Tecnologia de processo de gravação de semicondutores

A gravação, ou gravação, é uma etapa crucial na fabricação de semicondutores, na fabricação de IC microeletrônicos e nos processos de fabricação micro/nano. É um processo de padronização primário associado à fotolitografia. Em um sentido estrito, a gravação é essencialmente uma gravação fotolitográfica, onde o fotorresistente é primeiro exposto usando fotolitografia e, em seguida, outros métodos são usados ​​para remover o material indesejado. A gravação é o processo de remoção seletiva de material indesejado da superfície de uma pastilha de silício usando métodos químicos ou físicos. Seu objetivo básico é replicar com precisão o padrão da máscara no wafer de silício revestido. Com o desenvolvimento dos processos de microfabricação, o ataque químico tornou-se amplamente um termo geral para a remoção e remoção de material utilizando soluções, íons reativos ou outros métodos mecânicos, tornando-se um termo comum na microfabricação.

A gravação pode ser amplamente categorizada em dois tipos: gravação úmida e gravação seca. Na gravação a seco, o gás é excitado em altas frequências (principalmente 13,56 MHz ou 2,45 GHz). Sob pressões de 1 a 100 Pa, seu livre caminho médio varia de alguns milímetros a alguns centímetros. Existem três tipos principais de gravação a seco:

• Gravura física a seco: Acelera o desgaste físico das partículas na superfície do wafer;

• Gravura química a seco: O gás reage quimicamente com a superfície do wafer;

• Ataque químico-físico a seco: Processo de ataque físico com propriedades químicas;

1. Gravura por feixe de íons

A gravação por feixe de íons é um processo físico de gravação a seco. Os íons de argônio são irradiados para a superfície em um feixe de íons de aproximadamente 1 a 3 keV. Devido à energia dos íons, eles bombardeiam o material da superfície. O wafer é inserido verticalmente ou em ângulo no feixe de íons, e o processo de gravação é absolutamente anisotrópico. A seletividade é baixa porque não diferencia as camadas. O gás e o material polido são expelidos por uma bomba de vácuo; entretanto, como os produtos da reação não são gasosos, as partículas podem se depositar no wafer ou nas paredes da câmara.

Para evitar estas partículas, um segundo gás é introduzido na câmara. Este gás reage com íons de argônio, induzindo um processo de ataque físico-químico. Parte do gás reage com a superfície, mas parte reage com as partículas polidas para formar subprodutos gasosos. Quase todos os materiais podem ser gravados usando este método. Devido à radiação vertical, o desgaste nas paredes verticais é muito baixo (alta anisotropia). No entanto, devido à baixa seletividade e baixa taxa de corrosão, este processo raramente é usado na fabricação moderna de semicondutores.

2. Gravura de Plasma

A gravação por plasma é um processo de gravação absolutamente químico (gravação química a seco). Sua vantagem é que a superfície do wafer não é danificada por íons acelerados. Devido às partículas móveis do gás de gravação, o perfil de gravação é isotrópico, tornando este método adequado para remover camadas inteiras de filme (por exemplo, limpeza do verso após oxidação térmica).

Um tipo de reator usado para gravação de plasma é um reator downstream. O plasma é inflamado a uma alta frequência de 2,45 GHz através da ionização por impacto, e o local de ionização por impacto se separa do wafer.

Na região de descarga do gás, diversas partículas, inclusive radicais livres, estão presentes devido ao impacto. Os radicais livres são átomos neutros ou moléculas com elétrons insaturados e, portanto, altamente reativos. Como gás neutro, o tetrafluorometano (CF4) é introduzido na região de descarga de gás e se separa em moléculas de CF2 e flúor (F2). Da mesma forma, o flúor pode ser separado do CF4 adicionando oxigênio (O2):

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

A molécula de flúor pode ser dividida em dois átomos de flúor separados pela energia na região de descarga do gás: cada átomo de flúor é um radical livre de flúor, pois cada átomo possui sete elétrons de valência e visa atingir uma configuração de gás inerte. Além dos radicais livres neutros, existem várias partículas parcialmente carregadas (CF+4, CF+3, CF+2, ...). Todas as partículas, radicais livres, etc., entram na câmara de gravação através de um tubo cerâmico. Partículas carregadas podem ser bloqueadas na câmara de gravação por uma rede de extração ou recombinadas durante a formação de moléculas neutras. Os radicais de flúor também se recombinam parcialmente, mas o suficiente para atingir a câmara de gravação, reagir na superfície do wafer e causar abrasão química. Outras partículas neutras não fazem parte do processo de gravação e são esgotadas juntamente com os produtos da reação.

Exemplos de filmes finos que podem ser gravados em gravação a plasma: • Silício: Si + 4F ---> SiF4 • Dióxido de silício: SiO2 + 4F ---> SiF4 + O2 • Nitreto de silício: Si3N4 + 12F ---> 3SiF4 + 2N2 3. Características da gravação com íons reativos (RIE): Seletividade, perfil de gravação, taxa de gravação, uniformidade e repetibilidade podem ser controlados muito precisamente na gravação de íons reativos. Perfis de gravação isotrópicos, bem como anisotrópicos, são possíveis. Portanto, RIE é um processo de gravação físico-química e é o processo mais importante na fabricação de semicondutores para a construção de uma ampla variedade de filmes finos. Na câmara de processo, o wafer é colocado em um eletrodo de alta frequência (eletrodo HF). O plasma é gerado por ionização por impacto, na qual aparecem elétrons livres e íons carregados positivamente. Se o eletrodo de HF estiver em uma tensão positiva, os elétrons livres se acumulam nele e não podem sair do eletrodo novamente devido à sua afinidade eletrônica. Portanto, o eletrodo é carregado com -1000 V (tensão de polarização). Os íons lentos que não conseguem seguir o campo rapidamente alternado movem-se em direção ao eletrodo carregado negativamente.

Se o caminho livre médio dos íons for alto, as partículas bombardeiam a superfície do wafer em ângulos quase perpendiculares. Assim, o material é ejetado da superfície por íons acelerados (decapagem física), e algumas partículas também reagem quimicamente com a superfície. As paredes laterais laterais não são afetadas, portanto não há desgaste e o perfil de ataque permanece anisotrópico. A seletividade não é muito pequena, mas não é muito grande devido ao processo de ataque físico. Além disso, a superfície do wafer é danificada por íons acelerados e deve ser curada por recozimento térmico. A parte química do processo de gravação é realizada através da reação dos radicais livres com a superfície e o material que está sendo fisicamente fresado, de modo que não se redeposite no wafer ou nas paredes da câmara como na gravação por feixe de íons. Ao aumentar a pressão na câmara de gravação, o livre caminho médio das partículas diminui. Portanto, há mais colisões e as partículas viajam em direções diferentes. Isso resulta em um ataque menos direcional e o processo de ataque adquire mais propriedades químicas. O aumento da seletividade resulta em um perfil de ataque mais isotrópico. Perfis de gravação anisotrópica são obtidos através da passivação das paredes laterais durante a gravação em silício. O oxigênio na câmara de gravação reage com o silício moído para formar dióxido de silício, que é depositado nas paredes laterais verticais. A película de óxido nas regiões horizontais é removida devido ao bombardeio iônico, permitindo que o processo de ataque lateral continue.

A taxa de gravação depende da pressão, da potência do gerador de alta frequência, do gás do processo, da taxa real de fluxo do gás e da temperatura do wafer. A anisotropia aumenta com o aumento da potência de alta frequência, diminuição da pressão e diminuição da temperatura. A uniformidade do processo de gravação depende do gás, da distância entre os dois eletrodos e do material do eletrodo. Se a distância for muito pequena, o plasma não pode ser disperso uniformemente, resultando em falta de homogeneidade. Aumentar a distância do eletrodo reduz a taxa de corrosão porque o plasma é distribuído por um volume expandido. Para eletrodos, o carbono provou ser o material preferido. Como o flúor e o cloro também atacam o carbono, os eletrodos produzem um plasma tenso uniforme, de modo que as bordas do wafer são afetadas da mesma forma que o centro do wafer.

A seletividade e a taxa de corrosão dependem muito do gás do processo. Para compostos de silício e silício, flúor e cloro são usados ​​principalmente.

Os processos de gravação não estão limitados a um único gás, mistura de gases ou parâmetros de processo fixos. Por exemplo, os óxidos nativos no polissilício podem ser removidos primeiro com uma alta taxa de ataque e com baixa seletividade, seguido pelo ataque do polissilício com maior seletividade em relação às camadas subjacentes.

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