Tecnologia del processo di incisione dei semiconduttori

L'incisione, o incisione, è un passaggio cruciale nella produzione di semiconduttori, nella produzione di circuiti integrati microelettronici e nei processi di produzione micro/nano. È un processo di modellazione primario associato alla fotolitografia. In senso stretto, l'incisione è essenzialmente un'incisione fotolitografica, in cui il fotoresist viene prima esposto utilizzando la fotolitografia, quindi vengono utilizzati altri metodi per incidere via il materiale indesiderato. L'incisione è il processo di rimozione selettiva del materiale indesiderato dalla superficie di un wafer di silicio utilizzando metodi chimici o fisici. Il suo obiettivo fondamentale è replicare accuratamente il modello della maschera sul wafer di silicio rivestito. Con lo sviluppo dei processi di microfabbricazione, l'attacco è diventato ampiamente un termine generale per lo strippaggio e la rimozione di materiale utilizzando soluzioni, ioni reattivi o altri metodi meccanici, diventando un termine comune nella microfabbricazione.

L'acquaforte può essere sostanzialmente classificata in due tipi: acquaforte a umido e acquaforte a secco. Nell'attacco a secco, il gas viene eccitato ad alte frequenze (principalmente 13,56 MHz o 2,45 GHz). Sotto pressioni comprese tra 1 e 100 Pa, il suo percorso libero medio varia da pochi millimetri a pochi centimetri. Esistono tre tipi principali di incisione a secco:

• Incisione fisica a secco: accelera l'usura fisica delle particelle sulla superficie del wafer;

• Incisione chimica a secco: il gas reagisce chimicamente con la superficie del wafer;

• Incisione chimico-fisica a secco: processo di incisione fisica con proprietà chimiche;

1. Incisione con fascio ionico

L'incisione con fascio ionico è un processo fisico di incisione a secco. Gli ioni argon vengono irradiati sulla superficie in un fascio ionico di circa 1-3 keV. A causa dell'energia degli ioni, bombardano il materiale superficiale. Il wafer viene inserito verticalmente o obliquamente nel fascio ionico e il processo di attacco è assolutamente anisotropo. La selettività è bassa perché non distingue tra gli strati. Il gas ed il materiale lucidato vengono espulsi tramite una pompa a vuoto; tuttavia, poiché i prodotti della reazione non sono gassosi, le particelle possono depositarsi sul wafer o sulle pareti della camera.

Per evitare queste particelle, nella camera viene introdotto un secondo gas. Questo gas reagisce con gli ioni argon, inducendo un processo di attacco fisico-chimico. Parte del gas reagisce con la superficie, ma parte reagisce con le particelle lucidate per formare sottoprodotti gassosi. Quasi tutti i materiali possono essere incisi utilizzando questo metodo. A causa della radiazione verticale, l'usura delle pareti verticali è molto bassa (elevata anisotropia). Tuttavia, a causa della bassa selettività e della bassa velocità di attacco, questo processo viene utilizzato raramente nella moderna produzione di semiconduttori.

2. Incisione al plasma

L'incisione al plasma è un processo di attacco assolutamente chimico (attacco chimico a secco). Il suo vantaggio è che la superficie del wafer non viene danneggiata dagli ioni accelerati. A causa delle particelle mobili del gas di attacco, il profilo di attacco è isotropo, rendendo questo metodo adatto alla rimozione di interi strati di pellicola (ad esempio, pulizia del lato posteriore dopo l'ossidazione termica).

Un tipo di reattore utilizzato per l'attacco al plasma è un reattore a valle. Il plasma viene acceso ad un'alta frequenza di 2,45 GHz mediante ionizzazione per impatto e il sito di ionizzazione per impatto si separa dal wafer.

Nella zona di scarico del gas a causa dell'impatto sono presenti diverse particelle, inclusi i radicali liberi. I radicali liberi sono atomi o molecole neutri con elettroni insaturi e sono quindi altamente reattivi. Come gas neutro, il tetrafluorometano (CF4) viene introdotto nella regione di scarico del gas e si separa in molecole CF2 e fluoro (F2). Allo stesso modo, il fluoro può essere separato dal CF4 aggiungendo ossigeno (O2):

2 CF4 + O2 ---> 2 COF2 + 2 F2

La molecola di fluoro può essere divisa in due atomi di fluoro separati dall'energia nella regione di scarica del gas: ogni atomo di fluoro è un radicale libero di fluoro, poiché ogni atomo ha sette elettroni di valenza e mira a raggiungere una configurazione di gas inerte. Oltre ai radicali liberi neutri, esistono diverse particelle parzialmente cariche (CF+4, CF+3, CF+2, ...). Tutte le particelle, i radicali liberi, ecc. entrano quindi nella camera di attacco attraverso un tubo di ceramica. Le particelle cariche possono essere bloccate dalla camera di attacco mediante una griglia di estrazione o ricombinarsi durante la formazione di molecole neutre. Anche i radicali del fluoro si ricombinano parzialmente, ma abbastanza da raggiungere la camera di incisione, reagire sulla superficie del wafer e causare abrasione chimica. Altre particelle neutre non fanno parte del processo di attacco e si esauriscono insieme ai prodotti di reazione.

Esempi di film sottili che possono essere incisi nell'attacco al plasma: • Silicio: Si + 4F ---> SiF4 • Biossido di silicio: SiO2 + 4F ---> SiF4 + O2 • Nitruro di silicio: Si3N4 + 12F ---> 3SiF4 + 2N2 3. Caratteristiche dell'attacco con ioni reattivi (RIE): selettività, profilo di attacco, velocità di attacco, uniformità e ripetibilità possono essere controllati in modo molto preciso nello ione reattivo acquaforte. Sono possibili profili di attacco isotropi e anisotropi. Pertanto, il RIE è un processo di attacco chimico-fisico ed è il processo più importante nella produzione di semiconduttori per la costruzione di un'ampia varietà di film sottili. Nella camera di processo il wafer viene posizionato su un elettrodo ad alta frequenza (elettrodo HF). Il plasma viene generato mediante ionizzazione per impatto, in cui compaiono elettroni liberi e ioni caricati positivamente. Se la tensione dell'elettrodo HF è positiva, su di esso si accumulano elettroni liberi che, a causa della loro affinità elettronica, non possono più allontanarsi dall'elettrodo. Pertanto l'elettrodo viene caricato a -1000 V (tensione di polarizzazione). Gli ioni lenti che non possono seguire il campo in rapida alternanza si muovono verso l'elettrodo caricato negativamente.

Se il percorso libero medio degli ioni è elevato, le particelle bombardano la superficie del wafer ad angoli quasi perpendicolari. Pertanto, il materiale viene espulso dalla superficie mediante ioni accelerati (attacco fisico) e alcune particelle reagiscono anche chimicamente con la superficie. Le pareti laterali non sono interessate, quindi non c'è usura e il profilo di incisione rimane anisotropo. La selettività non è troppo piccola, ma non è troppo grande a causa del processo di attacco fisico. Inoltre, la superficie del wafer viene danneggiata dagli ioni accelerati e deve essere indurita mediante ricottura termica. La parte chimica del processo di attacco viene eseguita attraverso la reazione dei radicali liberi con la superficie e il materiale che viene macinato fisicamente, quindi non si rideposita sul wafer o sulle pareti della camera come nell'attacco con fascio ionico. Aumentando la pressione nella camera di attacco diminuisce il libero cammino medio delle particelle. Pertanto, ci sono più collisioni e le particelle viaggiano in direzioni diverse. Ciò si traduce in un'incisione meno direzionale e il processo di incisione acquisisce più proprietà chimiche. Una maggiore selettività si traduce in un profilo di attacco più isotropo. I profili di attacco anisotropico si ottengono attraverso la passivazione delle pareti laterali durante l'attacco del silicio. L'ossigeno nella camera di attacco reagisce con il silicio macinato per formare biossido di silicio, che si deposita sulle pareti verticali. La pellicola di ossido sulle regioni orizzontali viene rimossa grazie al bombardamento ionico, consentendo al processo di attacco laterale di continuare.

La velocità di attacco dipende dalla pressione, dalla potenza del generatore ad alta frequenza, dal gas di processo, dalla portata effettiva del gas e dalla temperatura del wafer. L'anisotropia aumenta con l'aumento della potenza ad alta frequenza, con la diminuzione della pressione e della temperatura. L'uniformità del processo di attacco dipende dal gas, dalla distanza tra i due elettrodi e dal materiale dell'elettrodo. Se la distanza è troppo piccola, il plasma non può essere disperso in modo uniforme, con conseguente disomogeneità. Aumentando la distanza degli elettrodi si riduce la velocità di attacco perché il plasma è distribuito su un volume espanso. Per gli elettrodi, il carbonio si è rivelato il materiale preferito. Poiché anche il fluoro e il cloro attaccano il carbonio, gli elettrodi producono un plasma tensionato uniforme, quindi i bordi del wafer vengono influenzati allo stesso modo del centro del wafer.

La selettività e la velocità di attacco dipendono fortemente dal gas di processo. Per il silicio e i composti del silicio vengono utilizzati principalmente fluoro e cloro.

I processi di attacco non sono limitati a un singolo gas, miscela di gas o parametri di processo fissi. Ad esempio, gli ossidi nativi sul polisilicio possono essere rimossi prima con una velocità di attacco elevata e con bassa selettività, seguiti dall'attacco del polisilicio con selettività più elevata rispetto agli strati sottostanti.

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