Vodnik po tehnologiji jedkanja polprevodnikov in pogostih okvarah

I. Uvod v proizvodne procese integriranih vezij

Proizvodni proces integriranih vezij vključuje številne tehnološke korake in jedkanje je eden od teh korakov. To je temeljna tehnologija na področju mikroelektronike, ki vključuje selektivno odstranjevanje tankih filmov na ali na polprevodniškem substratu v skladu z vnaprej-definiranim vzorcem ali zasnovo maske.

Jedkanje se običajno uporablja za selektivno jedkanje in odstranjevanje tankih filmov s polprevodniških substratov ali površinskih premazov in se pogosto kombinira s fotolitografijo in postopki nanašanja, da se doseže prenos vzorca.

Tehnologije plazemskega jedkanja in nanašanja so postale glavne metode jedkanja zaradi nenehnega izboljševanja natančnosti postopka. Pri izdelavi čipov fotolitografija in postopki jedkanja/nanašanja delujejo v preprosti zanki, ki se ponavlja, dokler niso dosežene želene strukture in idealne zahteve glede natančnosti.

Poenostavljen opis postopka jedkanja je naslednji: Najprej se na strukturo substrata nanese tanek film z vzorcem. Ta odložen film se na splošno imenuje maska. Nato je prekrita s fotoobčutljivim materialom, imenovanim fotorezist, in izpostavljena svetlobi z vzorčasto fotomasko. Ta korak se imenuje izpostavljenost.

Fotoreziste lahko na splošno razvrstimo v dve vrsti: pozitivne fotoreziste in negativne fotoreziste. Pozitivni fotorezisti nudijo prednosti, kot sta visoko prepoznavanje vzorcev in fleksibilnost obdelave, kar omogoča prenos vzorcev z manjšimi velikostmi funkcij v vozliščih napredne tehnologije. Vendar pa je njihova odpornost proti koroziji razmeroma slaba in njihova sposobnost zaščite osnovnega materiala med nadaljnjimi postopki, kot je jedkanje, ni tako dobra kot negativni fotorezisti.

Po drugi strani pa negativni fotorezisti nudijo boljšo odpornost proti koroziji in so primerni za aplikacije, ki zahtevajo debelejšo plast fotorezista za zaščito osnovnega materiala. V večini praktičnih postopkov jedkanja se kot material za zaščitno masko izberejo negativni fotorezisti.

[Slika] Nato se rezina potopi v raztopino za razvijanje, da se odstranijo izpostavljeni deli fotorezista. Nato neosvetljene dele fotorezista prenesemo na masko in tako oblikujemo želeni vzorec. Ta proces se imenuje razvoj.

Neosvetljeni deli fotorezista so vgravirani s kemičnimi reakcijami, fizičnim obstreljevanjem ali kombinacijo obojega. Po jedkanju se fotorezist odstrani, tako da ostane tanek film s prikazanim vzorcem. Zgornji postopek v grobem opisuje postopek prenosa funkcij. Ti koraki se med izdelavo naprave večkrat ponovijo, da se oblikuje struktura naprave, ki izpolnjuje posebne zahteve. Zato lahko rečemo, da sofisticiranost postopka jedkanja v določeni meri določa zmogljivost naprave. V primerjavi s tradicionalnimi metodami jedkanja nudi plazemsko jedkanje boljšo anizotropijo, nižjo energijsko škodo, večjo fleksibilnost, ponovljivost, višje stopnje jedkanja in večjo možnost nadzora.

II. Mokro jedkanje

Mokro jedkanje se pogosto uporablja na področju integriranih vezij. V bistvu gre za povsem kemični reakcijski proces. Uporablja tekoče kemične reagente (ali jedkala), da reagirajo z materialom, ki ga jedkamo, in tvorijo v vodi{2}}topne stranske produkte reakcije, ki odstranijo neželen material.

Te kemične reakcije običajno temeljijo na redoks reakcijah, kislinsko-bazičnih nevtralizacijskih reakcijah itd.

Na primer, pri mokrem jedkanju silicija je običajno uporabljeno jedkalo mešanica fluorovodikove kisline (HF) in dušikove kisline (HNO3). Dušikova kislina deluje kot oksidant in oksidira silicij v silicijev dioksid, medtem ko fluorovodikova kislina reagira s silicijevim dioksidom in tvori v vodi-topno heksafluorosilicijevo kislino (H₂SiF₆), s čimer doseže učinek jedkanja.

[Slika] Če pogledamo zgodovino postopkov jedkanja, je bila najzgodnejša uporabljena tehnika mokro jedkanje, sprva predvsem za čiščenje in preprosto jedkanje površin silicijevih rezin. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja je kemična obdelava silicijevih rezin pokazala odvisnost od orientacije in koncentracije. Na tej stopnji je mokro jedkanje v glavnem temeljilo na enostavnih kislin-bazičnih raztopinah; na primer, pri uporabi raztopine KOH kot jedkača so različne orientacije kristalov povzročile različne stopnje jedkanja.

S hitrim razvojem tehnologije integriranih vezij so bili postopki mokrega jedkanja dodatno optimizirani. Raziskovalci so začeli sistematično preučevati stopnje jedkanja in selektivnost različnih jedkalnikov na različnih materialih, kot so silicij, silicijev dioksid (SiO₂) in silicijev nitrid (Si₃N₄). Ker se velikost mikroelektronskih naprav še naprej zmanjšuje, postopki mokrega jedkanja zahtevajo večjo natančnost in selektivnost. Raziskovalci so razvili različne nove materiale za jedkanje in dodatke za doseganje natančnega nadzora nad hitrostmi jedkanja in profili po-jedkanju.

Mokro jedkanje ostaja ključen postopek v sodobni proizvodnji polprevodnikov, zlasti pri proizvodnji mikro-elektro-mehanskih sistemov (MEMS) in naprav v nanometrskem merilu.

Pri praktičnih postopkih jedkanja je ključni izziv ohranjanje natančnosti prenosa značilnosti. Zato je cilj idealnega postopka jedkanja minimalna poškodba vzorca, visoke stopnje jedkanja, visoka selektivnost, zadovoljiva morfologija profila lastnosti in dobra anizotropija.

Ker mokro jedkanje uporablja predvsem kemične reakcije, lahko doseže le izotropno jedkanje. Tudi pri visoki selektivnosti ostaja kapilarni učinek, ki ga povzroči raztopina med jedkanjem, stalen problem; ta težava poveča verjetnost oprijema pri jedkanju struktur z visokim razmerjem stranic. Trenutno mokro jedkanje ponuja prednosti, kot so visoka selektivnost, nizki stroški in možnost jedkanja velikih serij rezin v eni sami operaciji. Vendar je jedkano sredstvo (raztopino) težko ohraniti dlje časa, hitrost jedkanja pa je težko vzdrževati dosledno, kar znatno vpliva na enakomernost jedkanja. Zato se mokro jedkanje na splošno uporablja le za postopke ne-kritičnih dimenzij in ima omejitve pri jedkanju struktur z visoko-gostoto in visoko{6}}natančnostjo.

III. Suho jedkanje

Tehnologija suhega jedkanja uporablja plazmo za dosego postopka jedkanja. Ko so plini enkrat vneseni v votlino, se ionizirajo in spremenijo v stanje plazme.

Pregled plazme

V dvajsetih letih prejšnjega stoletja so Langmuir in njegovi sodelavci prvi predlagali koncept plazme. Sestavljen je iz elektronov, nabitih ionov in nevtralnih delcev, ki izkazujejo visoke ionizacijske lastnosti in splošno električno nevtralnost. Plazma kot četrto agregatno stanje, ki se razlikuje od trdne, tekoče in plinaste snovi, obstaja v vsakem kotičku vesolja.

Njegova edinstvena sestava nabitih delcev daje plazmi dve pomembni značilnosti: odlično prevodnost in močno spajanje z elektromagnetnimi polji. Zaradi teh nadzorovanih lastnosti igra nenadomestljivo vlogo na industrijskih področjih, zlasti v tehnologiji izdelave polprevodnikov.

[Slika] Plazma, ki jo ustvari radiofrekvenčna razelektritev, vključuje kapacitivno sklopljeno plazmo in induktivno sklopljeno plazmo. Induktivno sklopljena plazma (ICP) je stanje plazme z visoko-energijsko-gostoto, ki ga ustvari mehanizem induktivne sklopitve visoko{3}}frekvenčnega elektromagnetnega polja.

Njegovo načelo delovanja je mogoče razdeliti na naslednje ključne procese: Najprej se zahtevani procesni plin vnese v reakcijsko komoro, standardni radiofrekvenčni signal 13,56 MHz pa se uporabi za indukcijsko tuljavo zunaj komore. V skladu s Faradayevim zakonom elektromagnetne indukcije, ko se magnetni tok skozi tuljavo spreminja s časom, se znotraj tuljave ustvari izmenični tok. Ta tok ustvarja časovno-spremenljivo magnetno polje v komori, kar dodatno inducira nastajanje obodnega električnega polja. Pod vplivom obodnega električnega polja se elektroni pospešijo. Ko zberejo dovolj energije, sistem preide v elektromagnetni način, v katerem prevladuje induktivna sklopitev (način H).

Treba je omeniti, da pri uporabi radiofrekvenčne moči preko tuljave nastane padec napetosti od sto do tisoč voltov. Posledično elektrostatično polje lahko povzroči razpad plina in tvori elektrostatični način (način E). Način praznjenja sistema je tesno povezan z vhodno močjo: v pogojih nizke moči prevladuje način E z nižjo gostoto plazme; v pogojih visoke moči prevladuje način H.

V stanju plazme ima dve pomembni značilnosti:

Prvič, plini v plazmi kažejo večjo kemično reaktivnost v primerjavi z normalnim stanjem. To pomeni, da lahko izberemo ustrezne pline za jedkanje (tj. reaktante) glede na značilnosti materiala, ki ga želimo jedkati, s čimer pospešimo kemično reakcijo z materialom in dosežemo namen jedkanja.

Drugič, plazmo lahko vodi in pospešuje električno polje, ki nosi določeno količino energije. Ko ta visoko{1}}energetska plazma pospešeno vpliva na površino predmeta, ki ga želite jedkati, se jedkanje zaključi prek mehanizma fizičnega prenosa energije.

Zato je suho jedkanje pravzaprav posledica fizikalnih in kemičnih procesov.

Edinstvena značilnost tehnologije plazemskega suhega jedkanja je, da ne more samo izvajati anizotropnega jedkanja, ampak tudi vzdrževati natančen prenos vzorca, medtem ko ohranja kritično velikost značilnosti izjemno majhno.

Suho jedkanje je splošni izraz za različne tehnologije suhega jedkanja, ki so se postopoma razvijale glede na takratne potrebe.

Jedkanje z ionskim žarkom je-alternativa mokremu jedkanju prve generacije. Uporablja visoko{2}}energetski ionski žarek (100 seV–1000 seV) za fizično bombardiranje materiala, kar ima za posledico visoko anizotropno jedkanje.

Medtem ko je mogoče zahtevane visoke energije in dovolj visoke hitrosti jedkanja doseči industrijsko, to neizogibno poškoduje površino substrata, potencialno do globine več deset mikrometrov.

Poleg tega implantacija nečistoč med obstreljevanjem z delci ustvari znatne napake na površini rezin in uvede določeno raven gostote nečistoč.

Leta 1979 sta Coburn in Winters odkrila sinergistični učinek, ko je žarek ionov argona kombiniran s tokom atomov fluora, ki jih ustvari toplotni plin XeF2, s čimer se poveča stopnja jedkanja, ker je tok mešanega plina za red velikosti ali več večji od tistega, ki ga ustvari uporaba enega ali drugega plina.

Poleg tega se anizotropija med jedkanjem ohranja z aktivacijskim učinkom ionskega toka; ta postopek se imenuje ionsko{0}}okrepljeno jedkanje ali reaktivno ionsko jedkanje (RIE).

Kasneje, v poznih 1980-ih, je tehnologija kapacitivno sklopljene plazme (CCP) dozorela in se široko uporabljala pri dielektričnem jedkanju (kot je SiO₂).

V devetdesetih letih prejšnjega stoletja sta se tehnologiji induktivno sklopljene plazme (ICP) in elektronske ciklotronske resonance (ECR) postopoma komercializirali. Ti dve tehnologiji sta znatno izboljšali gostoto plazme in stopnje jedkanja, pri čemer je ICP najpogostejša plazma z visoko-gostoto.

Z nadaljnjim napredkom je bila v zgodnjem 21. stoletju predlagana tehnologija atomskega slojnega jedkanja (ALE), ki omogoča jedkanje v -atomski lestvici s ciklično pasivacijo in koraki jedkanja. Ker so velikosti funkcij vstopile v vozlišča pod 3 nm, je postopek jedkanja zahteval pod-nanometrsko enotnost in visoko selektivnost, zaradi česar so se raziskave vse bolj osredotočale na optimizacijo procesnih parametrov z uporabo strojnega učenja.

IV. Pogoste anomalije v postopkih jedkanja

Ker postajajo postopki jedkanja vse bolj izpopolnjeni, se med procesom jedkanja pogosto srečujemo z različnimi izzivi. Ti izzivi vključujejo naslednje pojave:

1. Učinek mikrotrenchinga

Pri proizvodnji mikroelektronike pri uporabi reaktorjev za jedkanje s plazmo z visoko{0}}gostoto znatno povečan ionski tok in zrcalni odboj delcev z visoko-energijo na maski in stranskih stenah jarka povzročita, da se tok osredotoči na vogalih jarka, kar vodi do povečanja lokaliziranih stopenj jedkanja (tj. učinek mikrotrenchinga). Na splošno se učinek mikrovdolbine pojavi, ker so udarni ioni skoraj pravokotni na površino rezine. V nekaterih primerih lahko to privede do skoraj -spektralnega odboja od navpičnih stranskih sten, s čimer se poveča ionski tok blizu dna elementa in tako nastanejo mikrojarki-, kar je nezaželen učinek.

2. Upogibni učinek stranskih sten jedkanega profila

Dolgoročni-poskusi so bili izvedeni na profilih jedkanja kontaktnih lukenj silicijevega dioksida z visokim razmerjem stranic v plazmi C4F6/CH2F2/O2/Ar. Ugotovljeno je bilo, da je upogib stranske stene posledica vratu zaradi ponovnega odlaganja razpršenih delcev na naklonu maske, medtem ko upogib povzročijo odbiti ioni na naklonu maske.

3. Učinek spodrezovanja jedkanega profila pod masko

Učinek podrezovanja je posledica izotropnega jedkanja med postopkom jedkanja. Izotropno jedkanje pomeni, da je hitrost jedkanja približno enaka v vseh smereh. To izotropno jedkanje povzroči prekomerno jedkanje dela pod masko; zato se učinek podrezovanja imenuje tudi nad{2}}jedkanje.

Kadar je izotropna komponenta močna, na primer pri uporabi SF6 z visoko vsebnostjo F kot jedkalo, opazimo profil, podoben mokremu jedkanju.

To je posledica jedkanja, ki ga povzročajo nevtralni prosti radikali, ki so podvrženi kemični reakciji. Vendar pa je nelojalno nižanje cen mogoče relativno zmanjšati s povečanjem vertikalne komponente. Da bi se izognili popolnemu podrezovanju v teh primerih, je potrebna zaščita bočnice. Običajno uporaba prednapetosti povzroči nastanek stranskih produktov, ki prispevajo k tej zaščiti stranske stene, kot je odpornost proti eroziji med jedkanjem Al.

Učinek podrezovanja pod masko jedkanega profila je prikazan na spodnji sliki.

4. Jedkanje, odvisno od razmerja stranic (ARDE)

Aspect Ratio Dependent Etching (ARDE) ali "RIE histereza" se nanaša na pojav v postopkih plazemskega suhega jedkanja, kjer se stopnja jedkanja znatno zmanjša, ko se poveča razmerje stranic (globina proti širini) jedkane strukture.

Ta pojav je še posebej izrazit v strukturah z visokim razmerjem stranic (kot so globoke luknje in ozki jarki), kar ima za posledico ne-enotne rezultate jedkanja za elemente jedkanja različnih velikosti ali oblik v enakih procesnih pogojih. Z napredovanjem jedkanja se hitrost jedkanja zmanjšuje, ko se poveča razmerje stranic jarka ali v skrajnih primerih se jedkanje ustavi.

To se zgodi hitreje pri manjših vzorcih funkcij, kar pomeni, da je jedkanje manjših vzorcev funkcij počasnejše, ko so strukture različnih premerov vgravirane na isto rezino.

Na splošno obstaja veliko glavnih dejavnikov, ki prispevajo k ARDE: izguba ionskega toka na dnu jedkane strukture in izčrpavanje aktivnega nevtralnega materiala zaradi nevtralnega senčenja in Knudsenovega transporta. Po eni strani je tok prostih radikalov v globlje rove ključen za kinetiko jedkanja, medtem ko je zmanjšanje vsebnosti fluora na dnu jarka glavni vzrok za ARDE. Po drugi strani pa je ARDE posledica transportnega fenomena. Višje kot je razmerje stranic, težje reaktanti dosežejo dno jarka in težje uidejo stranski produkti. Ta stopnja prenosa mase se spreminja s postopkom jedkanja, zaradi česar se stopnja jedkanja zmanjšuje, ko jedkanje napreduje.

Učinek obremenitve določajo značilnosti jedkalnega sistema in prevladuje pri vsem reaktivnem ionskem jedkanju. Za ublažitev vpliva tega učinka na rezultate jedkanja je po eni strani potrebna večja gostota in bolj enakomerno porazdeljena plazma. Po drugi strani pa lahko reaktivnemu plinu dodamo pomožne pline, da razredčimo in homogeniziramo plazmo, izboljšamo delovanje vakuumskega sistema, da pospešimo izmenjavo plazme in odstranitev produktov jedkanja, pri načrtovanju fotomaske pa je treba paziti na uravnoteženje gostote vzorca.