El proceso de grabado en seco generalmente consta de cuatro estados básicos: antes del grabado, grabado parcial, solo grabado y sobregrabado. Las características principales son la tasa de grabado, la selectividad, la dimensión crítica, la uniformidad y la detección del punto final.
Figura 1 Antes del grabado
Figura 2 Grabado parcial
Figura 3 Simplemente grabando
Figura 4 Sobregrabado
(1) Tasa de grabado: la profundidad o espesor del material grabado eliminado por unidad de tiempo.
Figura 5 Diagrama de tasa de grabado
(2) Selectividad: la relación de tasas de grabado de diferentes materiales de grabado.
Figura 6 Diagrama de selectividad
(3) Dimensión crítica: el tamaño del patrón en un área específica después de completar el grabado.
Figura 7 Diagrama de dimensiones críticas
(4) Uniformidad: para medir la uniformidad de la dimensión crítica de grabado (CD), generalmente caracterizada por el mapa completo de CD, la fórmula es: U=(Max-Min)/2*AVG.
Figura 8 Diagrama esquemático de uniformidad
(5) Detección del punto final: durante el proceso de grabado, el cambio de intensidad de la luz se detecta constantemente. Cuando una determinada intensidad de luz aumenta o disminuye significativamente, el grabado finaliza para marcar la finalización de una determinada capa de grabado de película.
Figura 9 Diagrama esquemático del punto final
En el grabado en seco, el gas se excita mediante alta frecuencia (principalmente 13,56 MHz o 2,45 GHz). A una presión de 1 a 100 Pa, su recorrido libre medio es de varios milímetros a varios centímetros. Hay tres tipos principales de grabado en seco:
•Grabado físico seco: las partículas aceleradas desgastan físicamente la superficie de la oblea
•Grabado químico seco: el gas reacciona químicamente con la superficie de la oblea
•Grabado seco físico químico: proceso de grabado físico con características químicas
1. Grabado con haz de iones
El grabado con haz de iones (Ion Beam Etching) es un proceso de procesamiento físico en seco que utiliza un haz de iones de argón de alta energía con una energía de aproximadamente 1 a 3 keV para irradiar la superficie del material. La energía del haz de iones hace que impacte y elimine el material de la superficie. El proceso de grabado es anisotrópico en el caso de haces de iones incidentes verticales u oblicuos. Sin embargo, debido a su falta de selectividad, no existe una distinción clara entre materiales en diferentes niveles. Los gases generados y los materiales grabados son expulsados por la bomba de vacío, pero como los productos de la reacción no son gases, las partículas se depositan en la oblea o en las paredes de la cámara.
Para evitar la formación de partículas, se puede introducir un segundo gas en la cámara. Este gas reaccionará con los iones de argón y provocará un proceso de grabado físico y químico. Parte del gas reaccionará con el material de la superficie, pero también reaccionará con las partículas pulidas para formar subproductos gaseosos. Con este método se pueden grabar casi todo tipo de materiales. Debido a la radiación vertical, el desgaste de las paredes verticales es muy pequeño (alta anisotropía). Sin embargo, debido a su baja selectividad y baja velocidad de grabado, este proceso rara vez se utiliza en la fabricación actual de semiconductores.
2. Grabado con plasma
El grabado con plasma es un proceso de grabado químico absoluto, también conocido como grabado químico en seco. Su ventaja es que no causa daños por iones en la superficie de la oblea. Dado que las especies activas en el gas de grabado pueden moverse libremente y el proceso de grabado es isotrópico, este método es adecuado para eliminar toda la capa de película (por ejemplo, limpiar la parte posterior después de la oxidación térmica).
Un reactor aguas abajo es un tipo de reactor comúnmente utilizado para el grabado con plasma. En este reactor, el plasma se genera mediante ionización por impacto en un campo eléctrico de alta frecuencia de 2,45 GHz y se separa de la oblea.
En la zona de descarga de gas se generan diversas partículas debido al impacto y la excitación, incluidos los radicales libres. Los radicales libres son átomos neutros o moléculas con electrones insaturados, por lo que son muy reactivos. En el proceso de grabado con plasma se suelen utilizar algunos gases neutros, como el tetrafluorometano (CF4), que se introducen en la zona de descarga de gas para generar especies activas por ionización o descomposición.
Por ejemplo, en el gas CF4, se introduce en la zona de descarga del gas y se descompone en radicales de flúor (F) y moléculas de difluoruro de carbono (CF2). De manera similar, el flúor (F) se puede descomponer a partir del CF4 añadiendo oxígeno (O2).
2 CF4 + O2 —> 2 COF2 + 2 F2
La molécula de flúor puede dividirse en dos átomos de flúor independientes bajo la energía de la región de descarga de gas, cada uno de los cuales es un radical libre de flúor. Dado que cada átomo de flúor tiene siete electrones de valencia y tiende a alcanzar la configuración electrónica de un gas inerte, todos son muy reactivos. Además de los radicales libres de flúor neutros, en la región de descarga de gas habrá partículas cargadas como CF+4, CF+3, CF+2, etc. Posteriormente, todas estas partículas y radicales libres se introducen en la cámara de grabado a través del tubo cerámico.
Las partículas cargadas pueden bloquearse mediante rejillas de extracción o recombinarse en el proceso de formación de moléculas neutras para controlar su comportamiento en la cámara de grabado. Los radicales libres de flúor también sufrirán una recombinación parcial, pero aún son lo suficientemente activos como para ingresar a la cámara de grabado, reaccionar químicamente en la superficie de la oblea y provocar la extracción del material. Otras partículas neutras no participan en el proceso de grabado y se consumen junto con los productos de reacción.
Ejemplos de películas delgadas que se pueden grabar mediante grabado con plasma:
• Silicio: Si + 4F—> SiF4
• Dióxido de silicio: SiO2 + 4F—> SiF4 + O2
• Nitruro de silicio: Si3N4 + 12F—> 3SiF4 + 2N2
3.Grabado de iones reactivos (RIE)
El grabado con iones reactivos es un proceso de grabado químico-físico que puede controlar con mucha precisión la selectividad, el perfil de grabado, la velocidad de grabado, la uniformidad y la repetibilidad. Puede lograr perfiles de grabado isotrópicos y anisotrópicos y, por lo tanto, es uno de los procesos más importantes para construir diversas películas delgadas en la fabricación de semiconductores.
Durante la RIE, la oblea se coloca sobre un electrodo de alta frecuencia (electrodo HF). Mediante la ionización por impacto se genera un plasma en el que existen electrones libres e iones cargados positivamente. Si se aplica una tensión positiva al electrodo de alta frecuencia, los electrones libres se acumulan en la superficie del electrodo y no pueden volver a salir del electrodo debido a su afinidad electrónica. Por lo tanto, los electrodos se cargan a -1000 V (voltaje de polarización) para que los iones lentos no puedan seguir el campo eléctrico que cambia rápidamente hasta el electrodo cargado negativamente.
Durante el grabado de iones (RIE), si el camino libre medio de los iones es alto, golpean la superficie de la oblea en una dirección casi perpendicular. De esta manera, los iones acelerados destruyen el material y forman una reacción química mediante grabado físico. Dado que las paredes laterales no se ven afectadas, el perfil de grabado permanece anisotrópico y el desgaste de la superficie es pequeño. Sin embargo, la selectividad no es muy alta porque también se produce el proceso de grabado físico. Además, la aceleración de los iones provoca daños en la superficie de la oblea, lo que requiere recocido térmico para repararla.
La parte química del proceso de grabado se completa cuando los radicales libres reaccionan con la superficie y los iones golpean físicamente el material para que no se vuelva a depositar en la oblea o en las paredes de la cámara, evitando el fenómeno de redeposición como el grabado con haz de iones. Al aumentar la presión del gas en la cámara de grabado, se reduce el camino libre medio de los iones, lo que aumenta el número de colisiones entre los iones y las moléculas de gas, y los iones se dispersan en direcciones más diferentes. Esto da como resultado un grabado menos direccional, lo que hace que el proceso de grabado sea más químico.
Los perfiles de grabado anisotrópico se logran pasivando las paredes laterales durante el grabado con silicio. Se introduce oxígeno en la cámara de grabado, donde reacciona con el silicio grabado para formar dióxido de silicio, que se deposita en las paredes laterales verticales. Debido al bombardeo iónico, se elimina la capa de óxido de las áreas horizontales, permitiendo que continúe el proceso de grabado lateral. Este método puede controlar la forma del perfil de grabado y la inclinación de las paredes laterales.
La tasa de grabado se ve afectada por factores como la presión, la potencia del generador de HF, el gas de proceso, el caudal de gas real y la temperatura de la oblea, y su rango de variación se mantiene por debajo del 15%. La anisotropía aumenta al aumentar la potencia de HF, disminuir la presión y disminuir la temperatura. La uniformidad del proceso de grabado está determinada por el gas, la distancia entre electrodos y el material de los electrodos. Si la distancia entre los electrodos es demasiado pequeña, el plasma no se puede dispersar uniformemente, lo que produce una falta de uniformidad. Aumentar la distancia del electrodo reduce la tasa de grabado porque el plasma se distribuye en un volumen mayor. El carbono es el material de electrodo preferido porque produce un plasma tenso uniforme de modo que el borde de la oblea se ve afectado de la misma manera que el centro de la oblea.
El gas de proceso juega un papel importante en la selectividad y la tasa de grabado. En el caso del silicio y los compuestos de silicio, se utilizan principalmente flúor y cloro para lograr el grabado. Seleccionar el gas apropiado, ajustar el flujo y la presión del gas y controlar otros parámetros como la temperatura y la potencia en el proceso puede lograr la tasa de grabado, la selectividad y la uniformidad deseadas. La optimización de estos parámetros suele ajustarse para diferentes aplicaciones y materiales.
El proceso de grabado no se limita a un gas, una mezcla de gases o parámetros de proceso fijos. Por ejemplo, el óxido nativo sobre polisilicio se puede eliminar primero con una alta velocidad de grabado y baja selectividad, mientras que el polisilicio se puede grabar más tarde con una mayor selectividad en relación con las capas subyacentes.
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Hora de publicación: 12 de septiembre de 2024