Die frühen Nassätzverfahren förderten die Entwicklung von Reinigungs- und Veraschungsprozessen. Heute ist das Trockenätzen mit Plasma zum Standard geworden.ÄtzprozessPlasma besteht aus Elektronen, Kationen und Radikalen. Die dem Plasma zugeführte Energie bewirkt, dass die äußersten Elektronen des neutralen Quellgases abgetrennt und dadurch in Kationen umgewandelt werden.
Darüber hinaus können fehlerhafte Atome in Molekülen durch Energiezufuhr entfernt werden, wodurch elektrisch neutrale Radikale entstehen. Beim Trockenätzen werden Kationen und Radikale genutzt, die das Plasma bilden. Kationen sind anisotrop (geeignet zum Ätzen in einer bestimmten Richtung), Radikale hingegen isotrop (geeignet zum Ätzen in alle Richtungen). Die Anzahl der Radikale ist weitaus größer als die der Kationen. Daher sollte das Trockenätzen, wie das Nassätzen, isotrop sein.
Die anisotrope Ätzung beim Trockenätzen ermöglicht jedoch erst die Herstellung ultraminiaturisierter Schaltungen. Woran liegt das? Hinzu kommt, dass die Ätzgeschwindigkeit von Kationen und Radikalen sehr gering ist. Wie lassen sich Plasmaätzverfahren trotz dieser Einschränkung in der Massenproduktion einsetzen?
1. Seitenverhältnis (A/R)
Abbildung 1. Das Konzept des Seitenverhältnisses und der Einfluss des technologischen Fortschritts darauf
Das Aspektverhältnis ist das Verhältnis von horizontaler Breite zu vertikaler Höhe (Höhe geteilt durch Breite). Je kleiner die kritische Abmessung (CD) des Schaltkreises, desto größer ist der Wert des Aspektverhältnisses. Bei einem Aspektverhältnis von 10 und einer Breite von 10 nm sollte die Höhe des beim Ätzprozess erzeugten Lochs beispielsweise 100 nm betragen. Daher sind für Produkte der nächsten Generation, die eine Ultraminiaturisierung (2D) oder eine hohe Dichte (3D) erfordern, extrem hohe Aspektverhältnisse notwendig, um sicherzustellen, dass Kationen während des Ätzprozesses in die untere Schicht eindringen können.
Um eine Ultraminiaturisierungstechnologie mit einer kritischen Dimension von unter 10 nm bei 2D-Produkten zu erreichen, muss das Kondensator-Seitenverhältnis von dynamischem Direktzugriffsspeicher (DRAM) über 100 liegen. Auch 3D-NAND-Flash-Speicher benötigen höhere Seitenverhältnisse, um 256 oder mehr Zellstapelschichten zu realisieren. Selbst wenn die Bedingungen für andere Prozesse erfüllt sind, lassen sich die gewünschten Produkte nicht herstellen, wenn…Ätzprozessentspricht nicht den Standards. Deshalb gewinnt die Ätztechnologie zunehmend an Bedeutung.
2. Überblick über das Plasmaätzen
Abbildung 2. Bestimmung des Plasmaquellengases in Abhängigkeit vom Filmtyp
Bei Verwendung eines Hohlrohrs erleichtert ein geringerer Rohrdurchmesser das Eindringen von Flüssigkeit – ein Phänomen, das als Kapillarwirkung bekannt ist. Wird jedoch ein Loch (geschlossenes Ende) in den offenen Bereich gebohrt, wird das Eindringen der Flüssigkeit erheblich erschwert. Da die kritische Größe des Kreislaufs Mitte der 1970er-Jahre zwischen 3 µm und 5 µm lag, …Radierunghat die Nassätzung nach und nach als Standardverfahren abgelöst. Das heißt, obwohl ionisiert, dringt es leichter in tiefe Löcher ein, da das Volumen eines einzelnen Moleküls kleiner ist als das eines Moleküls in einer organischen Polymerlösung.
Beim Plasmaätzen muss der Innenraum der Ätzkammer vor der Zufuhr des für die jeweilige Schicht geeigneten Plasmagases evakuiert werden. Beim Ätzen von Festoxidschichten sind stärkere, fluorhaltige Quellgase zu verwenden. Für vergleichsweise weiche Silizium- oder Metallschichten eignen sich chlorhaltige Plasmagase.
Wie sollten also die Gate-Schicht und die darunter liegende Siliziumdioxid-Isolierschicht (SiO2) geätzt werden?
Zunächst sollte für die Gate-Schicht das Silizium mittels eines chlorbasierten Plasmas (Silizium + Chlor) mit Polysilizium-Ätzselektivität entfernt werden. Die darunterliegende Isolierschicht, der Siliziumdioxidfilm, sollte in zwei Schritten mit einem kohlenstofffluoridbasierten Plasmagas (Siliziumdioxid + Kohlenstofftetrafluorid) mit höherer Ätzselektivität und -effektivität geätzt werden.
3. Reaktives Ionenätzen (RIE- oder physikalisch-chemisches Ätzverfahren)
Abbildung 3. Vorteile des reaktiven Ionenätzens (Anisotropie und hohe Ätzrate)
Plasma enthält sowohl isotrope freie Radikale als auch anisotrope Kationen. Wie kann es also anisotropes Ätzen bewirken?
Plasma-Trockenätzen wird hauptsächlich mittels reaktivem Ionenätzen (RIE) oder darauf basierenden Verfahren durchgeführt. Kern des RIE-Verfahrens ist die Schwächung der Bindungskräfte zwischen den Zielmolekülen im Film durch Angriff anisotroper Kationen auf die Ätzfläche. Die geschwächte Fläche wird von freien Radikalen absorbiert, die sich mit den Partikeln der Schicht verbinden, in ein Gas (eine flüchtige Verbindung) umgewandelt und freigesetzt werden.
Obwohl freie Radikale isotrope Eigenschaften besitzen, werden Moleküle der Unterseite (deren Bindungskraft durch den Angriff von Kationen geschwächt ist) leichter von freien Radikalen eingefangen und in neue Verbindungen umgewandelt als Seitenwände mit starker Bindungskraft. Daher ist das Ätzen von oben nach unten der vorherrschende Prozess. Die eingefangenen Partikel werden zu einem Gas mit freien Radikalen, das unter Vakuum desorbiert und von der Oberfläche freigesetzt wird.
Hierbei werden die durch physikalische Einwirkung erzeugten Kationen und die durch chemische Einwirkung erzeugten freien Radikale für die physikalische und chemische Ätzung kombiniert. Die Ätzrate (der Ätzgrad in einem bestimmten Zeitraum) erhöht sich dadurch um das Zehnfache im Vergleich zur reinen kationischen oder radikalischen Ätzung. Dieses Verfahren steigert nicht nur die Ätzrate bei anisotroper Abwärtsätzung, sondern beseitigt auch Polymerrückstände nach dem Ätzen. Es wird als reaktives Ionenätzen (RIE) bezeichnet. Entscheidend für den Erfolg des RIE-Ätzens ist die Wahl eines geeigneten Plasmagases. Anmerkung: Plasmaätzen ist RIE-Ätzen; beide Verfahren können als gleichwertig betrachtet werden.
4. Ätzrate und Kernleistungsindex
Abbildung 4. Leistungsindex des Kernätzprozesses in Abhängigkeit von der Ätzrate
Die Ätzrate bezeichnet die Schichtdicke, die voraussichtlich innerhalb einer Minute erreicht wird. Was bedeutet es also, dass die Ätzrate von Bereich zu Bereich auf einem einzelnen Wafer variiert?
Das bedeutet, dass die Ätztiefe von Bereich zu Bereich auf dem Wafer variiert. Daher ist es sehr wichtig, den Endpunkt (EOP) für den Ätzvorgang unter Berücksichtigung der durchschnittlichen Ätzrate und Ätztiefe festzulegen. Selbst wenn der EOP festgelegt ist, gibt es Bereiche, in denen die Ätztiefe größer (überätzt) oder flacher (unterätzt) als ursprünglich geplant ist. Unterätzung verursacht jedoch während des Ätzprozesses mehr Schaden als Überätzung, da die unterätzten Bereiche nachfolgende Prozesse wie die Ionenimplantation behindern.
Die Selektivität (gemessen an der Ätzrate) ist ein entscheidender Leistungsindikator des Ätzprozesses. Die Messung basiert auf dem Vergleich der Ätzrate der Maskenschicht (Fotolack, Oxidschicht, Siliziumnitridschicht usw.) mit der der Zielschicht. Je höher die Selektivität, desto schneller wird die Zielschicht geätzt. Mit zunehmender Miniaturisierung steigen die Anforderungen an die Selektivität, um die perfekte Darstellung feinster Strukturen zu gewährleisten. Da die Ätzrichtung geradlinig ist, ist die Selektivität beim kationischen Ätzen gering, während die Selektivität beim radikalischen Ätzen hoch ist, was die Selektivität des reaktiven Ionenätzens (RIE) verbessert.
5. Ätzprozess
Abbildung 5. Ätzprozess
Zunächst wird der Wafer in einen Oxidationsofen mit einer Temperatur zwischen 800 und 1000 °C eingebracht. Anschließend wird mittels eines Trockenverfahrens ein Siliziumdioxidfilm (SiO₂) mit hohen Isolationseigenschaften auf der Waferoberfläche abgeschieden. Danach erfolgt die Abscheidung einer Siliziumschicht oder einer leitfähigen Schicht auf dem Oxidfilm durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bzw. physikalische Gasphasenabscheidung (PVD). Wird eine Siliziumschicht abgeschieden, kann bei Bedarf eine Dotierungsdiffusion durchgeführt werden, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Während der Dotierungsdiffusion werden häufig wiederholt mehrere Verunreinigungen hinzugefügt.
Für den Ätzprozess müssen nun die Isolierschicht und die Polysiliziumschicht kombiniert werden. Zunächst wird ein Fotolack aufgetragen. Anschließend wird eine Maske auf den Fotolackfilm aufgebracht und durch Eintauchen in den Film eine Nassbelichtung durchgeführt, um das gewünschte Muster (für das bloße Auge unsichtbar) auf den Fotolackfilm zu übertragen. Sobald die Konturen des Musters durch die Entwicklung sichtbar werden, wird der Fotolack im lichtempfindlichen Bereich entfernt. Der mittels Fotolithografie bearbeitete Wafer wird dann dem Trockenätzprozess zugeführt.
Das Trockenätzen erfolgt hauptsächlich mittels reaktivem Ionenätzen (RIE), wobei der Ätzvorgang durch Austausch des für jeden Film geeigneten Quellgases wiederholt wird. Sowohl Trocken- als auch Nassätzen zielen darauf ab, das Aspektverhältnis (A/R-Wert) der Ätzung zu erhöhen. Zusätzlich ist eine regelmäßige Reinigung erforderlich, um das am Grund der durch das Ätzen entstandenen Vertiefungen angesammelte Polymer zu entfernen. Wichtig ist, dass alle Variablen (wie Material, Quellgas, Zeit, Form und Reihenfolge) so angepasst werden, dass die Reinigungslösung oder das Plasma-Quellgas bis zum Grund der Vertiefung fließen kann. Eine geringfügige Änderung einer Variablen erfordert die Neuberechnung der anderen, und dieser Berechnungsprozess wird so lange wiederholt, bis das Ziel jeder Phase erreicht ist. In letzter Zeit sind monoatomare Schichten wie ALD-Schichten (Atomlagenabscheidung) dünner und härter geworden. Daher entwickelt sich die Ätztechnologie hin zur Anwendung niedriger Temperaturen und Drücke. Das Ätzverfahren zielt darauf ab, die kritische Dimension (CD) zu kontrollieren, um feine Strukturen zu erzeugen und Probleme, die durch den Ätzprozess entstehen können – insbesondere Unterätzung und Probleme bei der Rückstandsentfernung – zu vermeiden. Die beiden vorangegangenen Artikel zum Thema Ätzen sollen den Lesern ein Verständnis für den Zweck des Ätzprozesses, die Hindernisse bei der Erreichung der genannten Ziele und die Leistungsindikatoren zur Überwindung dieser Hindernisse vermitteln.
Veröffentlichungsdatum: 10. September 2024