Dielektrische Radierung - Vergleich von Etch Verfahren zur Radierung SiO2 dielektrischen Schichten von Oxford Instruments Plasmatechnik

Behandelte Themen

Überblick

Dieser Beitrag vergleicht verschiedene Aspekte der dielektrischen Ätzen. Die beiden führenden Techniken zum Ätzen dielektrische diskutiert werden, nämlich Diode RIE und hoher Dichte basierten Prozessen. In dem Papier werden wir aktualisieren die neuesten Ergebnisse für diese Techniken und auch an der wachsenden Bedeutung von nanoskaligen Ätzen von dielektrischen Filmen zu suchen.

Dielektrische Etch Prozesse in verschiedenen Kammern

In den letzten Jahren dielektrischen etch Prozesse zunehmend in verschiedenen Kammern durchgeführt, je nach Kunden etch Anforderungen und finanziellen Möglichkeiten. Für dielektrische Ätzen, wo Ätzrate ist kein wesentlicher Treiber, mit hinreichender Linienbreiten (typischerweise> 1 &mgr;), sind traditionelle Dioden-Typ Kammern verwendet. Wo Rate Treiber, mit kleineren Linienbreiten (typisch <1 &mgr; M), sind High-Density-Plasma-Systemen verwendet.

Reactive Ion Etch (RIE) und Plasma Etch (PE)-Systeme

Traditionelle Diode oder Parallel-Platten sind Plasmakammern auch in der Industrie etabliert. Parallel-Plate-Systemen sind klassisch in zwei verschiedene Typen unterteilt, diese werden als Reactive Ion Etch (RIE) oder Plasma Etch (PE)-Systemen. Einige Hersteller haben magnetische Erweiterung dieser grundlegenden Systeme hinzugefügt, um Seitenwand verliert zu reduzieren und das Plasma. Von diesen beiden parallelen Platten Reaktoren der RIE-Typ-System wurde die man typischerweise für das Ätzen von dielektrischen Filmen angenommen. In einem RIE das Plasma typischerweise bei Frequenzen mit einer HF-Leistung im Bereich von einigen hundert Watt erzeugt, bis hin zum kW. Für die treibende Frequenz gewählt die Elektronen in der Kammer werden bevorzugt beschleunigt, während die Ionen durch die durchschnittliche elektrostatische Felder getrieben werden. Die bearbeiteten Wafer befindet sich auf dem gespeisten Elektrode (bis Ionenbeschleunigung zu steigern). Das Elektron mittlere freie Weglänge Grenzen der Betriebsdruck. Wenn der Druck in der Nähe des abgesenkt wird, bei dem die Elektronen die mittlere freie Weglänge nähert sich der Spalt zwischen den Elektroden (in der Regel mehrere cm) Plasma ist nicht mehr autark. Ein typisches RIE Anordnung ist in Abbildung 1 hervorgehoben.

Abbildung 1. RIE Schematische.

High-Density-Plasma (HDP) Chambers

High-density-Plasma (HDP) Kammern sind, so dass die Plasma-Elektronen in einer Richtung parallel zu der Kammer Grenzen sind begeistert konzipiert. Die häufigsten HDP Quelle ist der induktiv gekoppelten Plasma (ICP)-Kammer, die durch Verwendung OIPT . In diesem System wird das Plasma durch eine magnetische Potential durch eine Spule gewickelt außerhalb dielektrischen Wände (typisches Design siehe Abbildung 2) eingebettet ist. Die Richtung der Elektronenstrom ist entgegengesetzt zu der Spule Ströme, die durch Design, parallel zu der Kammer Oberflächen. Wenn das Plasma auf diese Weise angeregt wird das Elektron mittlere freie Weglänge können, die deutlich größer ist als die Kammer Abmessungen und der Betriebsdruck kann nachträglich gesenkt werden. Die untere Grenze der Druck ist in der Regel durch die Effizienz der jeweiligen Quelle diktiert. In den meisten Materialien Verarbeitung Plasmen des Elektrons Heizung ist in erster Linie resistive und die Impedanz des Plasmas Skalen mit der Dichte des Neutralen für inelastische Stöße. Da die Impedanz (Druck) wird abgesenkt, so ist die Fähigkeit von der Quelle bis zur Plasma-Laufwerk.

Abbildung 2. OIPT 300mm kompatiblen Quelle.

High-Density-Plasma Sources

High-density-Quellen lassen die Wafer-Platte unabhängig von der Quelle versorgt werden, was erhebliche Entkopplung zwischen der Ionenenergie (Wafer-Bias) und der Ionenfluss (Plasmadichte in erster Linie von Quelle angetrieben). In einem Plasma-Ätzen Umfeld der Anisotropie wird durch die Beschleunigung der Ionen durch die Plasma-Hüllen versehen, in eine Richtung senkrecht zur Waferoberfläche.

Die anisotropen und isotropen Komponenten

Die anisotrope Komponente wird maximiert, wenn die eingehenden Ionenfluss ist so normal wie möglich an die Oberfläche. Die isotrope Komponente der eingehenden Ionenfluss ist entweder thermisch (in der Regel weniger als 0,1 eV, im Vergleich zu mehreren hundert eV für den Mantel-Spannung), oder die durch Kollisionen der Ionen in die Hüllen mit Neutralen (entweder elastisch oder chargeexchange). Der Betrieb in einem lower-pressure/higher-density Regime bietet viel dünner und weniger collisional Hüllen, die es ermöglichen, eine anisotrope Ätzung Komponente zu erhalten.

Die Vorteile der ICP für dielektrische Etching

Die primären Vorteile in der Verarbeitung von ICP für dielektrische Ätzung sind besser CD-Steuerung, höhere Ätzraten, höhere Seitenverhältnisse und eine verbesserte Verarbeitung Fenster.

Die Strukturierung von Dielektrika, insbesondere Siliciumdioxid, liegt in der Herstellung von modernen Halbleiterbauelementen, Lichtwellenleiter, RF-IDs, Nanoimprint etc. Aufgrund der höheren Bindungsenergien dielektrische Ätzen erfordert aggressive, Ionen-enhanced, Fluor-basierten Plasmas chemische Systeme. Vertikale Profile werden von Seitenwand Passivierung erreicht, in der Regel durch die Einführung einer Kohlenstoff-Fluor enthaltenden Spezies des Plasmas (zB CF _4, CHF _3, C ₄ F _8). Hohe ionbombardment Energien sind erforderlich, um diese Polymerschicht aus dem Oxid zu entfernen, sowie die reaktive Spezies in der Oxidschicht Mix SiFx Produkte bilden.

Anwendungen der dielektrischen Etching

Dielektrische Ätzen Anwendungen in der Regel verlassen sich auf die konkurrierenden Einflüsse von Polymer-Abscheidung und reaktives Ionen-Ätzen auf vertikale Profile zu erreichen, sowie etch-Stopp auf darunter liegenden Schichten. Wie schwer Maske Open-Strukturgrößen bis 0,18 um oder weniger schrumpfen, für die Nanoimprint Anwendungen sind Seitenverhältnisse von 4:1 oder mehr erhöhen. Die Ionen und radikalen Wandel auf den Grund dieser Funktionen reduziert wird, aufgrund von Kollisionen mit dem Feature Seitenwände und andere Arten, die in der Funktion. Etch-Produkte (z. B. Si _x F _y O _z und C _x F _y) kann nicht diffundieren aus diesen Funktionen leicht, was zu einem übermäßigen Polymerisation in der Nähe der Unterseite der Funktion, die stark verjüngten Features und schlechte Maske Transfer schafft.

Traditionelle RIE Typ Prozesse sind in der Regel rund um CF ₄ / CHF ₃ basiert, in der Regel entweder mit O _2, He, Ar oder eine Permutation kombiniert. Da die Ionen-Energie kann nicht unabhängig voneinander gesteuert werden eine Erhöhung der HF-Leistung wird schließlich zu übermäßigen Fotolack Schäden führen. Dies schränkt die Ätzrate, die erreicht werden können, die zu einem gewissen Grad durch den Einsatz besserer Kühlung (Nutzung Spannen und liefert er an die Rückseite des Wafers) können gelindert werden. Für den Prozess in SEM1 führte die Ätzrate kann von 35nm auf 70nm mit einem solchen Verfahren verdoppelt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung des Durchsatzes ist die Batch-Größe zu erhöhen. Dies ist möglich für kleinere Wafer-Größen, bis zu 100mm, aber für 150mm und über das System Größe zu groß, mit der zusätzlichen Ausgaben von über batch Uniformität etc. Diode Kammern, auch bei Drücken üblicherweise in der Größenordnung von 10 ist der mT laufen , um das Plasma zu erhalten (siehe oben), wird dadurch die Anisotropie und Seitenverhältnisse, die geätzt werden können.

SEM 1 RIE Waveguide etch

High-Density-Plasma-Anlagen von Oxford Instruments

OIPT haben High-Density-Systeme entwickelt, um viele der Fragen im Zusammenhang mit Ätzrate, Anisotropie und Seitenverhältnis Abhängigkeit Adresse. In einem High-Density-System der Betriebsdruck kann sehr viel niedriger (10mTorr oder weniger), und die Diffusivität und Mobilität der reaktiven Spezies entsprechend höher. Neben den Ionenfluss ist unabhängig abstimmbaren von der Quelle Leistung, so dass die gesamte Ionenfluss ohne so viel von einem Anstieg der Ionenenergie kann erhöht werden, potentiell reduzieren widerstehen Schäden.

Der Einsatz traditioneller chemischer Systeme (z. B. CF ₄ / CHF ₃₎ in einem ICP-Kammer kann zu übermäßiger widerstehen Verlust / Beschädigung.

Dies geschieht, weil die höheren Ionenfluss entfernt zu viel des Polymers zum Schutz der zu widerstehen. Je größer Dissoziation Effizienz und hohe Ionenfluss von High-Density-Plasmaquellen, erlaubt die Verwendung eines höher Polymerisation Einsatzgas (zB C ₄ F _8). Wegen ihrer geringeren Betriebsdrücken (dh erhöhte Arten Diffusionskoeffizienten) Kammerwand Bedingungen spielen eine immer wichtigere Rolle in ICP Kammern. Zum Beispiel, um die Kontrolle Polymer Aufbau der Kammerwand Temperatur geregelt wird, Saugvermögen wird maximiert, plus regelmäßige Plasmareinigung Schritte sind vor der Verarbeitung ein Wafer verwendet.

ICP Based Silicon Dioxide Etching System von Oxford Instruments

OIPT der ICP Basis Siliziumdioxid Ätzen System basiert auf C ₄ F ₈ mit O ₂ und / oder Edelgas Er kombiniert. Da C ₄ F ₈ ist eine angespannte Ringmolekül Spaltprodukte gedacht werden, um der hohen CFx (x = 2) Polymervorstufen bestehen.

Eine einfache L9 Taguchi Matrix hat bei gelaufen OIPT , um die Einflüsse der Prozessparameter wie Durchfluss, ICP-Leistung etc. zu ermitteln, auf den Prozess. Die Trends sind in Abbildung 1 dargestellt.

Grafik 1

Unter Verwendung dieser Informationen ähnliche Strukturen wie in SEM 1 ersichtlich wurden geätzt, bei> 3fach der Ätzrate und mit gerader Seitenwände siehe SEM-2 und SEM 3

SEM 2

SEM 3

Mit ICP auf Etch Nanoscale Funktionen

Mit einem HDP-Quelle wie ICP, die bei niedrigem Druck arbeitet, eröffnet die Möglichkeit der Radierung nanoskaligen Eigenschaften, die nicht in einer traditionellen Diode System möglich. Dies erfordert eine genaue Kontrolle der Ionenfluss an die Oberfläche, um die Polymerisation Kontrolle - zu niedrig, und die Möglichkeit besteht darin, dass die Etch-Profil wird Verjüngung oder es wird komplett stoppen. In enger Zusammenarbeit mit Nano-Zentren, wie sie an der Cornell und LBNL, OIPT hat eine Reihe von Prozessen in der Lage Ätzen Strukturen mit Linienbreiten in der Größenordnung von 100 nm entwickelt, sind Beispiele für diese in SEMS 4, 5 und 6 dargestellt

SEM 4

SEM 5

SEM 6

Verbesserung der Selektivität mit Wasserstoff

Einige Halbleiter-Equipment-Hersteller haben eine verbesserte Selektivität mit der Zugabe von Wasserstoff an die C ₄ F _8-basiertes System gemeldet. Dieser Wasserstoff Aufnahme erzeugt weit höheres Maß an C _x F _y Polymer im Vergleich zu Systemen, die mit keiner. OIPT haben festgestellt, dass mit einem solchen Prozess führt zu übermäßiger Polymer aufzubauen in dem Reaktor, auch wenn anspruchsvolle Kammermusik Heizung genutzt wird. Dies führt zu häufigeren Plasma-Reinigung, plus der Möglichkeit, mehr mechanische reinigt -. Abnehmenden produktiven Prozess Zeit zusammen mit steigenden Cost of Ownership OIPT haben herausgefunden, dass durch die Schaffung eines ausgewogenen Verhältnisses von Prozess-und Hardware, wobei jedoch die Verwendung von H _2, dass in mehr als 1000 Wafer um kann vor einem Plasma sauber geätzt werden immer notwendig.

Controlling Ion Flux und Gas Chemie Während Etch-Prozess

Ein Prozess, der die Kontrolle, die erreicht wird, kann für dielektrische Ätzung werden, in den Shows OIPT ICP-System ist das Ätzen von Mikro-Linsen in eine SiO _2-Basis Material, wie Quarz oder Glas. Die Steuerung der Ionenfluss, plus Gas Chemie, ist erforderlich, um die gewünschte Mikrolinsen-Form in das Trägermaterial zu erreichen, wie die Kohlenstoff-Laden mit der Zeit ändert. SEM7 zeigt ein Beispiel für eine perfekt geätzt Mikro-Linse.

SEM 7

SEM 8

Die jüngsten Entwicklungen haben gezeigt, dass ein Trend zu tieferen dielektrische ätzt, in der Größenordnung von> 100 um, da sind erforderlich. Normale Fotolack-Masken können nicht verwendet werden, um Etch auf dieser Tiefe werden so Metall-Masken, wie z. B. Cr und Ni, verwendet werden, die die Selektivität der von> 100:1 bieten. Das gibt mehr Spielraum in den Prozess der Chemie, die verwendet werden können, aber die Kontrolle über die Ionenfluss noch an erster Stelle. Zu hoch, und die Maske wird durch Sputtern abgetragen werden, bevor die gewünschte Tiefe erreicht ist. SEM ist 8 und 9 zeigen eine tiefe Quarz etch Verwendung eines Cr-Maske. Für SEM9 gab es eine Maskierung Frage, die Rückstände nach links, aber es zeigt die Fähigkeit zu ätzen zu erheblichen Tiefen.

SEM 9

Zusammenfassung

Sowohl die Diode und ICP-Prozesse, für die dielektrische Ätzen, diskutiert haben über die Jahre entwickelt - in Bezug auf Hardware und verarbeiten. Die ICP basierten Prozess bietet eine höhere Ätzraten, mit besseren CD-und Anisotropie-Steuerung, zusammen mit höheren Seitenverhältnis etc. Um diese Verbesserungen erfordert den Einsatz von größeren Turbomolekularpumpen, die zu einem Preis zu kommen, aber die Vorteile der höheren Preise mehr als kompensieren für diese. Auch durch den Einsatz dieser größeren Pumpen und unabhängige Ionenfluss steuern, ist die Möglichkeit der Radierung nanoskaligen Eigenschaften eröffnet.

Die Diode System ist eine kostengünstige Lösung zum Ätzen von Dielektrika mit größeren Strukturbreiten bieten, aber viel langsamer und kann nicht zum Ätzen von nanoskaligen Eigenschaften verwendet werden.

Quelle: "Vergleich von Ätzprozessen zum Ätzen SiO ₂ dielektrischen Schichten" von Oxford Instruments Plasmatechnik .

Für weitere Informationen über diese Quelle besuchen Sie bitte die Oxford Instruments Plasmatechnik .