Технологии травления в микроэлектронике

Введение

Процессы травления — ключевая технология микроэлектроники, которая позволяет избирательно удалять материал с поверхности полупроводниковой пластины для формирования микро- и наноструктур. Вместе с процессами фотолитографии и осаждения травление образует базис процессов, на которых строится технологический маршрут создания интегральных схем, МЭМС, оптоэлектронных и силовых приборов.

Если осаждение создаёт слои, то травление придаёт им форму. Именно через последовательность операций травления формируются активные области транзисторов, изолирующие канавки, контактные окна, межсоединения и другие элементы.

Зачем нужны процессы травления?

В микроэлектронике травление выполняет три основные задачи:

1. Перенос топологии — после того, как на пластине путем фотолитографии сформирован фоторезистивный рисунок (маска), травление переносит этот рисунок в нижележащий слой (диэлектрик, металл, полупроводник). Без этой операции невозможно создать ни один элемент интегральной схемы.
2. Формирование трёхмерных структур — в современных приборах всё чаще требуются глубокие канавки (trenches), отверстия (vias), подвешенные структуры (МЭМС). Специализированные процессы травления позволяют создавать такие элементы с высоким аспектным отношением (AR).
3. Удаление технологических слоёв — после определённых операций (например, имплантации) необходимо удалить временные слои (оксиды, маскирующие покрытия) без повреждения базовой структуры.

Основные требования к процессам травления

Современное производство предъявляет следующие требования к качеству травления:

• Селективность — соотношение скоростей травления целевого материала и материала маски, нижележащего слоя, подложки или соседних слоёв. Чем выше селективность, тем меньше повреждаются элементы, которые должны остаться.
• Анизотропность — способность травить преимущественно в вертикальном направлении, сохраняя размеры рисунка. Для субмикронных размеров анизотропное (направленное) травление обязательно.
• Равномерность — скорость травления должна быть одинаковой по всей пластине (от центра к краю) и от пластины к пластине.
• Чистота и отсутствие дефектов — после травления не должно оставаться полимерных остатков, внедрённых частиц или загрязнений, способных вызвать отказы конечных устройств.
• Повреждение поверхности — для полупроводниковых слоёв важно минимизировать дефекты кристаллической решётки, вызванные ионной бомбардировкой (особенно при сухом травлении).

Как происходит процесс травления?

По физико-химическому принципу методы травления делятся на две большие группы: сухое и жидкостное травление. Также существуют подвиды и модификации этих групп, оптимизированные под конкретные процессы, материалы, требования к слоям и типу подложки.

Группа 1: сухое (плазменное) травление

Сухое травление использует плазму — ионизированный газ, содержащий активные радикалы и ионы. Под действием электрического поля ионы ускоряются к поверхности пластины, обеспечивая анизотропное (вертикальное) удаление материала. В зависимости от механизма различают:

• химическое травление — активные радикалы (например, F, Cl, O, Br) вступают в химическую реакцию с материалом, образуя летучие продукты. Хорошая селективность, но изотропный характер (подтравливание под маску);
• физическое травление (бомбардировка) — материал удаляется за счёт импульсной передачи энергии от ускоренных ионов инертного газа (Ar⁺). Хорошая анизотропия, но низкая селективность и высокая повреждаемость слоя;
• реактивно-ионное травление (RIE) — комбинирует физическую бомбардировку и химическую реакцию. Ионы плазмы не только бомбардируют поверхность, но и являются активными участниками реакции (Cl⁺, F⁺, CFₓ⁺). Это основной метод травления в современной микроэлектронике, обеспечивающий хороший баланс анизотропии, селективности и скорости.

1. Реактивно-ионное травление (RIE — Reactive Ion Etching)

Описание процесса

Реактивно-ионное травление (RIE) — это плазменный метод травления, в котором пластина размещается на электроде, питаемом радиочастотным (RF) напряжением (чаще 13,56 МГц, однако могут использоваться сдвоенные системы генераторов). Под действием RF-поля в газе (например, CF₄, SF₆, Cl₂, BCl₃ или их смеси) зажигается плазма. Положительные ионы ускоряются в электрическом поле приэлектродного слоя (катодное падение потенциала) и бомбардируют поверхность пластины. Механизм травления — комбинированный: химическое взаимодействие активных радикалов с материалом и физическое удаление (бомбардировка) остаточного слоя с дальнейшей откачкой продуктов реакции. Преобладание того или иного механизма регулируется давлением, мощностью, составом газа.

Применение

Процесс RIE широко используется для травления различных диэлектриков: диоксида кремния (например, контактные окна, жесткая маска, формирование разделителей (spacer)), нитрида кремния (например, травление пассивационных или стоп-слоёв), слоёв SiON.

Конструкция и характеристики

Конструкция: вакуумная камера с двумя параллельными электродами. Верхний электрод заземлён (анод), нижний — RF-электрод, на котором закреплена пластина (механический или электростатический прижим). Газовая смесь подаётся через газораспределительную систему при контроле потоков при помощи регуляторов расхода (РРГ). Откачка осуществляется турбомолекулярным и форвакуумным насосами. Типичное рабочее давление: 10–300 мТорр.

Характеристики процесса:

• анизотропия: умеренная (возможен контролируемый наклон профиля 75–89°);
• селективность: порядка 5:1 и выше для определённых пар материал/нижележащий слой;
• скорость травления: от десятков до сотен нм/мин;
• равномерность: обычно 3–7 % по пластине диаметром 200 мм.

Технологические особенности и ограничения

Особенности: процесс RIE обеспечивает хороший компромисс между анизотропией, селективностью и производительностью. Есть возможность использования различных газовых смесей (чаще на основе фторсодержащих газов).

Ограничения:

• низкая плотность плазмы, что ограничивает скорость травления и возможности работы при низких давлениях. При создании глубоких структур (> 5 мкм) скорость падает из-за ограниченной плотности ионов;
• возможно накопление заряда на подложке (зарядовое повреждение);
• параметры плазмы (плотность) и энергия ионов связаны между собой, их нельзя регулировать раздельно (частично решается конфигурацией со сдвоенной системой генераторов смещения);
• осаждение полимеров на стенках камеры и структурах при использовании фторсодержащих газов требует регулярной и правильно разработанной очистки.

2. Реактивно-ионное травление в индуктивно-связанной плазме (ICP-RIE)

Описание процесса

Травление с источником индуктивно-связанной плазмы (ICP-RIE) — это метод сухого плазмохимического травления, в котором плазма генерируется индукционной катушкой, расположенной вне камеры (через диэлектрическое окно). Высокочастотное поле индуктора создаёт мощный поток электронов, которые ионизируют газ, формируя высокоплотную плазму (10¹⁰—10¹² ионов/см³). Отдельный ВЧ-источник устанавливается на подложкодержатель для создания независимого потенциала смещения (bias), который управляет энергией ионов, бомбардирующих на пластину. Такое разделение позволяет независимо контролировать плотность ионов и их энергию, что даёт высокую гибкость процесса.

Применение

Процесс ICP-RIE является стандартом для травления с высокими требованиями к анизотропии и скорости процесса. Используется для травления широкого спектра материалов таких, как: кремний (формирование поликремниевого затвора, изоляционных канавок, неглубокое травление монокристаллического кремния), диэлектрики (SiO₂, Si₃N₄), металлы (Al, Ti / TiN, W), соединения группы А3В5 (GaAs, InP). Востребован для структур MЭМС, фотоники и ВЧ-приборов.

Конструкция и характеристики

Конструкция: камера с индукционной катушкой вокруг керамического или кварцевого окна. Два генератора: один (обычно 2–13,56 МГц) для катушки ICP, второй (чаще 13,56 МГц) — для подложкодержателя (bias). Используется крепление пластины на столике и система охлаждения подложки (гелиевый поддув под пластину). Газовая смесь подаётся через инжекционную систему. Откачка осуществляется мощным турбомолекулярным и форвакуумным насосами. Типичное рабочее давление: 1–100 мТорр.

Характеристики процесса:

• высокая плотность плазмы → увеличенная скорость травления;
• независимый контроль энергии ионов → контроль структур;
• отличная анизотропия (профиль 89–90°);
• высокая равномерность (< 3 % по пластине 200–300 мм) при правильной оптимизации процесса.

Технологические особенности и ограничения:

Особенности: раздельное управление ионным потоком и энергией позволяет точно настраивать баланс между химическим и физическим механизмами травления. Более низкие повреждения поверхности по сравнению с обычным RIE благодаря более низкому напряжению смещения при той же плотности ионов.

Ограничения:

• сложность настройки двух независимых источников;
• возможна неравномерность плотности плазмы (особенно на пластинах большого диаметра), что требует применения специальных конструкций катушек и систем газораспределения;
• несмотря на более низкое напряжение смещения по сравнению с RIE при травлении структур с изолированными участками возможно накопление заряда, особенно на дне высокоаспектных элементов;
• для некоторых материалов (например, медь) необходимы специальные химии и повышенные температуры подложки;
• высокая стоимость оборудования.  

3. Глубокое травление кремния (DRIE, Bosch process)

Описание процесса

Процесс DRIE — специализированная модификация систем ICP-RIE для формирования глубоких структур в кремнии с высоким аспектным отношением (30:1 и более). Существуют как одностадийный процесс (SSP), так и наиболее распространенный циклический процесс Bosch, запатентованный компанией Robert Bosch GmbH. Вместо непрерывного травления используется последовательное чередование трёх фаз, повторяющихся сотни или тысячи раз:

1. Травление — подача газа SF₆, создающего плазму с высокой концентрацией атомов фтора. Фтор химически реагирует с кремнием, образуя летучий SiF₄. На этой стадии травление происходит более изотропно, что могло привести к неконтролируемому подтравливанию, если бы не пассивация;
2. Пассивация — в камеру подаётся газ C₄F₈ или подобный фторуглерод (например, C₄F₆). В плазме этот газ разлагается, образуя полимероподобный фторуглеродный слой, который осаждается на все поверхности — и на дно, и на стенки канавки. Этот слой предотвращает дальнейшее химическое травление.
3. Удаление пассивации с дна — снова подаётся SF₆, но при этом подложка находится под высокочастотным смещением (bias). Направленные ионы аргона (или SFₓ⁺) бомбардируют дно канавки с высокой энергией, выбивая полимерный слой, в то время как на вертикальных стенках из-за направленности потока ионов полимер остаётся нетронутым. Открывшийся кремний на дне канавки травится атомарным фтором.

Циклы повторяются большое количество раз. Каждый цикл увеличивает глубину травления на 0,5–3 мкм. В результате формируются вертикальные стенки с характерной периодической волнистостью (scallop).

Применение

Процесс DRIE является основным методом для создания структур МЭМС: акселерометры, гироскопы, микрофонные мембраны, микрожидкостные каналы, инерциальные датчики. Также используется для формирования глубоких изоляционных канавок (deep trench isolation) в силовой электронике, для создания глубоких или сквозных отверстий и межсоединений (TSV) в 3D-интеграции и для изготовления структур для квантовых вычислений.

Конструкция и характеристики

Конструкция: DRIE-системы базируются на ICP-RIE архитектуре, но имеют ряд специфических особенностей:

• высокоскоростные газовые клапаны для переключения между травлением и пассивацией (время переключения < 1 с) с точным контролем потоков газов;
• мощная (и обычно двухзонная купольная) ICP-система (3–6 кВт) для генерации высокой плотности плазмы;
• отдельный источник смещения (НЧ или ВЧ) для управления энергией ионов;
• более интенсивный теплоотвод от пластины;
• мощная система откачки продуктов реакции.

Характеристики процесса:

• глубина травления: от десятков до сотен микрометров (до 500 мкм и более);
• аспектное отношение: 20:1 — 50:1;
• скорость травления: 5–15 мкм/мин;
• вертикальный профиль стенок: 89–90°, шероховатость стенок (scallop) может составлять порядка 50–300 нм.

Технологические особенности и ограничения

Особенности:

• возможность создания вертикальных профилей при глубине травления 10-400 мкм;
• независимое управление длительностью фаз и мощностью плазмы, обеспечивающее гибкую настройку при формировании профилей с высоким аспектным соотношением;
• высокая плотность плазмы и интенсивное охлаждение подложки, минимизирующие тепловые повреждения, обеспечивая стабильность процесса при глубинах до сотен микрометров;
• высокая скорость травления: > 5 мкм/мин;
• хорошая селективность к фоторезистивной маске (до 50:1) и к диэлектрическим маскам (SiO₂, Si₃N₄).

Ограничения и сложности:

• необходимость точной настройки процесса для контроля периодической волнистости стенок (scallop);
• возможность образования дефектов типа Notching — подрезания структур у основания, когда ионы теряют направленность из-за изменения электрического поля у границы с диэлектрическим слоем, что приводит к непредусмотренному подтравливанию на границе кремний/диэлектрик. Может контролироваться путём оптимизации смещения, использования импульсного режима или добавления O₂ в последних циклах;
• зависимость скорости от открытой площади (Aspect Ratio Dependent Etching, ARDE) из-за чего травление узких и широких структур идет по-разному;
• при очень глубоких (> 300 мкм) и узких (> 1:30) канавках: проблемы с удалением полимера с дна, с неравномерностью по глубине, закупоркой отверстий;
• высокая стоимость эксплуатации систем.

4. Ионно-лучевое травление (IBE — Ion Beam Etching)

Описание процесса

Процессы ионно-лучевого травления (IBE) относятся к физическому типу сухого травления, в котором ионы инертного газа (обычно аргона) ускоряются в отдельном удаленном источнике (ионной пушке) и направляются на мишень (подложкодержатель с пластиной) в высоком вакууме (~10⁻⁴ Торр). При стандартном процессе IBE травление происходит за счёт импульсной передачи энергии (бомбардировки и распыления материала слоя) без химического взаимодействия. В процессе пластина обычно вращается для получения равномерного профиля. Держатель пластин может быть наклонён для изменения направления воздействия и достижения заданного угла наклона стенок травления.

Применение

Процессы IBE используются для материалов, которые сложно или невозможно протравить химически (например, золото, платина, многие диэлектрики), а также для структур, где требуется высокая анизотропия и минимальный перегрев. Широко применяются для формирования решеток и наклонных профилей (grating), травления магнитных материалов (ячейки MRAM, магнитные головки), в оптоэлектронике (травление GaAs, InP).

Конструкция и характеристики

Конструкция: вакуумная камера с ионным источником (как правило, на основе сеточного источника Кауфмана). Система наклона и вращения подложкодержателя для получения наклонных профилей. Подложка может охлаждаться.

Характеристики процесса:

• скорость травления слоев: от 10 до 100 нм/мин в зависимости от материала и энергии ионов (300–2000 эВ);
• анизотропия: практически идеальная, профиль определяется направлением пучка;
• высокая равномерность травления: < 1,5 %.

Технологические особенности и ограничения

Особенности:

• отсутствие химической реакции → нет коррозии, нет побочных летучих продуктов;
• возможность наклонного травления для создания профильных структур;
• хорошие воспроизводимость и управляемость.

Ограничения:

• более низкие скорость и производительность по сравнению с плазмохимическими методами;
• низкая селективность за счет физического типа процесса, сложность остановки на тонких слоях;
• риск переосаждения слоя на стенках структур;
• возможное повреждение поверхности при высокой энергии ионов;
• возможная расходимость пучка, необходимость точной настройки процесса.

Группа 2: жидкостное химическое травление

Жидкостное травление — погружение пластин в растворы химических реагентов. Процесс протекает изотропно (во всех направлениях одинаково), поэтому он ограничен в применении для субмикронной литографии, но незаменим для некоторых операций благодаря простоте, высокой производительности и низкой стоимости.

1. Жидкостное химическое травление (Wet etching)

Описание процесса

Жидкостное травление — это химическое растворение материала путём погружения пластин в травильный раствор, который растворяет (окисляет и переводит в растворимые соединения) определённые материалы. В зависимости от организации процесса различают групповое травление в ваннах (batch), где одновременно обрабатывается одна или несколько кассет с пластинами, и обработку по одной пластине (single wafer process), когда травление проходит в роторных или струйных установках. Изотропность данного процесса дает одинаковую скорость во всех направлениях, поэтому под маской образуется подтравливание (undercut). Для некоторых материалов (кремний в KOH) процесс может быть анизотропным из-за кристаллографической ориентации.

Применение

Жидкостное травление используется для:

• удаления оксидных слоёв (например, буферный HF для удаления SiO₂ перед металлизацией);
• очистки пластин после плазменных процессов (удаление полимерных остатков в HF);
• анизотропного травления кристаллографически ориентированного кремния (KOH, TMAH) для создания V-образных канавок и мембран;
• селективного удаления нитрида кремния (горячая фосфорная кислота);
• создания топологии с большими размерами (> 5 мкм), где изотропия не критична.

Конструкция и характеристики

• Batch (групповая обработка):
• кварцевые или PTFE-ванны с подогревом и крышками для уменьшения испарения и защиты от внешних загрязнений;
• системы перемешивания (циркуляционный насос, мешалки) для обеспечения однородности концентрации и температуры;
• датчики уровня жидкости, температуры, pH (для некоторых процессов);
• система подачи и рециркуляции химикатов;
• кассеты с пластинами погружаются в раствор в ваннах травления, затем проходят стадии промывки (деионизованная вода) в отдельных ваннах и далее процессы сушки (например, при помощи изопропилового спирта);
• Single wafer (обработка по одной пластине):
• роторные установки: герметичное пространство с вращающимся держателем, на пластину подаётся травильный раствор, затем промывочная вода;
• система подачи химикатов — дозирующие насосы, многоканальные форсунки (nozzles) для подачи растворов точно в центр вращающейся пластины или в виде струи по всей поверхности. Возможна подача нескольких реагентов последовательно;
• система рециркуляции и утилизации;
• специальные датчики для контроля конца травления (например, интерферометрическое определение момента удаления слоя).

Характеристики процесса:

• скорость травления: от десятков нм/мин до десятков мкм/мин;
• изотропность: подтравливание (undercut) составляет 0,5–1,5 от толщины травимого слоя;
• профиль канавки или отверстия получается с плавным скруглением, а не вертикальным. Для тонких плёнок (менее 1 мкм) это может привести к значительному увеличению фактического размера элемента
• селективность: может варьироваться исходя из применяемой химии.

Технологические особенности и ограничения

Особенности:

• простота и низкая стоимость оборудования (в случае групповой обработки);
• высокая производительность;
• системы групповой обработки, обладающиее высокой производительностью (25–100 пластин за раз);
• системы Single wafer, обладающие лучшей равномерностью (± 2–3 %) и воспроизводимостью процесса по сравнению с групповой обработкой;
• малая загрязнённость, системы легко интегрируются в автоматические линии;
• хорошая селективность для многих пар материалов (зависит от химии).

Ограничения:

• изотропность → подтравливание под маску, что ограничивает минимальные размеры;
• низкое аспектное соотношение и невозможность создания вертикальных профилей;
• чувствительность процесса к температуре и составу реагентов;
• использование агрессивных химикатов (HF, HNO₃, H₃PO₄, KOH), требующее сложной системы циркуляции и утилизации, а также серьезных мер безопасности;
• batch-процессы: могут страдать от неравномерности из-за градиентов температуры по ванне;
• обязательная тщательная промывка и сушка после жидкостного травления (риск образования водяных пятен, частиц).

Batch (групповая обработка)

Single wafer (обработка по одной пластине)

Сравнительная таблица процессов травления