Panduan Teknologi Goresan Semikonduktor dan Kecacatan Biasa

I. Pengenalan kepada Proses Pembuatan Litar Bersepadu

Proses pembuatan litar bersepadu melibatkan banyak langkah teknologi, dan etsa adalah salah satu daripada langkah ini. Ia ialah teknologi teras dalam bidang mikroelektronik, yang melibatkan penyingkiran terpilih filem nipis pada atau pada substrat semikonduktor mengikut-corak atau reka bentuk topeng yang telah ditetapkan.

Goresan biasanya digunakan untuk mengetsa dan mengeluarkan filem nipis secara terpilih daripada substrat semikonduktor atau salutan permukaan, dan selalunya digabungkan dengan proses fotolitografi dan pemendapan untuk mencapai pemindahan corak.

Teknologi goresan dan pemendapan plasma telah menjadi kaedah goresan utama kerana ketepatan prosesnya yang terus bertambah baik. Dalam pembuatan cip, fotolitografi dan proses etsa/pemendapan beroperasi dalam gelung mudah, yang diulang sehingga struktur yang dikehendaki dan keperluan ketepatan yang ideal dicapai.

Penerangan ringkas tentang proses goresan adalah seperti berikut: Pertama, filem nipis bercorak dimendapkan pada struktur substrat. Filem yang disimpan ini biasanya dipanggil topeng. Kemudian, ia ditutup dengan bahan fotosensitif yang dipanggil photoresist dan terdedah kepada cahaya oleh photomask bercorak. Langkah ini dipanggil pendedahan.

Photoresists boleh dikelaskan secara meluas kepada dua jenis: photoresist positif dan photoresist negatif. Photoresists positif menawarkan kelebihan seperti pengecaman corak yang tinggi dan fleksibiliti pemprosesan, membolehkan pemindahan corak dengan saiz ciri yang lebih kecil pada nod teknologi canggih. Walau bagaimanapun, rintangan kakisan mereka agak lemah, dan keupayaan mereka untuk melindungi bahan asas semasa proses berikutnya seperti etsa tidak sebaik photoresists negatif.

Photoresist negatif, sebaliknya, menawarkan rintangan kakisan yang lebih baik dan sesuai untuk aplikasi yang memerlukan lapisan photoresist yang lebih tebal untuk melindungi bahan asas. Dalam kebanyakan proses etsa yang praktikal, photoresist negatif dipilih sebagai bahan untuk topeng pelindung.

[Imej] Selepas itu, wafer direndam dalam larutan yang sedang berkembang untuk mengeluarkan bahagian terdedah fotoresist. Kemudian, bahagian photoresist yang tidak terdedah dipindahkan ke topeng, dengan itu membentuk corak yang diingini. Proses ini dipanggil pembangunan.

Bahagian fotoresist yang tidak terdedah terukir melalui tindak balas kimia, pengeboman fizikal, atau gabungan kedua-duanya. Selepas etsa, photoresist dikeluarkan, meninggalkan filem nipis dengan corak yang ditampilkan. Proses di atas secara kasar menerangkan proses pemindahan ciri. Langkah-langkah ini diulang beberapa kali semasa fabrikasi peranti untuk membentuk struktur peranti yang memenuhi keperluan khusus. Oleh itu, boleh dikatakan bahawa kecanggihan proses etsa, pada tahap tertentu, menentukan prestasi peranti. Berbanding kaedah etsa tradisional, etsa plasma menawarkan anisotropi yang lebih baik, kerosakan tenaga yang lebih rendah, fleksibiliti yang lebih besar, kebolehulangan, kadar etsa yang lebih tinggi dan kebolehkawalan yang lebih baik.

II. Goresan Basah

Goresan basah digunakan secara meluas dalam medan litar bersepadu. Pada asasnya, ia adalah proses tindak balas kimia semata-mata. Ia menggunakan reagen kimia cecair (atau etsa) untuk bertindak balas dengan bahan yang akan terukir, membentuk-hasil sampingan tindak balas larut air yang mengeluarkan bahan yang tidak diingini.

Tindak balas kimia ini biasanya berdasarkan tindak balas redoks, tindak balas peneutralan asid{0}}bes, dsb.

Sebagai contoh, dalam etsa basah silikon, etsa yang biasa digunakan ialah campuran asid hidrofluorik (HF) dan asid nitrik (HNO₃). Asid nitrik bertindak sebagai pengoksida, mengoksidakan silikon kepada silikon dioksida, manakala asid hidrofluorik bertindak balas dengan silikon dioksida untuk membentuk-asid heksafluorosilisik larut air (H₂SiF₆), sekali gus mencapai kesan goresan.

[Imej] Melihat kepada sejarah proses goresan, teknik terawal yang digunakan ialah goresan basah, pada mulanya terutamanya untuk pembersihan dan goresan mudah permukaan wafer silikon. Pada tahun 1960-an, rawatan kimia wafer silikon mempamerkan orientasi dan pergantungan kepekatan. Pada peringkat ini, goresan basah terutamanya berasaskan larutan-asas asid ringkas; contohnya, apabila menggunakan larutan KOH sebagai etchant, orientasi kristal yang berbeza menghasilkan kadar goresan yang berbeza.

Dengan perkembangan pesat teknologi litar bersepadu, proses goresan basah telah dioptimumkan lagi. Penyelidik mula mengkaji secara sistematik kadar etsa dan selektiviti etsa yang berbeza pada bahan yang berbeza, seperti silikon, silikon dioksida (SiO₂), dan silikon nitrida (Si₃N₄). Memandangkan saiz peranti mikroelektronik terus mengecil, proses goresan basah memerlukan ketepatan dan selektiviti yang lebih tinggi. Penyelidik telah membangunkan pelbagai bahan dan bahan tambahan goresan baru untuk mencapai kawalan yang tepat ke atas kadar goresan dan profil-postingan.

Goresan basah kekal sebagai proses penting dalam pembuatan semikonduktor moden, terutamanya dalam pengeluaran sistem mekanikal-elektro{1}}mikro (MEMS) dan peranti skala nano.

Dalam proses etsa praktikal, cabaran utama terletak pada mengekalkan ketepatan pemindahan ciri. Oleh itu, proses etsa yang ideal bertujuan untuk kerosakan sampel yang minimum, kadar etsa yang tinggi, selektiviti tinggi, morfologi profil ciri yang memuaskan, dan anisotropi yang baik.

Memandangkan goresan basah terutamanya menggunakan tindak balas kimia, ia hanya boleh mencapai etsa isotropik. Walaupun dengan selektiviti yang tinggi, kesan kapilari yang disebabkan oleh penyelesaian semasa etsa kekal sebagai masalah berterusan; isu ini menjadikan lekatan lebih berkemungkinan apabila menokok struktur nisbah aspek tinggi. Pada masa ini, goresan basah menawarkan kelebihan seperti selektiviti tinggi, kos rendah dan keupayaan untuk mengetsa kelompok besar wafer dalam satu operasi. Walau bagaimanapun, etchant (penyelesaian) sukar untuk dipelihara untuk tempoh yang lama, dan kadar etsa sukar dikekalkan secara konsisten, memberi kesan ketara kepada keseragaman goresan. Oleh itu, goresan basah secara amnya hanya digunakan untuk proses dimensi bukan{4}}kritikal dan mempunyai had dalam -ketumpatan tinggi, struktur berketepatan tinggi-tinggi.

III. Goresan Kering

Teknologi goresan kering menggunakan plasma untuk mencapai proses goresan. Sebaik sahaja gas dimasukkan ke dalam rongga, ia terion dan berubah menjadi keadaan plasma.

Gambaran Keseluruhan Plasma

Pada tahun 1920-an, Langmuir dan rakan-rakannya mula-mula mencadangkan konsep plasma. Ia terdiri daripada elektron, ion bercas, dan zarah neutral, mempamerkan ciri pengionan tinggi dan neutraliti elektrik keseluruhan. Sebagai keadaan jirim keempat, berbeza daripada pepejal, cecair, dan gas, plasma wujud di setiap sudut alam semesta.

Komposisi zarah bercasnya yang unik memberikan plasma dengan dua ciri penting: kekonduksian yang sangat baik dan gandingan yang kuat dengan medan elektromagnet. Ciri-ciri yang boleh dikawal ini menjadikannya memainkan peranan yang tidak boleh ditukar ganti dalam bidang perindustrian, terutamanya dalam teknologi pembuatan semikonduktor.

[Imej] Plasma yang dijana oleh nyahcas frekuensi radio termasuk plasma berganding kapasitif dan plasma berganding induktif. Plasma gandingan secara induktif (ICP) ialah keadaan plasma berketumpatan-tenaga-tinggi yang dijana oleh mekanisme gandingan induktif bagi medan elektromagnet-berfrekuensi tinggi.

Prinsip kerjanya boleh dibahagikan kepada proses utama berikut: Pertama, gas proses yang diperlukan dimasukkan ke dalam ruang tindak balas, dan isyarat frekuensi radio standard 13.56 MHz digunakan pada gegelung aruhan di luar ruang. Mengikut undang-undang aruhan elektromagnet Faraday, apabila fluks magnet melalui gegelung berubah mengikut masa, arus ulang alik dijana di dalam gegelung. Arus ini menjana masa-medan magnet yang berbeza-beza dalam ruang, seterusnya mendorong penjanaan medan elektrik lilitan. Di bawah pengaruh medan elektrik lilitan, elektron dipercepatkan. Apabila mereka mengumpul tenaga yang mencukupi, sistem memasuki mod elektromagnet yang dikuasai oleh gandingan induktif (mod H).

Perlu diingat bahawa apabila kuasa frekuensi radio digunakan merentasi gegelung, penurunan voltan ratusan hingga ribuan volt dijana. Medan elektrostatik yang terhasil boleh menyebabkan kerosakan gas, membentuk mod elektrostatik (mod E). Mod nyahcas sistem berkait rapat dengan kuasa input: dalam keadaan kuasa rendah, mod E mendominasi dengan ketumpatan plasma yang lebih rendah; di bawah keadaan kuasa tinggi, mod H adalah dominan.

Dalam keadaan plasma, ia mempamerkan dua ciri penting:

Pertama, gas dalam plasma mempamerkan kereaktifan kimia yang lebih tinggi berbanding keadaan biasa. Ini bermakna kita boleh memilih gas etsa yang sesuai (iaitu bahan tindak balas) berdasarkan ciri-ciri bahan yang akan digores, dengan itu mempercepatkan tindak balas kimia dengan bahan dan mencapai tujuan etsa.

Kedua, plasma boleh dibimbing dan dipercepatkan oleh medan elektrik, membawa sejumlah tenaga. Apabila plasma tenaga tinggi-ini memberi kesan pada permukaan objek yang akan terukir dengan pecutan, goresan diselesaikan melalui mekanisme pemindahan tenaga fizikal.

Oleh itu, etsa kering sebenarnya adalah hasil daripada kedua-dua proses fizikal dan kimia.

Ciri unik teknologi etsa kering plasma ialah ia bukan sahaja boleh melakukan etsa anisotropik tetapi juga mengekalkan pemindahan corak yang tepat sambil mengekalkan saiz ciri kritikal yang sangat kecil.

Goresan kering ialah istilah umum untuk pelbagai teknologi goresan kering, yang telah dibangunkan secara beransur-ansur mengikut keperluan pada masa itu.

Goresan pancaran ion ialah alternatif-generasi pertama kepada goresan basah. Ia menggunakan pancaran ion tenaga-tinggi (100seV-1000seV) untuk membedil bahan secara fizikal, menghasilkan goresan yang sangat anisotropik.

Walaupun tenaga tinggi yang diperlukan dan kadar goresan yang cukup tinggi boleh dicapai secara industri, ini tidak dapat tidak merosakkan permukaan substrat, berpotensi hingga kedalaman berpuluh-puluh mikrometer.

Tambahan pula, implantasi kekotoran semasa pengeboman zarah mewujudkan kecacatan ketara pada permukaan wafer dan memperkenalkan tahap ketumpatan kekotoran tertentu.

Pada tahun 1979, Coburn dan Winters menemui kesan sinergistik apabila pancaran ion argon digabungkan dengan fluks atom fluorin yang dihasilkan oleh gas XeF2 terma, meningkatkan kadar etsa kerana fluks gas bercampur adalah tertib magnitud atau lebih besar daripada yang dihasilkan dengan menggunakan sama ada gas sahaja.

Selain itu, anisotropi semasa etsa dikekalkan melalui kesan pengaktifan fluks ion; proses ini dipanggil ion-etsa dipertingkatkan, atau reactive ion etching (RIE).

Kemudian, pada akhir 1980-an, teknologi plasma gandingan kapasitif (CCP) matang dan digunakan secara meluas dalam etsa dielektrik (seperti SiO₂).

Pada tahun 1990-an, teknologi plasma (ICP) dan elektron cyclotron resonance (ECR) berganding induktif secara beransur-ansur menjadi dikomersialkan. Kedua-dua teknologi ini telah meningkatkan ketumpatan plasma dan kadar goresan dengan ketara, dengan ICP ialah plasma berketumpatan tinggi-tinggi yang paling biasa.

Dengan kemajuan selanjutnya, pada awal abad ke-21, teknologi pengetsaan lapisan atom (ALE) telah dicadangkan, membolehkan{1}}etsa skala atom melalui pempasifan kitaran dan langkah-langkah goresan. Memandangkan saiz ciri memasuki nod di bawah 3 nm, proses goresan memerlukan sub-keseragaman nanometer dan selektiviti tinggi, yang membawa penyelidikan kepada semakin memfokuskan pada pengoptimuman parameter proses menggunakan pembelajaran mesin.

IV. Anomali Biasa dalam Proses Etsa

Apabila proses etsa menjadi semakin canggih, pelbagai cabaran sering dihadapi semasa proses etsa. Cabaran ini termasuk fenomena berikut:

1. Kesan Microtrenching

Dalam pembuatan mikroelektronik, apabila menggunakan-reaktor goresan plasma berketumpatan tinggi, fluks ion meningkat dengan ketara dan pantulan spekular zarah tenaga tinggi-pada dinding sisi topeng dan parit menyebabkan fluks memfokus pada sudut parit, yang membawa kepada lonjakan dalam kadar goresan setempat (iaitu, kesan microtrenching). Secara amnya, kesan microtrenching berlaku kerana ion kesan hampir berserenjang dengan permukaan wafer. Dalam sesetengah kes, ini boleh membawa kepada-pantulan spektrum hampir dari dinding sisi menegak, meningkatkan fluks ion berhampiran bahagian bawah ciri dan seterusnya membentuk parit mikro-kesan yang tidak diingini.

2. Kesan Tunduk pada Dinding Sisi Profil Goresan

Percubaan jangka panjang-dijalankan pada profil etsa lubang sentuhan silikon dioksida nisbah aspek tinggi dalam plasma C4F6/CH2F2/O2/Ar. Didapati bahawa lekuk dinding sisi berpunca daripada tengkuk akibat pemendapan semula zarah terpercik pada cerun topeng, manakala tundukan disebabkan oleh ion terpantul pada cerun topeng.

3. Kesan Melemahkan Profil Goresan Di Bawah Topeng

Kesan undercutting adalah hasil daripada goresan isotropik semasa proses goresan. Goresan isotropik bermakna kadar goresan adalah lebih kurang sama dalam semua arah. Goresan isotropik ini menyebabkan goresan berlebihan pada bahagian di bawah topeng; oleh itu, kesan pemotongan juga dipanggil over-etching.

Apabila komponen isotropik kuat, contohnya, apabila menggunakan SF6 dengan kandungan F tinggi sebagai etchant, profil yang serupa dengan etsa basah diperhatikan.

Ini disebabkan oleh etsa yang disebabkan oleh radikal bebas neutral yang mengalami tindak balas kimia. Walau bagaimanapun, pemotongan terkecil boleh dikurangkan secara relatif dengan meningkatkan komponen menegak. Untuk mengelakkan pemotongan sepenuhnya dalam kes ini, perlindungan dinding sisi diperlukan. Biasanya, penggunaan voltan pincang membawa kepada pembentukan produk sampingan yang menyumbang kepada perlindungan dinding sisi ini, seperti menahan hakisan semasa etsa Al.

Kesan pemotongan bawah di bawah topeng profil etsa ditunjukkan dalam rajah di bawah.

4. Goresan Bergantung Nisbah Aspek (ARDE)

Goresan Bersandar Nisbah Aspek (ARDE), atau "histeresis RIE," merujuk kepada fenomena dalam proses goresan kering plasma di mana kadar goresan berkurangan dengan ketara apabila nisbah aspek (kedalaman hingga lebar) struktur terukir meningkat.

Fenomena ini amat ketara dalam struktur nisbah aspek tinggi (seperti lubang dalam dan parit sempit), mengakibatkan hasil goresan tidak-seragam untuk ciri goresan saiz atau bentuk yang berbeza di bawah keadaan proses yang sama. Apabila goresan berlangsung, kadar goresan berkurangan apabila nisbah bidang parit meningkat, atau dalam kes yang melampau, goresan berhenti.

Ini berlaku dengan lebih cepat dalam corak ciri yang lebih kecil, yang bermaksud bahawa corak ciri yang lebih kecil adalah lebih perlahan apabila struktur diameter berbeza terukir pada wafer yang sama.

Secara amnya, terdapat banyak faktor utama yang menyumbang kepada ARDE: kehilangan fluks ion di bahagian bawah struktur terukir dan kehabisan bahan neutral aktif akibat teduhan neutral dan pengangkutan Knudsen. Di satu pihak, fluks radikal bebas ke dalam parit yang lebih dalam adalah kunci kepada kinetik etsa, manakala penyusutan kandungan fluorin di bahagian bawah parit adalah punca utama ARDE. Sebaliknya, ARDE adalah hasil daripada fenomena pengangkutan. Semakin tinggi nisbah aspek, semakin sukar bagi bahan tindak balas untuk mencapai bahagian bawah parit, dan semakin sukar bagi hasil sampingan untuk melarikan diri. Kadar pemindahan jisim ini berbeza dengan proses goresan, menyebabkan kadar goresan berkurangan apabila goresan berlangsung.

Kesan pemuatan ditentukan oleh ciri-ciri sistem etsa dan lazim dalam semua etsa ion reaktif. Untuk mengurangkan kesan kesan ini pada hasil etsa, dalam satu pihak, ketumpatan yang lebih tinggi dan plasma teragih yang lebih seragam diperlukan. Sebaliknya, gas tambahan boleh ditambah kepada gas reaktif untuk mencairkan dan menghomogenkan plasma, prestasi sistem vakum boleh dipertingkatkan untuk mempercepatkan pertukaran plasma dan penyingkiran produk etsa, dan perhatian harus diberikan untuk mengimbangi ketumpatan corak apabila mereka bentuk topeng foto.