Ein Leitfaden zur Halbleiterätztechnologie und häufigen Fehlern

I. Einführung in die Herstellungsprozesse integrierter Schaltkreise

Der Herstellungsprozess integrierter Schaltkreise umfasst viele technologische Schritte, und das Ätzen ist einer dieser Schritte. Dabei handelt es sich um eine Kerntechnologie auf dem Gebiet der Mikroelektronik, bei der es um die selektive Entfernung dünner Filme auf oder auf einem Halbleitersubstrat gemäß einem vordefinierten Muster oder Maskendesign geht.

Ätzen wird typischerweise zum selektiven Ätzen und Entfernen dünner Filme von Halbleitersubstraten oder Oberflächenbeschichtungen verwendet und wird häufig mit Photolithographie- und Abscheidungsprozessen kombiniert, um eine Musterübertragung zu erreichen.

Plasmaätz- und Abscheidungstechnologien haben sich aufgrund ihrer kontinuierlich verbesserten Prozesspräzision zu den wichtigsten Ätzmethoden entwickelt. Bei der Chipherstellung laufen Fotolithografie- und Ätz-/Abscheidungsprozesse in einer einfachen Schleife ab, die wiederholt wird, bis die gewünschte Struktur und die idealen Präzisionsanforderungen erreicht sind.

Eine vereinfachte Beschreibung des Ätzprozesses lautet wie folgt: Zunächst wird ein strukturierter dünner Film auf der Substratstruktur abgeschieden. Dieser abgeschiedene Film wird im Allgemeinen als Maske bezeichnet. Anschließend wird es mit einem lichtempfindlichen Material namens Fotolack bedeckt und durch eine strukturierte Fotomaske dem Licht ausgesetzt. Dieser Schritt wird Belichtung genannt.

Fotolacke können grob in zwei Typen eingeteilt werden: positive Fotolacke und negative Fotolacke. Positive Fotolacke bieten Vorteile wie eine hohe Mustererkennung und Verarbeitungsflexibilität und ermöglichen die Übertragung von Mustern mit kleineren Strukturgrößen an fortschrittliche Technologieknoten. Allerdings ist ihre Korrosionsbeständigkeit relativ schlecht und ihre Fähigkeit, das darunter liegende Material bei nachfolgenden Prozessen wie dem Ätzen zu schützen, ist nicht so gut wie bei negativen Fotolacken.

Negative Fotolacke hingegen bieten eine bessere Korrosionsbeständigkeit und eignen sich für Anwendungen, die eine dickere Fotolackschicht zum Schutz des darunter liegenden Materials erfordern. Bei den meisten praktischen Ätzverfahren werden negative Fotolacke als Material für die Schutzmaske gewählt.

[Bild] Anschließend wird der Wafer in eine Entwicklungslösung getaucht, um die belichteten Teile des Fotolacks zu entfernen. Anschließend werden die unbelichteten Teile des Fotolacks auf die Maske übertragen und so das gewünschte Muster geformt. Dieser Vorgang wird Entwicklung genannt.

Die unbelichteten Teile des Fotolacks werden durch chemische Reaktionen, physikalischen Beschuss oder eine Kombination aus beidem geätzt. Nach dem Ätzen wird der Fotolack entfernt, sodass ein dünner Film mit dem abgebildeten Muster zurückbleibt. Der obige Prozess beschreibt grob den Feature-Transfer-Prozess. Diese Schritte werden während der Geräteherstellung mehrmals wiederholt, um eine Gerätestruktur zu bilden, die bestimmte Anforderungen erfüllt. Daher kann man sagen, dass die Komplexität des Ätzprozesses bis zu einem gewissen Grad die Geräteleistung bestimmt. Im Vergleich zu herkömmlichen Ätzmethoden bietet das Plasmaätzen eine bessere Anisotropie, geringere Energieschäden, größere Flexibilität, Wiederholbarkeit, höhere Ätzraten und eine bessere Kontrollierbarkeit.

II. Nassätzung

Nassätzen wird häufig im Bereich integrierter Schaltkreise eingesetzt. Im Wesentlichen handelt es sich um einen rein chemischen Reaktionsprozess. Es nutzt flüssige chemische Reagenzien (oder Ätzmittel), um mit dem zu ätzenden Material zu reagieren und wasserlösliche Reaktionsnebenprodukte zu bilden, die unerwünschtes Material entfernen.

Diese chemischen Reaktionen basieren typischerweise auf Redoxreaktionen, Säure-Base-Neutralisationsreaktionen usw.

Beispielsweise ist beim Nassätzen von Silizium ein häufig verwendetes Ätzmittel eine Mischung aus Flusssäure (HF) und Salpetersäure (HNO₃). Salpetersäure fungiert als Oxidationsmittel und oxidiert Silizium zu Siliziumdioxid, während Flusssäure mit Siliziumdioxid zu wasserlöslicher Hexafluorkieselsäure (H₂SiF₆) reagiert und so den Ätzeffekt erzielt.

[Bild] Betrachtet man die Geschichte der Ätzprozesse, so war die früheste verwendete Technik das Nassätzen, zunächst hauptsächlich zum Reinigen und einfachen Ätzen von Siliziumwaferoberflächen. In den 1960er Jahren zeigte die chemische Behandlung von Siliziumwafern Orientierungs- und Konzentrationsabhängigkeit. Zu diesem Zeitpunkt basierte das Nassätzen hauptsächlich auf einfachen Säure-{3}Base-Lösungen; Wenn beispielsweise eine KOH-Lösung als Ätzmittel verwendet wurde, führten unterschiedliche Kristallorientierungen zu unterschiedlichen Ätzraten.

Mit der rasanten Entwicklung der integrierten Schaltkreistechnologie wurden Nassätzprozesse weiter optimiert. Die Forscher begannen, die Ätzraten und die Selektivität verschiedener Ätzmittel auf verschiedenen Materialien wie Silizium, Siliziumdioxid (SiO₂) und Siliziumnitrid (Si₃N₄) systematisch zu untersuchen. Da die Größe mikroelektronischer Geräte immer kleiner wird, erfordern Nassätzprozesse eine höhere Präzision und Selektivität. Forscher haben verschiedene neuartige Ätzmaterialien und Additive entwickelt, um eine präzise Kontrolle über die Ätzraten und Post{3}}-Ätzprofile zu erreichen.

Nassätzen bleibt ein entscheidender Prozess in der modernen Halbleiterfertigung, insbesondere bei der Herstellung mikro-elektro-mechanischer Systeme (MEMS) und nanoskaliger Geräte.

Bei praktischen Ätzprozessen besteht die größte Herausforderung darin, die Präzision der Merkmalsübertragung aufrechtzuerhalten. Daher zielt ein idealer Ätzprozess auf minimale Probenschädigung, hohe Ätzraten, hohe Selektivität, zufriedenstellende Merkmalsprofilmorphologie und gute Anisotropie ab.

Da beim Nassätzen hauptsächlich chemische Reaktionen zum Einsatz kommen, kann nur ein isotropes Ätzen erreicht werden. Auch bei hoher Selektivität bleibt der durch die Lösung beim Ätzen induzierte Kapillareffekt ein anhaltendes Problem; Dieses Problem erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Adhäsion beim Ätzen von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis. Derzeit bietet das Nassätzen Vorteile wie hohe Selektivität, niedrige Kosten und die Möglichkeit, große Wafer-Chargen in einem einzigen Arbeitsgang zu ätzen. Es ist jedoch schwierig, das Ätzmittel (die Lösung) über einen längeren Zeitraum aufzubewahren, und die Ätzrate lässt sich nur schwer konstant aufrechterhalten, was die Gleichmäßigkeit der Ätzung erheblich beeinträchtigt. Daher wird Nassätzen im Allgemeinen nur für Prozesse mit nicht-kritischen Abmessungen verwendet und weist Einschränkungen beim Ätzen von Strukturen mit hoher-Dichte und hoher-Präzision auf.

III. Trockenätzung

Die Trockenätztechnologie nutzt Plasma, um den Ätzprozess durchzuführen. Sobald Gase in den Hohlraum eingeleitet werden, werden sie ionisiert und in einen Plasmazustand umgewandelt.

Plasmaübersicht

In den 1920er Jahren schlugen Langmuir und seine Mitarbeiter erstmals das Konzept des Plasmas vor. Es besteht aus Elektronen, geladenen Ionen und neutralen Teilchen und weist hohe Ionisierungseigenschaften und allgemeine elektrische Neutralität auf. Als vierter Aggregatzustand der Materie, der sich von fest, flüssig und gasförmig unterscheidet, existiert Plasma in jedem Winkel des Universums.

Seine einzigartige Zusammensetzung geladener Teilchen verleiht Plasma zwei wesentliche Eigenschaften: ausgezeichnete Leitfähigkeit und starke Kopplung mit elektromagnetischen Feldern. Aufgrund dieser kontrollierbaren Eigenschaften spielt es in industriellen Bereichen, insbesondere in der Halbleiterfertigungstechnik, eine unersetzliche Rolle.

[Bild] Das durch Hochfrequenzentladung erzeugte Plasma umfasst kapazitiv gekoppeltes Plasma und induktiv gekoppeltes Plasma. Induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) ist ein Plasmazustand mit hoher-Energie-Dichte, der durch den induktiven Kopplungsmechanismus eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes erzeugt wird.

Das Funktionsprinzip lässt sich in folgende Kernprozesse unterteilen: Zunächst wird das benötigte Prozessgas in die Reaktionskammer eingeleitet und anschließend ein Standard-Hochfrequenzsignal von 13,56 MHz an die Induktionsspule außerhalb der Kammer angelegt. Gemäß dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion wird im Inneren der Spule ein Wechselstrom erzeugt, wenn sich der magnetische Fluss durch die Spule mit der Zeit ändert. Dieser Strom erzeugt in der Kammer ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, das die Erzeugung eines umlaufenden elektrischen Felds weiter induziert. Unter dem Einfluss des umlaufenden elektrischen Feldes werden Elektronen beschleunigt. Wenn sie ausreichend Energie akkumulieren, geht das System in einen elektromagnetischen Modus über, der von induktiver Kopplung dominiert wird (H-Modus).

Es ist zu beachten, dass beim Anlegen von Hochfrequenzstrom an die Spule ein Spannungsabfall von Hunderten bis Tausenden Volt entsteht. Das resultierende elektrostatische Feld kann einen Gasdurchschlag verursachen und einen elektrostatischen Modus (E-Modus) bilden. Der Entladungsmodus des Systems hängt eng mit der Eingangsleistung zusammen: Unter Bedingungen niedriger Leistung überwiegt der E-Modus mit geringerer Plasmadichte; Unter Hochleistungsbedingungen ist der H-Modus dominant.

Im Plasmazustand weist es zwei wesentliche Eigenschaften auf:

Erstens weisen die Gase im Plasma im Vergleich zum Normalzustand eine höhere chemische Reaktivität auf. Dies bedeutet, dass wir geeignete Ätzgase (dh Reaktanten) basierend auf den Eigenschaften des zu ätzenden Materials auswählen können, wodurch die chemische Reaktion mit dem Material beschleunigt und der Ätzzweck erreicht wird.

Zweitens kann das Plasma durch ein elektrisches Feld geführt und beschleunigt werden und dabei eine bestimmte Energiemenge transportieren. Wenn diese hochenergetischen Plasmen mit Beschleunigung auf die Oberfläche des zu ätzenden Objekts treffen, wird das Ätzen durch einen physikalischen Energieübertragungsmechanismus abgeschlossen.

Daher ist Trockenätzen tatsächlich das Ergebnis sowohl physikalischer als auch chemischer Prozesse.

Das einzigartige Merkmal der Plasma-Trockenätztechnologie besteht darin, dass sie nicht nur anisotropes Ätzen durchführen kann, sondern auch eine präzise Musterübertragung aufrechterhalten kann, während die kritische Strukturgröße extrem klein bleibt.

Trockenätzen ist ein allgemeiner Begriff für verschiedene Trockenätztechnologien, die nach und nach entsprechend den damaligen Bedürfnissen weiterentwickelt wurden.

Das Ionenstrahlätzen ist eine Alternative der ersten -Generation zum Nassätzen. Es verwendet einen hochenergetischen Ionenstrahl (100 seV–1000 seV), um das Material physikalisch zu bombardieren, was zu einer stark anisotropen Ätzung führt.

Während die erforderlichen hohen Energien und ausreichend hohen Ätzraten industriell erreicht werden können, führt dies zwangsläufig zu Schäden an der Substratoberfläche, möglicherweise bis zu einer Tiefe von mehreren zehn Mikrometern.

Darüber hinaus führt die Implantation von Verunreinigungen während des Partikelbeschusses zu erheblichen Defekten auf der Waferoberfläche und zu einer gewissen Verunreinigungsdichte.

Im Jahr 1979 entdeckten Coburn und Winters einen synergistischen Effekt, wenn ein Argonionenstrahl mit dem Fluss von Fluoratomen kombiniert wird, der durch thermisches XeF2-Gas erzeugt wird. Dadurch erhöht sich die Ätzrate, da der Fluss des gemischten Gases um eine Größenordnung oder mehr größer ist als der Fluss, der durch die alleinige Verwendung eines der beiden Gase erzeugt wird.

Darüber hinaus bleibt die Anisotropie während des Ätzens durch den Aktivierungseffekt des Ionenflusses erhalten; Dieser Prozess wird ionenverstärktes Ätzen oder reaktives Ionenätzen (RIE) genannt.

Später, in den späten 1980er Jahren, reifte die Technologie des kapazitiv gekoppelten Plasmas (CCP) heran und fand breite Anwendung beim dielektrischen Ätzen (z. B. SiO₂).

In den 1990er Jahren wurden die Technologien induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) und Elektronenzyklotronresonanz (ECR) nach und nach kommerzialisiert. Diese beiden Technologien verbesserten die Plasmadichte und die Ätzraten erheblich, wobei ICP das häufigste Plasma mit hoher -Dichte ist.

Mit weiteren Fortschritten wurde zu Beginn des 21. Jahrhunderts die Technologie des Atomlagenätzens (ALE) vorgeschlagen, die das Ätzen auf atomarer Ebene durch zyklische Passivierungs- und Ätzschritte ermöglicht. Da Strukturgrößen in Knoten unter 3 nm eintraten, erforderte der Ätzprozess eine Gleichmäßigkeit im Sub--Nanometerbereich und eine hohe Selektivität, was dazu führte, dass sich die Forschung zunehmend auf die Optimierung von Prozessparametern durch maschinelles Lernen konzentrierte.

IV. Häufige Anomalien bei Ätzprozessen

Da Ätzprozesse immer ausgefeilter werden, treten während des Ätzprozesses häufig verschiedene Herausforderungen auf. Zu diesen Herausforderungen zählen die folgenden Phänomene:

1. Microtrenching-Effekt

Bei der Herstellung von Mikroelektronik führen bei der Verwendung von Plasmaätzreaktoren mit hoher -Dichte der deutlich erhöhte Ionenfluss und die Spiegelreflexion von hochenergetischen Partikeln auf der Maske und den Grabenseitenwänden dazu, dass sich der Fluss an den Grabenecken konzentriert, was zu einem Anstieg der lokalen Ätzraten führt (d. h. dem Mikrotrenching-Effekt). Im Allgemeinen tritt der Mikrotrenching-Effekt auf, weil auftreffende Ionen nahezu senkrecht zur Waferoberfläche stehen. In einigen Fällen kann dies zu einer nahezu spektralen Reflexion an den vertikalen Seitenwänden führen, wodurch der Ionenfluss in der Nähe des Strukturbodens erhöht wird und somit Mikrogräben entstehen-ein unerwünschter Effekt.

2. Biegeeffekt der Seitenwände des Ätzprofils

Es wurden Langzeitexperimente zu den Ätzprofilen von Siliziumdioxid-Kontaktlöchern mit hohem Aspektverhältnis in C4F6/CH2F2/O2/Ar-Plasma durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass die Seitenwandbiegung durch eine Einschnürung aufgrund der erneuten Ablagerung gesputterter Partikel auf der Maskenschräge verursacht wird, während die Biegung durch reflektierte Ionen auf der Maskenschräge verursacht wird.

3. Unterätzungseffekt des Ätzprofils unter der Maske

Der Unterätzungseffekt ist ein Ergebnis der isotropen Ätzung während des Ätzprozesses. Isotropes Ätzen bedeutet, dass die Ätzrate in alle Richtungen annähernd gleich ist. Dieses isotrope Ätzen führt zu einer übermäßigen Ätzung des Abschnitts unter der Maske; daher wird der Unterätzungseffekt auch als Überätzung bezeichnet.

Wenn die isotrope Komponente stark ist, beispielsweise wenn SF6 mit einem hohen F-Gehalt als Ätzmittel verwendet wird, wird ein Profil beobachtet, das dem Nassätzen ähnelt.

Dies ist auf die Ätzung zurückzuführen, die durch eine chemische Reaktion neutraler freier Radikale verursacht wird. Die Unterätzung kann jedoch durch eine Erhöhung der vertikalen Komponente relativ verringert werden. Um in diesen Fällen ein vollständiges Unterschneiden zu vermeiden, ist ein Seitenwandschutz erforderlich. Typischerweise führt das Anlegen einer Vorspannung zur Bildung von Nebenprodukten, die zu diesem Seitenwandschutz beitragen, wie z. B. Lackerosion beim Al-Ätzen.

Der Unterätzungseffekt unterhalb der Ätzprofilmaske ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

4. Aspektverhältnisabhängige Ätzung (ARDE)

Aspect Ratio Dependent Etching (ARDE) oder „RIE-Hysterese“ bezieht sich auf das Phänomen bei Plasma-Trockenätzprozessen, bei dem die Ätzrate mit zunehmendem Aspektverhältnis (Tiefe zu Breite) der geätzten Struktur deutlich abnimmt.

Dieses Phänomen ist besonders ausgeprägt bei Strukturen mit hohem Aspektverhältnis (wie tiefe Löcher und schmale Gräben), was zu uneinheitlichen Ätzergebnissen beim Ätzen von Merkmalen unterschiedlicher Größe oder Form unter denselben Prozessbedingungen führt. Mit fortschreitendem Ätzvorgang nimmt die Ätzrate mit zunehmendem Seitenverhältnis des Grabens ab, oder im Extremfall stoppt der Ätzvorgang.

Dies geschieht bei kleineren Strukturmustern schneller, was bedeutet, dass das Ätzen kleinerer Strukturmuster langsamer erfolgt, wenn Strukturen mit unterschiedlichen Durchmessern auf demselben Wafer geätzt werden.

Im Allgemeinen tragen viele Hauptfaktoren zu ARDE bei: Ionenflussverlust am Boden der geätzten Struktur und Erschöpfung des aktiven neutralen Materials aufgrund neutraler Schattierung und Knudsen-Transport. Einerseits ist der Fluss freier Radikale in tiefere Gräben von entscheidender Bedeutung für die Ätzkinetik, während der Rückgang des Fluorgehalts am Boden des Grabens die Hauptursache für ARDE ist. Andererseits ist ARDE eine Folge eines Transportphänomens. Je höher das Aspektverhältnis, desto schwieriger ist es für die Reaktanten, den Boden des Grabens zu erreichen, und desto schwieriger ist es für die Nebenprodukte, zu entweichen. Diese Stoffübertragungsrate variiert mit dem Ätzprozess, was dazu führt, dass die Ätzrate mit fortschreitendem Ätzvorgang abnimmt.

Der Beladungseffekt wird durch die Eigenschaften des Ätzsystems bestimmt und ist bei allen reaktiven Ionenätzverfahren vorherrschend. Um den Einfluss dieses Effekts auf die Ätzergebnisse abzumildern, ist einerseits eine höhere Dichte und eine gleichmäßigere Verteilung des Plasmas erforderlich. Andererseits können dem Reaktivgas Hilfsgase zugesetzt werden, um das Plasma zu verdünnen und zu homogenisieren, die Leistung des Vakuumsystems kann verbessert werden, um den Plasmaaustausch und die Entfernung von Ätzprodukten zu beschleunigen, und beim Entwurf der Fotomaske sollte auf einen Ausgleich der Musterdichte geachtet werden.