4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
2
Techniki trawienia w mikroelektronice
Techniki trawienia w mikroelektronice
Inżynieria wytwarzania
Inżynieria wytwarzania
Dr inż. Andrzej Kubiak
Dr inż. Andrzej Kubiak
Trawienie chemiczne to jeden z najczęściej spotykanych procesów mikro-
i nanotechnologii. Może ono być stosowane w celu:
1. Definicje mikro- i nanotechnologii
1. Definicje mikro- i nanotechnologii
2. Zagadnienia utrzymania czystości w procesach mikro- i
2. Zagadnienia utrzymania czystości w procesach mikro- i - oczyszczenia powierzchni z różnorodnych zanieczyszczeń (procesy
nanotechnologii
nanotechnologii
mycia podłoży)
3. Materiały półprzewodnikowe  własności, wytwarzanie, obróbka
3. Materiały półprzewodnikowe  własności, wytwarzanie, obróbka
- przygotowania powierzchni do kolejnych procesów technologicznych
mechaniczna
mechaniczna
- usuwania nałożonych warstw (o różnych grubościach, w całości bądz

4. Trawienie materiałów półprzewodnikowych
4. Trawienie materiałów półprzewodnikowych
częściowo) przy użyciu odpowiednich warstw zabezpieczających
5. Technologia procesów fotolitografii
5. Technologia procesów fotolitografii
- wytrawiania różnorodnych struktur przestrzennych w materiale
6. Domieszkowanie półprzewodników
6. Domieszkowanie półprzewodników
podłożowym.
7. Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu.
7. Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu.
8. Osadzanie próżniowe cienkich warstw.
8. Osadzanie próżniowe cienkich warstw.
9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej
9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej
10. Montaż i hermetyzacja struktur
10. Montaż i hermetyzacja struktur
11. Struktury mechatroniczne
11. Struktury mechatroniczne
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych 4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
3 4
Selektywność trawienia Trawienie izotropowe / anizotropowe
Selektywność trawienia Trawienie izotropowe / anizotropowe
Trawienie izotropowe  zachodzi we wszystkich kierunkach z jednakową
Selektywność - zdolność do wybiórczego trawienia jednego rodzaju
szybkością (np. trawienie chemiczne materiałów amorficznych)
materiału bez wpływu na inne materiały tworzące strukturę
Trawienie anizotropowe  istnieje kierunek (kierunki), w którym trawienie
W mikroelektronice najczęściej pożądane są procesy trawienia
przebiega szybciej (trawienie chemiczne krzemu monokrystalicznego,
o wysokiej selektywności
trawienie plazmowe)
W mikroelektronice najczęściej pożądane są procesy trawienia
charakteryzujące się wysoką anizotropowością.
Trawienie selektywne
Trawienie selektywne
(np. trawienie
(np. trawienie SiO2 na
polikrzemu na Trawienie anizotropowe Trawienie izotropowe
podłożu krzemowym)
podłożu krzemowym)
4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych 4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
5 6
Trawienie struktur o małych wymiarach Wymagania wobec procesów trawienia
Trawienie struktur o małych wymiarach Wymagania wobec procesów trawienia
Zmniejszanie wymiarów struktur oznacza m.in. coraz trudniejsze
" selektywność, czyli zdolność do wybiórczego trawienia
odwzorowanie kształtów definiowanych warstwą maskującą
jednego rodzaju materiału bez wpływu na inne materiały
tworzące strukturę
" zdolność do trawienia z różną intensywnością w różnych
kierunkach (trawienie anizotropowe)
" zdolność trawienia różnych warstw w jednym procesie
" brak zanieczyszczeń i defektów powierzchni końcowej
" ekstremalna geometria (np. trench o średnicy 0,8�m i
głębokości 8�m)
Wytrawianie coraz mniejszych struktur w warstwach nakładanych podczas
" idealna powtarzalność i jednorodność (np. jednakowe
procesu wytwarzania struktur półprzewodnikowych wymaga:
200 000 000 000 trench y na jednej płytce 300mm
- zmniejszenia grubości trawionej warstwy, co powoduje mniejszy efekt
podtrawiania poziomego zawierającej struktury pamięci 256Mbit DRAM, ok. 1000
płytek dziennie)
- prowadzenia procesów trawienia anizotropowego, w którym największa
szybkość trawienia osiągana będzie na kierunku prostopadłym do podłoża
" duża szybkość trawienia (czas to pieniądz)
1
4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych 4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
7 8
Trawienie mokre Trawienie mokre
Trawienie mokre Trawienie mokre
Zasada trawienia mokrego - reakcja
Cechy trawienia mokrego:
chemiczna odpowiedniego roztworu
" izotropowość wywołująca podtrawienia
z trawionym materiałem
" problematyczne utrzymanie czystości roztworu trawiącego i
przenoszenie zanieczyszczeń przez roztwory trawiące
Parametry procesu muszą być dobrane tak
" duża ilość zużywanych odczynników (najczęściej nieobojętnych dla
aby możliwa była dobra kontrola nad
przebiegiem procesu oraz aby wyeliminować środowiska i kosztownych w zakupie i utylizacji)
powstawanie zanieczyszczeń groz
nych dla
" brak możliwości wytrawiania najmniejszych struktur (podtrawianie!)
wytwarzanej struktury
maska
Parametry trawienia mokrego:
postęp
Przykładowe zastosowania procesów trawienia
" skład mieszaniny trawienia
mokrego w technologii krzemowej
" temperatura (najczęściej pokojowa
materiał trawiony - roztwór trawiący lub podwyższona)
" czas procesu (problem z
krzem (Si) - wodorotlenek potasu (KOH)
wyznaczeniem końca procesu)
tlenek krzemu (SiO2) - kwas fluorowodorowy (HF)
Podtrawienia wynikające z
glin (Al) - kwas ortofosforowy (H3PO4) izotropowości procesu
4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych 4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
9 10
Trawienie mokre Trawienie mokre  mycie podłoży
Trawienie mokre Trawienie mokre  mycie podłoży
Zastosowanie mokrego trawienia: Procedura RCA obejmuje dwa podstawowe etapy:
" usuwanie całych warstw (np. niepożądanego tlenku - Czyszczenie roztworem NH4OH-H2O2-H2O (skład 1:1:5 do 1:2:7) w
na spodniej stronie płytki) temperaturze 70-80�C w celu usunięcia zanieczyszczeń
" wytrawianie stosunkowo dużych obszarów (np. organicznych
usunięcie warstwy izolacyjnej nad metalizowanym - Czyszczenie roztworem HCl-H2O2-H2O (skład 1:1:6 do 1:2:8) w
polem do przyłączenia wyprowadzeń) temperaturze 70-80�C w celu usunięcia zanieczyszczeń jonowych
" usuwanie naturalnego tlenku krzemu z płytek oraz metali ciężkich i alkalicznych
pozostawionych w atmosferze na ponad 10 minut - Uzupełnieniem jest usuwanie naturalnego tlenku krzemu poprzez
" procesy mycia (polegające na usuwaniu nawet kąpiel w kwasie fluorowodorowym (HF) prowadzone po drugim lub
najmniejszych zanieczyszczeń) po pierwszym etapie
- Dla zwiększenia skuteczności mycia czasami stosowane jest
wspomaganie falą ultradz
więkową o częstotliwości ok. 800kHz
Po zakończeniu każdego etapu płytki są płukane w wodzie
dejonizowanej i suszone czystym azotem
4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych 4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
11 12
Trawienie mokre tlenku krzemu Trawienie mokre krzemu
Trawienie mokre tlenku krzemu Trawienie mokre krzemu
- szybkie i całkowite usuwanie tlenku krzemu - kwas fluorowodorowy - głębokie trawienie krzemu realizowane jest w mikromechanice poprzez
rozcieńczony w wodzie dejonizowanej (od 1:100 do 1:10) stosowanie roztworów alkalicznych (np. KOH)
- usuwanie warstwy zdefektowanej krzemu monokrystalicznego podczas
- selektywne trawienie tlenku krzemu (np. otwarcie okien do dyfuzji,
obróbki mechanicznej płytek
kontaktów omowych) - roztwór buforowy zapewniający stałą
- trawienie warstwy polikrzemowych bramek i połączeń elektrycznych
koncentrację jonów fluoru, odpowiedzialnych za trawienie SiO2 -
- proces obejmuje dwie reakcje: utlenianie krzemu na powierzchni do
NH4F(fluorek amonu) : HF w proporcji 6:1
SiO2 oraz trawienie tlenku krzemu
- reakcja chemiczna:
- stosowane są mieszaniny kwasu azotowego HNO3 (utleniacz krzemu) z
kwasem fluorowodorowym HF (wytrawiacz SiO2) oraz wodą
SiO2 + 6HF => H2 + SiF6 + 2H2O
dejonizowaną
- dobra selektywność względem krzemu i emulsji światłoczułej
- trawienie polikrzemu obecnie realizowane jest praktycznie wyłącznie
- szybkość trawienia zależy od składu mieszaniny, temperatury i metodami suchymi (plazmowymi)
własności warstwy (metody wytwarzania)
2
4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych 4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
13 14
Trawienie mokre glinu Trawienie suche
Trawienie mokre glinu Trawienie suche
Trawienie suche - rozpylenie materiału przez reakcję aktywnych
chemicznie cząsteczek z usuwanym materiałem (jony, wolne rodniki)
- trawienie warstwy połączeń elektrycznych
lub przez bombardowanie jonami (trawienie fizyczne)
- proces obejmuje dwie reakcje: utlenianie glinu na powierzchni do Al2O3
oraz trawienie tlenku glinu
Cechy trawienia suchego:
- stosowane są mieszaniny kwasu azotowego HNO3 (utleniacz glinu) z
kwasem ortofosforowym H3PO4 (wytrawiacz Al2O3) oraz wodą
" anizotropowość - możliwość zmniejszenia lub eliminacji podtrawień
dejonizowaną podgrzane do temp. 30-50oC
" mała ilość zużywanych odczynników
- podczas trawienia na powierzchni podłoża powstają bąbelki wodoru
" elastyczność i dobra kontrola parametrów
które utrudniają zachodzenie procesu (wysoka gęstość roztworu
" większe koszty urządzeń
utrudnia ich odrywanie się)  konieczne energiczne mieszanie,
zastosowanie ultradz
więków lub okresowe wyjmowanie podłoży z
roztworu
Podstawowe parametry trawienia suchego:
- trawienie glinu obecnie realizowane jest praktycznie wyłącznie
- parametry plazmy (w technikach plazmowych) lub wiązki jonów (w
metodami suchymi (plazmowymi)
technikach trawienia wiązką jonów)
- skład gazów roboczych
- czas procesu
4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych 4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
15 16
Trawienia suche Mechanizmy trawienia suchego
Trawienia suche Mechanizmy trawienia suchego
Odpowiedzią na potrzebę anizotropowego trawienia są szybko rozwijające się
- chemiczne trawienie w plazmie  gazowe cząstki reaktywne docierają do
techniki suchego trawienia:
podłoża, gdzie zachodzi typowa reakcja chemiczna, której produkty
- chemiczne trawienie w plazmie,
opuszczają powierzchnię (reakcja taka jak w przypadku trawienia mokrego,
- chemiczne trawienie w plazmie wspomagane jonami (reaktory tunelowe i
praktycznie izotropowa)
cylindryczne)
- chemiczne trawienie w plazmie wspomagane jonami  jony bombardują
- rozpylanie wspomagane cząstkami neutralnymi lub jonami oraz
powierzchnię trawioną i powodują zwiększenie szybkości trawienia
- rozpylanie fizyczne (reaktory typu planarnego).
chemicznego w danym kierunku (anizotropowość uzależniona od energii
Metody te istotnie różnią się między sobą i wykorzystują różne mechanizmy
jonów)
fizyczne i chemiczne trawienia
- rozpylanie wspomagane cząstkami neutralnymi lub jonami  wzrost
wydajności trawienia poprzez adsorpcję cząstek rozpylanych na
Podstawowe mechanizmy zapewniające anizotropowość trawienia suchego:
powierzchni lub zachodzenie reakcji powodujących powstanie związków o
" niszczenie wiązań w warstwie przypowierzchniowej materiału trawionego za
niższej energii wiązań
pomocą bombardowania jonami, dzięki czemu trawienie chemiczne staje się dużo
bardziej efektywne.
- rozpylanie fizyczne  bombardowanie powierzchni jonami o dużej energii
" rozpylanie materiału trawionego za pomocą ukierunkowanych jonów o dużej
kinetycznej powodującymi wybijanie cząstek z materiału trawionego
energii
(maksymalna anizotropowość, trudności z selektywnością)
4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych 4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
17 18
Reaktory do trawienie suchego Reaktor cylindryczny
Reaktory do trawienie suchego Reaktor cylindryczny
Reaktor cylindryczny  stosowany w procesach chemicznego trawienia w
Trawienie suche
plazmie np. do usuwania emulsji światłoczułej (np. utwardzonej procesem
implantacji jonów)
- wiele dysz doprowadzających i odprowadzających gazy dla zapewnienia
Metody plazmowe Metody wiązki jonowej
wysokiej powtarzalności procesów
- plazma wytwarzana jest z dala od płytek (nie stosuje się bombardowania
Chemicznie Reaktywne
jonami)
Trawienie
Reaktor Reaktor wspomagane trawienie
wiązką jonową
cylindryczny planarny trawienie wiązką wiązką jonową
(IBE)
jonową (CAIBE) (RIBE)
niesymietryczny
symetryczny
(RIE)
Proces chemiczny Proces fizyczny
Trawienie izotropowe Trawienie anizotropowe
3
R. Beck Technologia krzemowa, PWN 1991
4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych 4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
19 20
Reaktor planarny Reaktor do rozpylania jonowego
Reaktor planarny Reaktor do rozpylania jonowego
- stosowany do procesów
trawienia wiązką jonów
Reaktor planarny stosowany powszechnie w procesach chemicznego
(Ion Beam Etching, IBE),
trawienia wspomaganego jonami oraz rozpylania wspomaganego cząstkami reaktywnego trawienie
neutralnymi lub jonami wiązką jonów (Reactive Ion
Beam Etching, RIBE) oraz
- występują konstrukcje o elektrodach symetrycznych lub niesymetrycznych
wspomagane chemicznie
(rodzaj konstrukcji ma duży wpływ na energię jonów)
trawienie wiązką jonów
(Chemically Assisted Ion
Beam Etching, CAIBE)
- składa się ze z
ródła jonów
oraz komory trawienia
(oddzielonych od siebie)
- u wylotu z
ródła jonów
znajduje się siatki
wyciągające jony z plazmy
i formujące je w wiązkę
równoległą o właściwej
energii
4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych 4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
21 22
Trawienie suche Trawienie suche
Trawienie suche Trawienie suche
Trawienie tlenku krzemu:
Techniki trawienia suchego (wg typów reaktora)
- najczęściej stosowany jest reaktor planarny
Parametr
Cylindryczn Planarne RIE RIBE IBE
- do trawienia używana jest plazma zawierająca związki fluorowęglowe,
e
zwłaszcza CF4
Energia
< 10 <100 >100 500-1000 200-2000 - dla poprawy selektywności procesu dodaje się wodór H2
jonów [eV]
- regulacja względnych szybkości trawienia tlenku i emulsji światłoczułej
Ciśnienie
>10-1 >10-1 10-1-10-3 10-4 10-5
jest możliwa poprzez dodawanie O2 lub SF6
[Tr]
Szybkość
wysoka wysoka niska niska b. niska
Trawienie azotku krzemu (Si3N4):
trawienia
Selektywno - w reaktorach cylindrycznych w plazmie fluorowej (trawienie izotropowe)
b. dobra dobra słaba słaba b. słaba
ść
- trawienie anizotropowe w reaktorach planarnych, plazma fluorowa z
Anizotropia dodatkiem azotu
brak możliwa znaczna duża b.duża
- Lepsza selektywność trawienia uzyskiwana jest przy użyciu plazmy na
Jednorodn
słaba dobra dobra b. dobra dobra
bazie SiF4
ość
4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych 4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
23 24
Trawienie suche Trawienie suche
Trawienie suche Trawienie suche
Trawienie krzemu: Trawienie glinu i jego stopów:
- najczęściej stosuje się reaktor planarny - nie można stosować plazmy fluorowej (powstający Al3F pokrywa całą
powierzchnię podłoża i blokuje proces trawienia)
- pożądana jest wysoka anizotropowość oraz selektywność względem
SiO2 - plazmy chlorowe wymagają stosowania silnie toksycznych składników
(BCl3, CCl4, SiCl4, Cl2), podczas trawienia Al łatwo powstaje warstwa
- trawienie w związkach fluoru (CF4 lob SF6) jest szybkie, jednak ma
Al2O3 która nie jest trawiona w plazmie chlorowej
charakter izotropowy
- stosowanym rozwiązaniem jest trawienie glinu w plazmie chlorowej
- dobra anizotropia i selektywność względem SiO2 jest uzyskiwana dla
wspomagane usuwaniem Al2O3 za pomocą bombardowania jonami o
plazmy opartej na związkach chloru, jednak proces jest bardzo wolny
dużych energiach (reaktory RIE oraz urządzenia do trawienia wiązką
- w praktyce stosuje się mieszaniny CF4+Cl2 lub SF6+Cl2
jonów)
- utrudnione usuwanie stopów glinu z krzemem i miedzią
Trawienie emulsji światłoczułej i warstw z materiałów organicznych:
- obecność pary wodnej w procesie trawienia glinu prowadzi do
- stosuje się plazmę tlenową, która utlenia warstwę do CO, CO2 oraz H2O
intensywnej korozji
- w tych procesach zapewniona jest bardzo dobra selektywność
względem innych materiałów stosowanych w mikroelektronice
Oxford PlasmaLab System
4
R. Beck Technologia krzemowa, PWN 1991
4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych 4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
25 26
Trawienie suche Przykład urządzenia do trawienia suchego (RIE)
Trawienie suche Przykład urządzenia do trawienia suchego (RIE)
Alcatel 601E :
Materiał Gazy robocze stosowane do suchego trawienia
- szybkość trawienia do 10 �m/min
- proporcja przestrzenna 40:1
- selektywność względem emulsji pozytywowej > 75:1
Krzem CF4, CF4+O2, CF3Cl, SF6+Cl, Cl2+H2, C2ClF5+O2
- selektywność względem tlenku krzemu >150:1
- głębokość trawienia 10 - 675 �m
SiO2 SF6+O2, SiF4+O2, NF3, ClF3, CCl3F5, C2ClF5+SF6
- profil dna obszaru trawionego 90�ą1�
- obszar trawiony od 1 do >500 �m
Si3N4 CF4+O2, CF3+H2, C3F8, CHF3
Glin i jego stopy BCl3, CCl4, SiCl4, BCl3+Cl2, CCl4+Cl2, SiCl4+Cl2
emulsja
O2, O2+CF4, O2+SF6
światłoczuła
http://cmi.epfl.ch/etch/AMS200.php
Oxford PlasmaLab System
4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych 4. Trawienie podłoży półprzewodnikowych
27 28
Przykłady zastosowania trawienia suchego (RIE) Przykłady zastosowania trawienia suchego
Przykłady zastosowania trawienia suchego (RIE) Przykłady zastosowania trawienia suchego
Struktury wytrawione plazmowo w reaktorze RIE
w podłożu krzemowym
Struktury wytrawione
plazmowo (Si)
Struktury wytrawione
wiązką jonów (kwarc)
http://www.plasmadynamics.net/surfacea.aspx
http://www.oxfordplasma.de
5
R. Beck Technologia krzemowa, PWN 1991