht man einen Ätzprozess, bei dem gleichzeitig aktive Partikel und geladene Ionen am Prozess beteiligt sind. Unter diesen sind aktive Partikel hauptsächlich neutrale Partikel (auch als freie Radikale bekannt) mit einer hohen Konzentration (etwa 1 % bis 10 % der Gaskonzentration), die die Hauptbestandteile des Ätzmittels sind. Die durch die chemische Reaktion zwischen ihnen und dem geätzten Material entstehenden Produkte verflüchtigen sich und werden direkt aus der Reaktionskammer extrahiert oder sammeln sich auf der geätzten Oberfläche an; Während die geladenen Ionen eine geringere Konzentration aufweisen (10-4 bis 10-3 der Gaskonzentration), werden sie durch das elektrische Feld der auf der Oberfläche des Wafers gebildeten Ionenhülle beschleunigt, um die geätzte Oberfläche zu bombardieren. Es gibt zwei Hauptfunktionen geladener Teilchen. Die eine besteht darin, die atomare Struktur des geätzten Materials zu zerstören und dadurch die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der die aktiven Partikel damit reagieren. Die andere besteht darin, die angesammelten Reaktionsprodukte zu bombardieren und zu entfernen, sodass das geätzte Material vollständig mit den aktiven Partikeln in Kontakt kommt und der Ätzvorgang fortgesetzt wird.

Da Ionen nicht direkt an der Ätzreaktion beteiligt sind (oder nur einen sehr geringen Anteil ausmachen, wie z. B. bei der physikalischen Bombardierungsentfernung und dem direkten chemischen Ätzen aktiver Ionen), sollte der obige Ätzprozess streng genommen als ionenunterstütztes Ätzen bezeichnet werden. Der Name reaktives Ionenätzen ist nicht korrekt, wird aber auch heute noch verwendet. Die früheste RIE-Ausrüstung wurde in den 1980er Jahren eingesetzt. Aufgrund der Verwendung einer einzigen HF-Stromversorgung und eines relativ einfachen Reaktionskammerdesigns gibt es Einschränkungen hinsichtlich der Ätzrate, Gleichmäßigkeit und Selektivität.

4.4 Ausrüstung für magnetfeldverstärktes reaktives Ionenätzen

Das MERIE-Gerät (Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching) ist ein Ätzgerät, das durch Hinzufügen eines Gleichstrommagnetfelds zu einem RIE-Flachbildschirmgerät aufgebaut wird und die Ätzrate erhöhen soll.

MERIE-Geräte wurden in den 1990er Jahren in großem Umfang eingesetzt, als Geräte zum Ätzen einzelner Wafer zur Standardausrüstung in der Branche geworden waren. Der größte Nachteil von MERIE-Geräten besteht darin, dass die durch das Magnetfeld verursachte räumliche Inhomogenität der Plasmakonzentration zu Strom- oder Spannungsunterschieden im integrierten Schaltkreisgerät führt und dadurch Geräteschäden verursacht. Da dieser Schaden durch eine momentane Inhomogenität verursacht wird, kann die Rotation des Magnetfelds ihn nicht beseitigen. Da die Größe integrierter Schaltkreise immer kleiner wird, reagieren ihre Geräteschäden immer empfindlicher auf Plasmainhomogenität, und die Technologie zur Erhöhung der Ätzrate durch Verstärkung des Magnetfelds wurde nach und nach durch die Technologie des planaren reaktiven Ionenätzens mit mehreren HF-Stromversorgungen ersetzt ist die kapazitiv gekoppelte Plasmaätztechnologie.

4.5 Kapazitiv gekoppelte Plasmaätzgeräte

Ätzgeräte mit kapazitiv gekoppeltem Plasma (CCP) sind Geräte, die durch kapazitive Kopplung durch Anlegen einer Hochfrequenz- (oder Gleichstrom-)Stromversorgung an die Elektrodenplatte Plasma in einer Reaktionskammer erzeugen und zum Ätzen verwendet werden. Sein Ätzprinzip ähnelt dem reaktiver Ionenätzgeräte.

Das vereinfachte schematische Diagramm der CCP-Ätzausrüstung ist unten dargestellt. Im Allgemeinen werden zwei oder drei HF-Quellen unterschiedlicher Frequenz verwendet, einige verwenden auch Gleichstromversorgungen. Die Frequenz der HF-Stromversorgung beträgt 800 kHz bis 162 MHz, und die am häufigsten verwendeten Frequenzen sind 2 MHz, 4 MHz, 13 MHz, 27 MHz, 40 MHz und 60 MHz. HF-Stromversorgungen mit einer Frequenz von 2 MHz oder 4 MHz werden üblicherweise als niederfrequente HF-Quellen bezeichnet. Sie werden im Allgemeinen mit der unteren Elektrode verbunden, auf der sich der Wafer befindet. Sie steuern die Ionenenergie effektiver und werden daher auch als Bias-Stromversorgungen bezeichnet. HF-Stromversorgungen mit einer Frequenz über 27 MHz werden als Hochfrequenz-HF-Quellen bezeichnet. Sie können entweder an die obere oder die untere Elektrode angeschlossen werden. Sie kontrollieren die Plasmakonzentration wirksamer und werden daher auch als Quellenstromversorgungen bezeichnet. Das 13-MHz-HF-Netzteil liegt im Mittelfeld und hat im Allgemeinen beide oben genannten Funktionen, ist jedoch relativ schwächer. Beachten Sie, dass Plasmakonzentration und -energie zwar innerhalb eines bestimmten Bereichs durch die Leistung von HF-Quellen unterschiedlicher Frequenz eingestellt werden können (der sogenannte Entkopplungseffekt), aufgrund der Eigenschaften der kapazitiven Kopplung jedoch nicht völlig unabhängig voneinander eingestellt und gesteuert werden können.

Die Energieverteilung von Ionen hat einen erheblichen Einfluss auf die detaillierte Leistung des Ätzens und auf Geräteschäden. Daher ist die Entwicklung von Technologien zur Optimierung der Ionenenergieverteilung zu einem der Schlüsselpunkte fortschrittlicher Ätzgeräte geworden. Zu den Technologien, die derzeit erfolgreich in der Produktion eingesetzt werden, gehören Multi-RF-Hybridantrieb, DC-Überlagerung, RF kombiniert mit DC-Pulsvorspannung und synchroner gepulster RF-Ausgang von Bias-Stromversorgung und Quellenstromversorgung.

CCP-Ätzgeräte sind eine der beiden am häufigsten verwendeten Arten von Plasmaätzgeräten. Es wird hauptsächlich im Ätzprozess von dielektrischen Materialien verwendet, wie zum Beispiel beim Ätzen von Gate-Seitenwänden und Hartmasken in der vorderen Phase des Logikchip-Prozesses, beim Ätzen von Kontaktlöchern in der mittleren Phase, beim Ätzen von Mosaiken und Aluminiumpads in der hinteren Phase Ätzen von tiefen Gräben, tiefen Löchern und Verdrahtungskontaktlöchern im 3D-Flash-Speicherchip-Prozess (am Beispiel einer Siliziumnitrid-/Siliziumoxidstruktur).

Es gibt zwei Hauptherausforderungen und Verbesserungsrichtungen für CCP-Ätzgeräte. Erstens ist bei der Anwendung extrem hoher Ionenenergie die Ätzfähigkeit von Strukturen mit hohem Seitenverhältnis erforderlich (z. B. das Loch- und Rillenätzen von 3D-Flash-Speichern erfordert ein Verhältnis von mehr als 50:1). Bei der aktuellen Methode zur Erhöhung der Vorspannungsleistung zur Steigerung der Ionenenergie wurden HF-Stromversorgungen mit bis zu 10.000 Watt verwendet. Angesichts der großen erzeugten Wärmemenge muss die Kühl- und Temperiertechnik der Reaktionskammer kontinuierlich verbessert werden. Zweitens muss es einen Durchbruch bei der Entwicklung neuer Ätzgase geben, um das Problem der Ätzfähigkeit grundsätzlich zu lösen.

4.6 Induktiv gekoppelte Plasmaätzgeräte

Ätzgeräte mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) sind Geräte, die die Energie einer Hochfrequenz-Stromquelle in Form eines Magnetfelds über eine Induktorspule in eine Reaktionskammer einkoppeln und so Plasma zum Ätzen erzeugen. Sein Ätzprinzip gehört ebenfalls zum verallgemeinerten reaktiven Ionenätzen.

Es gibt zwei Haupttypen von Plasmaquellendesigns für ICP-Ätzgeräte. Eine davon ist die von Lam Research entwickelte und produzierte transformatorgekoppelte Plasmatechnologie (TCP). Seine Induktorspule ist auf der dielektrischen Fensterebene über der Reaktionskammer platziert. Das 13,56-MHz-HF-Signal erzeugt in der Spule ein magnetisches Wechselfeld, das senkrecht zum dielektrischen Fenster verläuft und mit der Spulenachse als Mittelpunkt radial divergiert.

Das Magnetfeld tritt durch das dielektrische Fenster in die Reaktionskammer ein, und das magnetische Wechselfeld erzeugt ein elektrisches Wechselfeld parallel zum dielektrischen Fenster in der Reaktionskammer, wodurch die Dissoziation des Ätzgases und die Erzeugung von Plasma erreicht werden. Da sich dieses Prinzip als Transformator mit einer Induktorspule als Primärwicklung und dem Plasma in der Reaktionskammer als Sekundärwicklung verstehen lässt, ist das ICP-Ätzen nach diesem Prinzip benannt.

Der Hauptvorteil der TCP-Technologie besteht darin, dass die Struktur leicht skalierbar ist. Beispielsweise kann TCP von einem 200-mm-Wafer bis zu einem 300-mm-Wafer den gleichen Ätzeffekt beibehalten, indem einfach die Größe der Spule vergrößert wird.

Ein weiteres Plasmaquellendesign ist die entkoppelte Plasmaquellentechnologie (DPS), die von Applied Materials, Inc. aus den USA entwickelt und hergestellt wird. Seine Induktorspule ist dreidimensional auf ein halbkugelförmiges dielektrisches Fenster gewickelt. Das Prinzip der Plasmaerzeugung ähnelt der oben genannten TCP-Technologie, jedoch ist die Gasdissoziationseffizienz relativ hoch, was der Erzielung einer höheren Plasmakonzentration förderlich ist.

Da die Effizienz der induktiven Kopplung zur Plasmaerzeugung höher ist als die der kapazitiven Kopplung und das Plasma hauptsächlich in der Nähe des dielektrischen Fensters erzeugt wird, wird seine Plasmakonzentration im Wesentlichen durch die Leistung der an den Induktor angeschlossenen Quellenstromversorgung bestimmt Spule, und die Ionenenergie in der Ionenhülle auf der Oberfläche des Wafers wird im Wesentlichen durch die Leistung der Vorspannungsversorgung bestimmt, sodass die Konzentration und Energie der Ionen unabhängig gesteuert werden können, wodurch eine Entkopplung erreicht wird.

ICP-Ätzgeräte sind eine der beiden am häufigsten verwendeten Arten von Plasmaätzgeräten. Es wird hauptsächlich zum Ätzen von flachen Siliziumgräben, Germanium (Ge), Polysilizium-Gate-Strukturen, Metall-Gate-Strukturen, gespanntem Silizium (Strained-Si), Metalldrähten, Metallpads (Pads), Mosaikätzung von Metallhartmasken und mehreren Prozessen verwendet Mehrfachbildgebungstechnologie.

Darüber hinaus kommt es mit dem Aufkommen dreidimensionaler integrierter Schaltkreise, CMOS-Bildsensoren und mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) sowie der rasanten Zunahme der Anwendung von Through Silicon Vias (TSV), großen Schräglöchern usw Für das tiefe Ätzen von Silizium mit unterschiedlichen Morphologien haben viele Hersteller Ätzgeräte auf den Markt gebracht, die speziell für diese Anwendungen entwickelt wurden. Zu seinen Merkmalen gehört eine große Ätztiefe (mehrere zehn oder sogar Hunderte von Mikrometern), sodass es hauptsächlich unter Bedingungen mit hohem Gasfluss, hohem Druck und hoher Leistung funktioniert.

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