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Isotropes Ätzen vs. anisotropes Ätzen: Profil, Unterätzung, Ursache der Richtungsabhängigkeit und Selektivität

Isotropes Ätzen trägt Material senkrecht und seitlich gleich schnell ab, greift daher unter die Maskenkante (Unterätzung) und hinterlässt ein abgerundetes Profil. Anisotropes Ätzen verläuft in bestimmten Richtungen deutlich schneller, und dafür gibt es zwei verschiedene Ursachen. Die eine ist das Trockenätzen, bei dem im Plasma senkrecht beschleunigte Ionen die Reaktion am Boden antreiben, während eine Passivierungsschicht die Seitenwände schützt; so entstehen nahezu senkrechte Seitenwände. Die andere ist das Nassätzen von einkristallinem Silizium in alkalischen Lösungen wie KOH oder TMAH, bei dem die (111)-Ebenen sehr langsam geätzt werden, sodass die Kristallebenen die Form bestimmen. Nass bedeutet nicht immer isotrop und trocken nicht immer anisotrop: Trockenätzen nur mit Radikalen ist isotrop. Richtungsabhängigkeit steht im Zielkonflikt mit Selektivität und Schädigung, daher richtet sich die Wahl nach dem Ziel.

MerkmalIsotropes ÄtzenAnisotropes Ätzen (ionenunterstützt, trocken)Kristallebenenabhängiges anisotropes Ätzen (nass)
Ursache der RichtungsabhängigkeitKeine: Die chemische Reaktion verläuft in alle Richtungen gleichVom elektrischen Feld senkrecht beschleunigte Ionen fördern die Reaktion am Boden, während eine Passivierungsschicht die Seitenwände schütztDie Ätzrate unterscheidet sich stark zwischen Kristallebenen; die (111)-Ebenen von Silizium werden sehr langsam geätzt
ProfilAbgerundet, zentriert auf die MaskenöffnungNahezu senkrechte Seitenwände (Flankenwinkel über die Bedingungen einstellbar)Schrägen von etwa 54,7° auf (100)-Wafern; senkrechte Wände auf (110)-Wafern
UnterätzungGroß: seitlich etwa so viel wie in die Tiefe, durch Überätzen noch mehrGeringStoppt an (111)-Ebenen unter Maskenkanten, die entlang <110> ausgerichtet sind; konvexe Ecken und fehlausgerichtete Kanten werden unterätzt
Typische VerfahrenNassätzen wie das Ätzen von Oxid mit Flusssäure, XeF2-Gas, Downstream-Plasma, das nur Radikale liefertRIE, ICP-Ätzen, Bosch-ProzessAlkalische Lösungen wie KOH und TMAH
SelektivitätLeicht hoch zu halten, da kaum physikalischer Abtrag stattfindetIonenbeschuss trägt auch Masken und darunterliegende Schichten ab, und stärkere Richtungsabhängigkeit senkt meist die SelektivitätHoch: Masken aus Siliziumnitrid und Oxid (besonders bei TMAH) werden kaum geätzt
SchädigungGeringIonenbeschuss und Aufladung können Schäden verursachenKeine Plasmaschäden
FormeinschränkungenUngeeignet für Strukturen, die schmaler als die Schichtdicke sindÜberträgt die Maskenform nahezu exakt; in tiefen Löchern treten Effekte wie aspektverhältnisabhängiger Ratenverlust aufNur für einkristallines Silizium, die Form wird durch Kristallebenen bestimmt; Masken müssen auf die Kristallorientierung ausgerichtet werden
Typischer EinsatzGanzflächiges Entfernen von Schichten, Reinigung, Opferschichtätzen in MEMS, Entfernen von SiGe zwischen GAA-NanosheetsFeine Strukturen wie Transistorgates, Kontakte, Gräben und Vias; tiefe senkrechte Löcher in MEMSBulk-Mikromechanik wie MEMS-Membranen, V-Gruben und pyramidenförmige Vertiefungen

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Isotropes Ätzen
Wenn hohe Selektivität oder die Schonung der darunterliegenden Schicht wichtiger ist als Maßgenauigkeit, und wenn die Unterätzung selbst nützlich ist, um unter einer Struktur auszuhöhlen oder eine Schicht von der Seite zu entfernen.
Anisotropes Ätzen (ionenunterstützt, trocken)
Wenn schmale, senkrechte Muster in den Maßen der Maske übertragen werden müssen. Fast alle feinen Strukturen in modernen ICs werden so hergestellt.
Kristallebenenabhängiges anisotropes Ätzen (nass)
Wenn in einkristallinem Silizium präzise, durch Kristallebenen definierte Schrägen, V-Gruben oder dünne Membranen kostengünstig benötigt werden, vor allem in der Bulk-Mikromechanik für MEMS.

Häufige Fragen

Ist Nassätzen immer isotrop?

Nein. Das Ätzen amorpher oder polykristalliner Schichten in Lösung ist im Allgemeinen isotrop, das Ätzen von einkristallinem Silizium in KOH oder TMAH dagegen anisotrop, weil sich die Ätzrate zwischen Kristallebenen stark unterscheidet. Umgekehrt ist auch Trockenätzen isotrop, wenn es ohne Ionen nur mit Radikalen oder XeF2-Gas arbeitet.

Warum ätzen Ionen nur nach unten?

Das negative Potenzial, das sich an der Waferelektrode einstellt, beschleunigt die Ionen nahezu senkrecht, sodass sie vor allem auf den Boden der Struktur treffen. Ionenbeschuss beschleunigt die chemische Reaktion mit den Radikalen stark, daher wird der Boden viel schneller geätzt als die Seitenwände. Polymere und andere Reaktionsprodukte lagern sich als Passivierungsschicht an den Seitenwänden ab und verhindern seitliches Ätzen.

Warum stehen Richtungsabhängigkeit und Selektivität im Zielkonflikt?

Stärkere Richtungsabhängigkeit erfordert höhere Ionenenergie und damit mehr physikalischen Abtrag, und dieser unterscheidet nicht zwischen Materialien, trägt also auch Masken und darunterliegende Schichten ab. Isotropes chemisches Ätzen hat kaum physikalischen Abtrag und erreicht leicht eine hohe Selektivität, ätzt aber auch seitlich. In realen Prozessen werden Gaszusammensetzung, Ionenenergie und Passivierung gegeneinander abgestimmt.

Wie stark unterätzt isotropes Ätzen?

Vollständig isotropes Ätzen trägt von der Maskenkante seitlich etwa so viel ab wie in die Tiefe. Wird eine 1 µm dicke Schicht bis zur Unterlage durchgeätzt, beträgt die Unterätzung etwa 1 µm, und Überätzen vergrößert sie weiter. Deshalb werden Strukturen, die schmaler als die Schichtdicke sind, mit anisotropem Ätzen hergestellt.

Verständnis prüfen

Wie groß ist ungefähr die seitliche Abtragung vom Maskenrand (Unterätzung, Undercut), wenn eine 1 µm dicke Schicht mit vollständig isotropem Nassätzen genau bis zur Unterlage abgetragen wird?

  1. AEtwa 1 µm
  2. BEtwa 10 µm
  3. CNahezu 0
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Antwort: A. Etwa 1 µm

Beim isotropen Ätzen wird vertikal und lateral gleich schnell abgetragen; wenn 1 µm abgetragen ist und die Unterlage erreicht wird, ist auch seitlich vom Maskenrand etwa 1 µm abgetragen (Unterätzung). Beim Überätzen nimmt die seitliche Abtragung weiter zu. Es entsteht daher eine Maßänderung in der Größenordnung der Schichtdicke oder mehr, und das Verfahren eignet sich nicht zur Bearbeitung von Strukturen, die schmaler als die Schichtdicke sind. Umgekehrt wird diese Eigenschaft z. B. bei MEMS genutzt, um Strukturen zu unterhöhlen.

Welche Aussage zum Downflow-Ätzen, bei dem nur im Plasma erzeugte Radikale dem Wafer zugeführt werden, ist richtig?

  1. AWegen starken Ionenbeschusses ist die Anisotropie sehr hoch
  2. BWegen kaum vorhandenen Ionenbeschusses kann mit geringen Schäden isotrop geätzt werden
  3. CEs wird mit einer Chemikalie geätzt
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Antwort: B. Wegen kaum vorhandenen Ionenbeschusses kann mit geringen Schäden isotrop geätzt werden

Beim Downflow-Typ (Remote-Plasma-Typ) sind Plasmaerzeugung und Wafer räumlich getrennt, Ionen und Elektronen gehen unterwegs durch Rekombination verloren, sodass nur langlebige neutrale Radikale den Wafer erreichen. Da keine Ionen auftreffen und auch die UV-Strahlung des Plasmas abgeschirmt wird, sind die Schäden gering und es kann isotrop geätzt werden. Eingesetzt wird es zum Entfernen von Resist, von Schichten in schadensempfindlichen Prozessen und von SiGe zwischen Nanosheets.

Welches Gas kann Silizium ohne Plasma isotrop ätzen, z. B. bei der Entfernung von Opferschichten in MEMS?

  1. AO2 (Sauerstoff)
  2. BN2 (Stickstoff)
  3. CXeF2 (Xenondifluorid)
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Antwort: C. XeF2 (Xenondifluorid)

XeF2 ist ein bei etwa Raumtemperatur sublimierendes Gas, das spontan mit Silizium zu SiF4 u. Ä. reagiert und Silizium ohne Plasma isotrop ätzt (2XeF2 + Si → 2Xe + SiF4). Die Selektivität gegenüber Oxid- und Nitridfilmen, Resist und vielen Metallen ist mit über 1000 sehr hoch, und da keine Flüssigkeit verwendet wird, tritt kaum Stiction auf; daher dient es dazu, MEMS-Strukturen aus Silizium-Opferschichten freizulegen.

  1. Werden Silizium gleichzeitig XeF2-Gas und ein Argonionenstrahl ausgesetzt, schreitet das Ätzen weit schneller voran als die Summe der Einzelwirkungen. Welche Eigenschaft des Trockenätzens zeigt dies?
  2. Welche Kenngröße gibt an, wie stark die Seitenwand eines durch Ätzen entstandenen Lochs oder Grabens von der Senkrechten abweicht?
  3. Welche Aussage zum anisotropen Ätzen ist richtig?

Übungsfragen zu Ätzen

Wichtige Begriffe erklärt

Isotropes Ätzen
Ätzen mit gleicher Geschwindigkeit in vertikaler und lateraler Richtung. Es unterätzt die Maske (Unterätzung).
Anisotropes Ätzen
Ätzen, das nur in einer bestimmten Richtung (meist vertikal) fortschreitet. Für die Strukturierung feiner Muster erforderlich.
Selektivität
Verhältnis der Ätzraten zwischen der zu ätzenden Schicht und der Maske bzw. der Unterlage. Je höher, desto weniger wird die Unterlage angegriffen.
RIE (reaktives Ionenätzen)
Trockenätzen, das reaktive Teilchen im Plasma mit durch ein elektrisches Feld beschleunigten Ionen kombiniert. Ermöglicht vertikale, anisotrope Strukturierung.
Bosch-Prozess (Deep RIE)
Trockenätztechnik, bei der Ätzen und Abscheiden einer Seitenwand-Schutzschicht in kurzen Zyklen abwechselnd wiederholt werden, um tiefe, senkrechte Löcher und Gräben in Silizium zu ätzen. Wird für MEMS und TSV verwendet.
Opferschichtätzen
Typisches MEMS-Verfahren: Eine zuvor unter der Struktur angebrachte Schicht (Opferschicht) wird weggeätzt, sodass bewegliche Balken oder Membranen freigelegt werden.
Radikal
Neutrales Atom oder Molekül mit ungepaartem Elektron und sehr hoher chemischer Reaktivität. Im Plasma sind sie weit häufiger als Ionen und tragen zum chemischen Ätzen und zur Schichtabscheidung bei.
Kristallorientierung
Angabe der Lage von Kristallebenen und -richtungen, ausgedrückt durch Miller-Indizes wie (100). Für MOSFETs werden meist Silizium-Wafer mit (100)-Oberfläche verwendet.

Verwandte Vergleiche