Ätzen (Mikrofabrikation) - Etching (microfabrication)

Ätztanks zur Piranha- , Flusssäure- oder RCA-Reinigung von 4-Zoll-Waferchargen in der LAAS- Technologieanlage in Toulouse, Frankreich

Das Ätzen wird bei der Mikrofabrikation verwendet , um Schichten während der Herstellung chemisch von der Oberfläche eines Wafers zu entfernen . Das Ätzen ist ein kritisch wichtiges Prozessmodul, und jeder Wafer durchläuft viele Ätzschritte, bevor er abgeschlossen ist.

Bei vielen Ätzschritten ist ein Teil des Wafers durch ein "Maskierungs" -Material, das dem Ätzen widersteht, vor dem Ätzmittel geschützt. In einigen Fällen ist das Maskierungsmaterial ein Fotolack, der unter Verwendung von Fotolithografie strukturiert wurde . Andere Situationen erfordern eine haltbarere Maske, wie z. B. Siliziumnitrid .

Leistungsmerkmale

Wenn das Ätzen einen Hohlraum in einem Material herstellen soll, kann die Tiefe des Hohlraums ungefähr unter Verwendung der Ätzzeit und der bekannten Ätzrate gesteuert werden. In den meisten Fällen muss beim Ätzen jedoch die oberste Schicht einer Mehrschichtstruktur vollständig entfernt werden, ohne die darunter liegenden oder maskierenden Schichten zu beschädigen. Die Fähigkeit des Ätzsystems, dies zu tun, hängt vom Verhältnis der Ätzraten in den beiden Materialien ( Selektivität ) ab.

Einige Ätzungen unterbieten die Maskierungsschicht und bilden Hohlräume mit abfallenden Seitenwänden. Der Abstand der Hinterschneidung wird als Vorspannung bezeichnet . Ätzmittel mit großer Vorspannung werden als isotrop bezeichnet , da sie das Substrat in alle Richtungen gleichmäßig erodieren. Moderne Verfahren bevorzugen stark anisotrope Ätzungen, da sie scharfe, gut kontrollierte Merkmale erzeugen.

Selektivität Ätzselektivität.png Blau: Schicht bleibt
  1. Ein schlecht selektives Ätzen entfernt die oberste Schicht, greift aber auch das darunter liegende Material an.
  2. Ein hochselektives Ätzen lässt das darunter liegende Material unversehrt.
Isotropie Ätzanisotropie.png Rot: Maskierungsschicht; gelb: zu entfernende Schicht
  1. Ein perfekt isotropes Ätzen erzeugt runde Seitenwände.
  2. Ein perfekt anisotropes Ätzen erzeugt vertikale Seitenwände.

Ätzmedien und Technologie

Die zwei grundlegenden Arten von Ätzmitteln sind Flüssigphase ("nass") und Plasmaphase ("trocken"). Jedes von diesen existiert in mehreren Sorten.

Ätzen, vereinfachte Animation der Ätzwirkung auf einem Kupferblech mit Maske

Nassätzen

Strahlungsgehärteten Form des 1886VE10 Mikrocontroller vor der Metallisierung Ätzen
Strahlungsgehärteten Form des 1886VE10 Mikrocontroller nach einer Metallisierung Ätzprozess verwendet wurde ,

Bei den ersten Ätzprozessen wurden Flüssigphasenätzmittel ("nasse" Ätzmittel) verwendet. Der Wafer kann in ein Ätzmittelbad getaucht werden, das gerührt werden muss, um eine gute Prozesskontrolle zu erreichen. Beispielsweise wird gepufferte Flusssäure (BHF) üblicherweise verwendet, um Siliziumdioxid über ein Siliziumsubstrat zu ätzen .

Zur Charakterisierung der geätzten Oberfläche können verschiedene Spezialätzmittel verwendet werden.

Nassätzmittel sind normalerweise isotrop, was beim Ätzen von dicken Filmen zu einer großen Vorspannung führt. Sie erfordern auch die Entsorgung großer Mengen giftiger Abfälle. Aus diesen Gründen werden sie in modernsten Prozessen selten eingesetzt. Der für den Fotolack verwendete fotografische Entwickler ähnelt jedoch dem Nassätzen.

Als Alternative zum Eintauchen verwenden Einzelwafermaschinen das Bernoulli-Prinzip , um ein Gas (normalerweise reinen Stickstoff ) zu verwenden, um eine Seite des Wafers abzufedern und zu schützen, während Ätzmittel auf die andere Seite aufgetragen wird. Dies kann entweder auf der Vorder- oder Rückseite erfolgen. Die Ätzchemie wird in der Maschine auf der Oberseite abgegeben und die Unterseite wird nicht beeinflusst. Diese Ätzmethode ist besonders effektiv kurz vor der "Backend" -Verarbeitung ( BEOL ), wo Wafer nach dem Zurückschleifen der Wafer normalerweise sehr viel dünner und sehr empfindlich gegenüber thermischen oder mechanischen Beanspruchungen sind. Durch Ätzen einer dünnen Schicht von nur wenigen Mikrometern werden Mikrorisse entfernt, die beim Rückschleifen entstehen, was dazu führt, dass der Wafer die Festigkeit und Flexibilität dramatisch erhöht, ohne zu brechen.

Anisotropes Nassätzen (orientierungsabhängiges Ätzen)

Ein anisotropes Nassätzen auf einem Siliziumwafer erzeugt einen Hohlraum mit einem trapezförmigen Querschnitt. Der Boden des Hohlraums ist eine {100} -Ebene (siehe Miller-Indizes ), und die Seiten sind {111} -Ebenen. Das blaue Material ist eine Ätzmaske und das grüne Material ist Silizium.

Einige Nassätzmittel ätzen kristalline Materialien mit sehr unterschiedlichen Raten, je nachdem, welche Kristallfläche freigelegt ist. In Einkristallmaterialien (z. B. Siliziumwafern) kann dieser Effekt eine sehr hohe Anisotropie ermöglichen, wie in der Abbildung gezeigt. Der Begriff "kristallographisches Ätzen" ist gleichbedeutend mit "anisotropem Ätzen entlang von Kristallebenen".

Für einige nichtkristalline Materialien wie Glas gibt es jedoch unkonventionelle Möglichkeiten, anisotrop zu ätzen. Die Autoren verwenden eine laminare Mehrstromströmung, die nichtätzende Ätzlösungen enthält, um eine Glasnut herzustellen. Die Ätzlösung in der Mitte wird von nichtätzenden Lösungen flankiert, und der Bereich, der Ätzlösungen berührt, ist durch die umgebenden nichtätzenden Lösungen begrenzt. Dabei ist die Ätzrichtung hauptsächlich vertikal zur Glasoberfläche. Die SEM-Bilder zeigen das Überschreiten der herkömmlichen theoretischen Grenze des Seitenverhältnisses (Breite / Höhe = 0,5) und tragen zu einer zweifachen Verbesserung bei (Breite / Höhe = 1).

Für Silizium stehen mehrere anisotrope Nassätzmittel zur Verfügung, allesamt heiße wässrige Ätzmittel. Beispielsweise zeigt Kaliumhydroxid (KOH) eine 400-mal höhere Ätzraten-Selektivität in <100> Kristallrichtungen als in <111> Richtungen. EDP ​​(eine wässrige Lösung von Ethylendiamin und Brenzcatechin ) zeigt eine <100> / <111> -Selektivität von 17X, ätzt kein Siliziumdioxid wie KOH und zeigt auch eine hohe Selektivität zwischen leicht dotiertem und stark bor-dotiertem (p- Typ) Silizium. Die Verwendung dieser Ätzmittel auf Wafern, die bereits integrierte CMOS- Schaltungen enthalten , erfordert den Schutz der Schaltung. KOH kann mobile Kaliumionen in Siliziumdioxid einbringen , und EDV ist stark ätzend und krebserregend , weshalb bei ihrer Verwendung Vorsicht geboten ist. Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) bietet eine sicherere Alternative als EDV mit einer 37-fachen Selektivität zwischen {100} - und {111} -Ebenen in Silizium.

Durch Ätzen einer (100) Siliziumoberfläche durch ein rechteckiges Loch in einem Maskierungsmaterial, beispielsweise ein Loch in einer Schicht aus Siliziumnitrid, wird eine Grube mit flach abfallenden {111} -orientierten Seitenwänden und einem flachen (100) -orientierten Boden erzeugt. Die {111} -orientierten Seitenwände haben einen Winkel zur Oberfläche des Wafers von:

Wenn das Ätzen "bis zur Vollendung" fortgesetzt wird, dh bis der flache Boden verschwindet, wird die Grube zu einem Graben mit einem V-förmigen Querschnitt. Wenn das ursprüngliche Rechteck ein perfektes Quadrat war, zeigt die Grube nach dem vollständigen Ätzen eine Pyramidenform.

Der Hinterschnitt δ unter einer Kante des Maskierungsmaterials ist gegeben durch:

,

wobei R xxx die Ätzrate in der <xxx> -Richtung ist, T die Ätzzeit ist, D die Ätztiefe ist und S die Anisotropie des Materials und des Ätzmittels ist.

Unterschiedliche Ätzmittel haben unterschiedliche Anisotropien. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle gängiger anisotroper Ätzmittel für Silizium:

Ätzmittel Betriebstemperatur (° C) R 100 (μm / min) S = R 100 / R 111 Maskenmaterialien
Ethylendiaminpyrocatechol
(EDV)
110 0,47 17 SiO 2 , Si 3 N 4 , Au , Cr , Ag , Cu
Kaliumhydroxid / Isopropylalkohol
(KOH / IPA)
50 1.0 400 Si 3 N 4 , SiO 2 (Ätzen mit 2,8 nm / min)
Tetramethylammoniumhydroxid
(TMAH)
80 0,6 37 Si 3 N 4 , SiO 2

Plasmaätzen

Vereinfachte Darstellung des Trockenätzens unter Verwendung eines positiven Fotolacks während eines Fotolithografieprozesses bei der Halbleitermikrofabrikation. Hinweis: Nicht maßstabsgetreu.

Moderne VLSI- Verfahren vermeiden das Nassätzen und verwenden stattdessen das Plasmaätzen . Plasmaätzer können durch Einstellen der Parameter des Plasmas in verschiedenen Modi arbeiten. Das gewöhnliche Plasmaätzen arbeitet zwischen 0,1 und 5 Torr . (Diese Druckeinheit, die üblicherweise in der Vakuumtechnik verwendet wird, entspricht ungefähr 133,3 Pascal .) Das Plasma erzeugt neutral geladene energetische freie Radikale , die an der Oberfläche des Wafers reagieren. Da neutrale Partikel den Wafer aus allen Winkeln angreifen, ist dieser Prozess isotrop.

Das Plasmaätzen kann isotrop sein, dh eine laterale Hinterschneidungsrate auf einer strukturierten Oberfläche aufweisen, die ungefähr der Abwärtsätzrate entspricht, oder es kann anisotrop sein, dh eine geringere seitliche Hinterschneidungsrate als die Abwärtsätzrate aufweisen. Eine solche Anisotropie wird beim tiefen reaktiven Ionenätzen maximiert . Die Verwendung des Begriffs Anisotropie für das Plasmaätzen sollte nicht mit der Verwendung des gleichen Begriffs in Verbindung gebracht werden, wenn auf orientierungsabhängiges Ätzen Bezug genommen wird.

Das Quellgas für das Plasma enthält normalerweise kleine Moleküle, die reich an Chlor oder Fluor sind . Beispielsweise ätzt Tetrachlorkohlenstoff (CCl 4 ) Silizium und Aluminium , und Trifluormethan ätzt Siliziumdioxid und Siliziumnitrid . Ein Plasma, das Sauerstoff enthält, wird verwendet, um Photoresist zu oxidieren (" Asche ") und seine Entfernung zu erleichtern.

Beim Ionenfräsen oder Sputterätzen werden niedrigere Drücke verwendet, häufig nur 10 - 4 Torr (10 mPa). Es bombardiert den Wafer mit energetischen Ionen von Edelgasen , häufig Ar + , die Atome durch Impulsübertragung vom Substrat stoßen . Da das Ätzen durch Ionen durchgeführt wird, die sich dem Wafer ungefähr aus einer Richtung nähern, ist dieser Prozess stark anisotrop. Andererseits neigt es dazu, eine schlechte Selektivität anzuzeigen. Das reaktive Ionenätzen (RIE) arbeitet unter Bedingungen zwischen Sputter- und Plasmaätzen (zwischen 10 –3 und 10 –1 Torr). Tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE) modifiziert die RIE-Technik, um tiefe, schmale Merkmale zu erzeugen.

Übliche Ätzverfahren bei der Mikrofabrikation

Ätzmittel für gängige Mikrofabrikationsmaterialien
Zu ätzendes Material Nassätzmittel Plasmaätzmittel
Aluminium (Al) 80% Phosphorsäure (H 3 PO 4 ) + 5% Essigsäure
+ 5% Salpetersäure (HNO 3 ) + 10% Wasser (H 2 O) bei 35–45 ° C.
Cl 2 , CCl 4 , SiCl 4 , BCl 3
Indiumzinnoxid [ITO] (In 2 O 3 : SnO 2 ) Salzsäure (HCl) + Salpetersäure (HNO 3 ) + Wasser (H 2 O) (1: 0,1: 1) bei 40 ° C.
Chrom (Cr)
  • "Chromätzen": Cerammoniumnitrat ((NH 4 ) 2 Ce (NO 3 ) 6 ) + Salpetersäure (HNO 3 )
  • Salzsäure (HCl)

Galliumarsenid (GaAs)

Gold (Au)
Molybdän (Mo) CF 4
Organische Rückstände und Fotolack Piranha-Ätzung : Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) + Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) O 2 ( Veraschung )
Platin (Pt) Königswasser
Silizium (Si)
Siliziumdioxid (SiO 2 ) CF 4 , SF 6 , NF 3
Siliziumnitrid (Si 3 N 4 )
  • 85% Phosphorsäure (H 3 PO 4 ) bei 180 ° C (erfordert eine SiO 2 -Ätzmaske)
CF 4 , SF 6 , NF 3 , CHF 3
Tantal (Ta) CF 4
Titan (Ti) Flusssäure (HF) BCl 3
Titannitrid (TiN)
  • Salpetersäure (HNO 3 ) + Flusssäure (HF)
  • SC1
  • Gepufferte HF (bHF)
Wolfram (W)
  • Salpetersäure (HNO 3 ) + Flusssäure (HF)
  • Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 )

Siehe auch

Verweise

  • Jaeger, Richard C. (2002). "Lithografie". Einführung in die mikroelektronische Fertigung (2. Aufl.). Upper Saddle River: Prentice Hall. ISBN 978-0-201-44494-0.
  • Ebenda, "Prozesse für MicroElectroMechanical Systems (MEMS)"

Inline-Referenzen

Externe Links