Tecnología de proceso de grabado de semiconductores.

El grabado, o grabado, es un paso crucial en la fabricación de semiconductores, la fabricación de circuitos integrados de microelectrónica y los procesos de micro/nanofabricación. Es un proceso de modelado primario asociado con la fotolitografía. En un sentido estricto, el grabado es esencialmente fotolitográfico, en el que primero se expone el fotorresistente mediante fotolitografía y luego se utilizan otros métodos para eliminar el material no deseado. El grabado es el proceso de eliminar selectivamente material no deseado de la superficie de una oblea de silicio mediante métodos químicos o físicos. Su objetivo básico es replicar con precisión el patrón de la máscara en la oblea de silicio recubierta. Con el desarrollo de los procesos de microfabricación, el grabado se ha convertido en un término general para el decapado y eliminación de material utilizando soluciones, iones reactivos u otros métodos mecánicos, convirtiéndose en un término común en la microfabricación.

El grabado se puede clasificar en términos generales en dos tipos: grabado húmedo y grabado seco. En el grabado en seco, el gas se excita a altas frecuencias (principalmente 13,56 MHz o 2,45 GHz). Bajo presiones de 1 a 100 Pa, su recorrido libre medio oscila entre unos pocos milímetros y unos pocos centímetros. Hay tres tipos principales de grabado en seco:

• Grabado físico en seco: Acelera el desgaste físico de las partículas en la superficie de la oblea;

• Grabado químico en seco: el gas reacciona químicamente con la superficie de la oblea;

• Grabado seco químico-físico: Proceso de grabado físico con propiedades químicas;

1. Grabado con haz de iones

El grabado con haz de iones es un proceso físico de grabado en seco. Los iones de argón se irradian sobre la superficie en un haz de iones de aproximadamente 1 a 3 keV. Debido a la energía de los iones, bombardean el material de la superficie. La oblea se inserta verticalmente o en ángulo en el haz de iones y el proceso de grabado es absolutamente anisotrópico. La selectividad es baja porque no diferencia entre capas. El gas y el material pulido son expulsados ​​mediante una bomba de vacío; sin embargo, debido a que los productos de reacción no son gaseosos, las partículas pueden depositarse en la oblea o en las paredes de la cámara.

Para evitar estas partículas, se introduce un segundo gas en la cámara. Este gas reacciona con los iones de argón, induciendo un proceso de grabado fisicoquímico. Parte del gas reacciona con la superficie, pero otra parte reacciona con las partículas pulidas para formar subproductos gaseosos. Casi todos los materiales se pueden grabar con este método. Debido a la radiación vertical, el desgaste de las paredes verticales es muy bajo (alta anisotropía). Sin embargo, debido a la baja selectividad y la baja tasa de grabado, este proceso rara vez se utiliza en la fabricación de semiconductores modernos.

2. Grabado con plasma

El grabado con plasma es un proceso de grabado absolutamente químico (grabado químico seco). Su ventaja es que la superficie de la oblea no resulta dañada por los iones acelerados. Debido a las partículas móviles del gas de grabado, el perfil de grabado es isotrópico, lo que hace que este método sea adecuado para eliminar capas enteras de película (por ejemplo, limpieza de la parte posterior después de la oxidación térmica).

Un tipo de reactor utilizado para el grabado con plasma es un reactor aguas abajo. El plasma se enciende a una alta frecuencia de 2,45 GHz mediante ionización por impacto y el sitio de ionización por impacto se separa de la oblea.

En la zona de descarga de gas se encuentran debido al impacto diversas partículas, incluidos radicales libres. Los radicales libres son átomos neutros o moléculas con electrones insaturados y, por tanto, muy reactivos. Como gas neutro, el tetrafluorometano (CF4) se introduce en la región de descarga de gas y se separa en moléculas de CF2 y flúor (F2). De manera similar, el flúor se puede separar del CF4 añadiendo oxígeno (O2):

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

La molécula de flúor se puede dividir en dos átomos de flúor separados mediante la energía en la región de descarga de gas: cada átomo de flúor es un radical libre de flúor, ya que cada átomo tiene siete electrones de valencia y tiene como objetivo lograr una configuración de gas inerte. Además de los radicales libres neutros, existen varias partículas parcialmente cargadas (CF+4, CF+3, CF+2, ...). Todas las partículas, radicales libres, etc. entran luego en la cámara de grabado a través de un tubo cerámico. Las partículas cargadas pueden bloquearse desde la cámara de grabado mediante una rejilla de extracción o recombinarse durante la formación de moléculas neutras. Los radicales de flúor también se recombinan parcialmente, pero lo suficiente como para llegar a la cámara de grabado, reaccionar en la superficie de la oblea y provocar abrasión química. Otras partículas neutras no forman parte del proceso de grabado y se agotan junto con los productos de reacción.

Ejemplos de películas delgadas que se pueden grabar en grabado con plasma: • Silicio: Si + 4F ---> SiF4 • Dióxido de silicio: SiO2 + 4F ---> SiF4 + O2 • Nitruro de silicio: Si3N4 + 12F ---> 3SiF4 + 2N2 3. Características del grabado con iones reactivos (RIE): la selectividad, el perfil de grabado, la velocidad de grabado, la uniformidad y la repetibilidad se pueden controlar con mucha precisión en reactivo. grabado de iones. Son posibles perfiles de grabado isotrópicos y anisotrópicos. Por lo tanto, RIE es un proceso de grabado físico químico y es el proceso más importante en la fabricación de semiconductores para construir una amplia variedad de películas delgadas. En la cámara de proceso, la oblea se coloca sobre un electrodo de alta frecuencia (electrodo HF). El plasma se genera por ionización por impacto, en la que aparecen electrones libres e iones cargados positivamente. Si el electrodo de alta frecuencia tiene tensión positiva, los electrones libres se acumulan en él y no pueden volver a salir del electrodo debido a su afinidad electrónica. Por lo tanto, el electrodo se carga a -1000 V (voltaje de polarización). Los iones lentos que no pueden seguir el campo que se alterna rápidamente se mueven hacia el electrodo cargado negativamente.

Si el camino libre medio de los iones es elevado, las partículas bombardean la superficie de la oblea en ángulos casi perpendiculares. Así, el material es expulsado de la superficie mediante iones acelerados (grabado físico) y algunas partículas también reaccionan químicamente con la superficie. Las paredes laterales no se ven afectadas, por lo que no hay desgaste y el perfil de grabado permanece anisotrópico. La selectividad no es demasiado pequeña, pero tampoco demasiado grande debido al proceso de grabado físico. Además, la superficie de la oblea resulta dañada por los iones acelerados y debe curarse mediante recocido térmico. La parte química del proceso de grabado se logra mediante la reacción de los radicales libres con la superficie y el material que se está moliendo físicamente, por lo que no se vuelve a depositar en la oblea o en las paredes de la cámara como en el grabado con haz de iones. Al aumentar la presión en la cámara de grabado, disminuye el recorrido libre medio de las partículas. Por tanto, hay más colisiones y las partículas viajan en diferentes direcciones. Esto da como resultado un grabado menos direccional y el proceso de grabado adquiere más propiedades químicas. Una mayor selectividad da como resultado un perfil de grabado más isotrópico. Los perfiles de grabado anisotrópico se logran mediante la pasivación de las paredes laterales durante el grabado con silicio. El oxígeno en la cámara de grabado reacciona con el silicio molido para formar dióxido de silicio, que se deposita en las paredes laterales verticales. La película de óxido en las regiones horizontales se elimina debido al bombardeo de iones, lo que permite que continúe el proceso de grabado lateral.

La tasa de grabado depende de la presión, la potencia del generador de alta frecuencia, el gas de proceso, el caudal de gas real y la temperatura de la oblea. La anisotropía aumenta al aumentar la potencia de alta frecuencia, disminuir la presión y disminuir la temperatura. La uniformidad del proceso de grabado depende del gas, la distancia entre los dos electrodos y el material del electrodo. Si la distancia es demasiado pequeña, el plasma no se puede dispersar uniformemente, lo que da como resultado una falta de homogeneidad. Aumentar la distancia del electrodo reduce la tasa de grabado porque el plasma se distribuye sobre un volumen expandido. Para los electrodos, el carbono ha demostrado ser el material preferido. Debido a que el flúor y el cloro también atacan al carbono, los electrodos producen un plasma tenso uniforme, por lo que los bordes de la oblea se ven afectados de la misma manera que el centro de la oblea.

La selectividad y la tasa de grabado dependen en gran medida del gas de proceso. Para el silicio y los compuestos de silicio se utilizan principalmente flúor y cloro.

Los procesos de grabado no se limitan a un solo gas, mezcla de gases o parámetros de proceso fijos. Por ejemplo, los óxidos nativos sobre polisilicio se pueden eliminar primero con una alta velocidad de grabado y con baja selectividad, seguido del grabado del polisilicio con mayor selectividad en relación con las capas subyacentes.

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