RIE vs. ICP-RIE vs. ALE: Plasmadichte, Ionenenergie, Präzision
Alle drei sind Trockenätzverfahren mit Plasma, unterscheiden sich aber darin, wie das Plasma erzeugt und wie abgetragen wird. Kapazitiv gekoppeltes RIE (CCP) legt Hochfrequenzleistung an parallele Plattenelektroden an; der Aufbau ist einfach, doch Plasmadichte und Ionenenergie lassen sich nur schwer getrennt festlegen. ICP-RIE erzeugt mit einer Spule ein Plasma hoher Dichte und legt die Ionenenergie über eine separate Quelle auf der Waferseite fest, sodass schnell und schädigungsarm geätzt werden kann. ALE wechselt zwischen Oberflächenmodifikation und Abtrag ab und entfernt pro Zyklus nur eine Menge in der Größenordnung einer Atomlage; es ist langsam, erlaubt dafür aber eine äußerst präzise Kontrolle der Tiefe.
| Merkmal | Kapazitiv gekoppeltes RIE (CCP) | ICP-RIE | ALE (Atomlagenätzen) |
|---|---|---|---|
| Plasmaerzeugung | Hochfrequenzleistung wird zwischen parallelen Plattenelektroden angelegt, typischerweise 13,56 MHz. Viele Anlagen nutzen zwei Frequenzen | Ein HF-Strom in einer Spule außerhalb eines dielektrischen Fensters induziert ein elektrisches Feld, das die Elektronen beschleunigt. Auf der Waferseite gibt es eine separate Bias-Quelle | Kein festgelegtes Verfahren. Meist in Ätzanlagen wie ICP-Anlagen, wobei Gaszufuhr und Bias Schritt für Schritt umgeschaltet werden (Plasma-ALE) |
| Typischer Druck | Etwa einige Pa bis einige zehn Pa | Niedriger Druck von etwa 0,1 Pa bis einige Pa | Wird für jeden Schritt eingestellt. Bei der Modifikation wird Gas adsorbiert, beim Abtrag werden Ionen eingestrahlt |
| Plasmadichte | Eher niedrig (etwa 10⁹–10¹⁰ cm⁻³) | Hoch (etwa 10¹¹–10¹² cm⁻³) | Abhängig von der Anlage. Wichtiger als die Dichte ist, dass jeder Schritt selbstbegrenzend endet |
| Steuerung der Ionenenergie | Eine einzige Leistung bestimmt sowohl die Dichte als auch die Self-Bias-Spannung, daher schwer getrennt steuerbar. Mit zwei Frequenzen teilweise entkoppelt | Dichte über die Quellenleistung der Spule, Ionenenergie über die Bias-Leistung auf der Waferseite – nahezu unabhängig steuerbar | Die Ionenenergie im Abtragsschritt wird auf ein schmales Fenster (typischerweise einige zehn eV) eingestellt, in dem nur die modifizierte Schicht entfernt und die darunterliegende Schicht nicht gesputtert wird |
| Ätzrate | Mittel (je nach Bedingungen etwa einige zehn bis einige hundert nm/min) | Hoch (bei Silizium etwa einige hundert nm/min bis einige µm/min) | Sehr niedrig. Etwa 0,1–0,5 nm pro Zyklus; Gaswechsel und Spülen kosten Zeit |
| Richtungsabhängigkeit | Anisotropie durch Ionenbeschuss und Seitenwandschutz | Bei niedrigem Druck treffen die Ionen nahezu senkrecht auf; vorteilhaft für anisotrope Strukturen mit hohem Aspektverhältnis | Plasma-ALE ist gerichtet und kann nur den Boden abtragen. Thermisches ALE ist isotrop |
| Schädigung | Eher hohe Ionenenergie; Schäden an der darunterliegenden Schicht und Aufladung treten leicht auf | Durch Absenken des Bias lässt sich die Schädigung bei gleichbleibender Geschwindigkeit begrenzen | Am geringsten. Ionen niedriger Energie; auch die Oberfläche bleibt glatt |
| Tiefenkontrolle | Über Zeit und Endpunkterkennung. Ein Stopp nach wenigen nm ist schwierig | Über Zeit und Endpunkterkennung. In der Nähe der darunterliegenden Schicht werden die Bedingungen umgeschaltet, um die Selektivität zu erhöhen | Durch die Zyklenzahl bestimmt. Stopp auf Atomlagenebene möglich; auch der Unterschied zwischen dichten und lockeren Strukturen ist gering |
| Durchsatz | Hoch | Hoch | Niedrig. Nur für den kritischen letzten Teil eines Prozessschritts eingesetzt |
| Typische Anwendungen | Ätzen von Oxid- und Nitridschichten mit Fluorkohlenstoffgasen, Strukturierung von Isolierschichten wie Kontaktlöchern | Gates aus Silizium und Polysilizium, STI, Metallleiterbahnen, Verbindungshalbleiter, MEMS-Tiefenätzen (Bosch-Prozess) | Schritte, die nach wenigen nm stoppen müssen, etwa bei GAA-Nanosheets und um das Gate, Bearbeitung extrem dünner Schichten, schädigungsarme Recesses |
Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.