Halbleitertechnologie von A bis Z

Bei der nasschemischen Ätzung werden Schichten in der Regel isotrop abgetragen, doch gerade bei kleinen Strukturen ist ein anisotropes Ätzprofil wichtig. Dafür eignen sich die Trockenätzverfahren, die eine ausreichende Selektivität bieten. Die Verfahren ermöglichen reproduzierbare homogene Ätzungen der meisten Schichten, die in der Halbleiterfertigung zum Einsatz kommen. Dabei können neben anisotropen Ätzprofilen auch isotrope realisiert werden. Trotz der hohen Anlagenkosten und der sequentiellen Einzelscheibenbearbeitung hat sich das Trockenätzen gegen die nasschemische Ätzung durchgesetzt.

Trockenätzprozesse werden über einige wenige Kenngrößen beschrieben, die zugleich die Zielgrößen jeder Prozessentwicklung sind.

Ätzrate r

Die Ätzrate beschreibt den Ätzabtrag pro Zeit und wird z.B. in Nanometer pro Minute oder Ångström pro Sekunde angegeben.

$$r=\frac{Ätzabtrag \Delta z}{Ätzzeit \Delta t}$$

Anisotropiefaktor f

Der Anisotropiefaktor beschreibt das Verhältnis von horizontaler Ätzrate r_h zu vertikaler Ätzrate r_v.

$$f=1-\frac{r_h}{r_v}$$

Zur Strukturübertragung sind stark anisotrope Prozesse erwünscht, also Ätzungen nur in vertikaler Richtung, so dass die Lackmaske nicht unterätzt wird. Für anisotrope Ätzungen ergibt sich f → 1, und dementsprechend für isotrope Prozesse f → 0.

Selektivität S_jk

Die Selektivität S_jk zwischen Material j und Material k beschreibt das Verhältnis der Ätzraten zweier Materialien, z.B. von zu strukturierender Schicht (j) und Lackmaske (k).

$$S_{jk}=\frac{r_j}{r_k}$$

Ob eine hohe oder geringe Selektivität gewünscht ist, hängt vom jeweiligen Prozess ab. Bei der Strukturierung von Schichten sollte der Wert möglichst groß sein, d.h. die zu strukturierende Schicht wird schneller abgetragen als die Lackmaske. Beim Reflowrückätzen muss die Selektivität 1 betragen um Topografien gleichmäßig einzuebnen.

Uniformität U

Die Uniformität beschreibt, wie gleichmäßig der Abtrag ausfällt – über eine Scheibe hinweg, von Scheibe zu Scheibe und von Charge zu Charge. Sie wird als Streuung der Ätzrate bezogen auf deren Mittelwert angegeben.

$$U=\frac{r_{max}-r_{min}}{r_{max}+r_{min}}\cdot 100\,\%$$

Aspektverhältnis A

Das Aspektverhältnis ist das Verhältnis von Ätztiefe z zu Strukturbreite b. Es beschreibt, wie schlank ein Graben oder Loch ist.

$$A=\frac{z}{b}$$

Mit steigendem Aspektverhältnis sinkt die Ätzrate, weil die Ätzteilchen schlechter an den Strukturboden gelangen und die Reaktionsprodukte schlechter abgeführt werden. Dieser Effekt wird als aspektverhältnisabhängiges Ätzen (aspect ratio dependent etching, ARDE) oder RIE-Lag bezeichnet. Er ist heute die maßgebliche Grenze beim Ätzen tiefer Strukturen, etwa der Speicherlöcher im 3D-NAND-Flash mit Aspektverhältnissen von mehr als 50:1. Typische Profilfehler solcher Ätzungen sind das Bowing (bauchige Aufweitung im oberen Bereich), das Twisting (Verkippen tiefer Löcher gegeneinander) und das Microtrenching (überhöhter Abtrag in den Bodenecken).

Loading-Effekt

Die Ätzrate hängt von der insgesamt freiliegenden Fläche ab: Eine große zu ätzende Fläche verbraucht mehr Reaktivteilchen, die Ätzrate sinkt. Makroloading betrifft die gesamte Scheibe bzw. Charge, Mikroloading die unmittelbare Umgebung einer einzelnen Struktur.

Da die Ätzrate von Anlagenzustand, Gasfluss und Belegung abhängt, wird eine Ätzung in der Fertigung nicht über eine feste Zeit gesteuert, sondern über eine Endpunkterkennung. Dazu verfolgt ein Spektrometer die optische Emission des Plasmas (optical emission spectroscopy, OES) – beim Durchätzen einer Schicht ändert sich die Intensität charakteristischer Linien, weil andere Reaktionsprodukte entstehen – oder ein Interferometer misst die verbleibende Schichtdicke. Nach dem erkannten Endpunkt folgt eine kurze, definierte Überätzzeit, um Reste über die gesamte Scheibe hinweg sicher zu entfernen.

Bei den Trockenätzverfahren werden Gase durch hochfrequente Wechselfelder angeregt, typisch sind 13,56 MHz und 2,45 GHz. Bei einem Druck zwischen 0,1 Pa und 100 Pa liegt die freie Weglänge der Teilchen bei wenigen Millimetern bis Zentimetern.

Moderne Anlagen trennen die Erzeugung des Plasmas von der Beschleunigung der Ionen: Ein Generator hoher Frequenz (z.B. 13,56 MHz oder 60 MHz, induktiv oder per Mikrowelle eingekoppelt) stellt die Ladungsträgerdichte und damit die Ätzrate ein, ein zweiter Generator niedriger Frequenz (z.B. 400 kHz bis 2 MHz) an der Waferelektrode die Ionenenergie und damit den physikalischen Anteil der Ätzung. Beide Größen sind so weitgehend unabhängig voneinander einstellbar. Zusätzlich wird das Plasma häufig gepulst, um Ladungsansammlungen und Profilfehler in tiefen Strukturen zu verringern.

Es gibt generell drei verschiedene Arten des Trockenätzens, welche auf der folgenden Seite näher beschrieben werden:

• Physikalisches Trockenätzen: physikalischer Abtrag der Scheibenoberfläche durch beschleunigte Teilchen
• Chemisches Trockenätzen: Reaktion zwischen Gas und Scheibenoberfläche
• Chemisch physikalisches Trockenätzen: physikalisches Ätzen mit chemischen Anteil

Als jüngere Entwicklung kommt das atomlagengenaue Ätzen (atomic layer etching, ALE) hinzu. Dabei werden die chemische Aktivierung der Oberfläche und der eigentliche Abtrag zeitlich getrennt und zyklisch wiederholt, so dass pro Zyklus nur eine oder wenige Atomlagen entfernt werden. Der Abtrag wird damit nicht über die Ätzzeit, sondern über die Anzahl der Zyklen eingestellt – eine Voraussetzung für Bauelemente, deren Schichtdicken nur noch wenige Nanometer betragen, etwa Gate-all-around-Transistoren.