RIE, ICP-RIE en ALE: druk, plasmadichtheid, ionenenergie en precisie vergeleken
Alle drie zijn droogetsmethoden met plasma, maar ze verschillen in hoe het plasma wordt opgewekt en hoe er wordt geëtst. Capacitief gekoppelde (CCP) RIE legt RF-vermogen aan tussen parallelle plaatelektroden; de opbouw is eenvoudig, maar plasmadichtheid en ionenenergie zijn moeilijk los van elkaar in te stellen. ICP-RIE wekt met een spoel een plasma met hoge dichtheid op en bepaalt de ionenenergie met een aparte voeding aan de waferzijde, zodat snel en met weinig schade kan worden geëtst. ALE wisselt modificatie en verwijdering van het oppervlak af en etst per cyclus slechts een hoeveelheid op atoomlaagniveau; het is traag, maar de diepte is uiterst nauwkeurig te regelen.
| Kenmerk | Capacitief gekoppelde RIE (CCP) | ICP-RIE | ALE (atomaire-laagetsen) |
|---|---|---|---|
| Plasmaopwekking | RF-vermogen wordt aangelegd tussen parallelle plaatelektroden. Typisch 13,56 MHz. Veel systemen gebruiken twee frequenties | Een RF-stroom loopt door een spoel buiten een diëlektrisch venster; het geïnduceerde elektrische veld versnelt de elektronen. Aan de waferzijde zit een aparte biasvoeding | Geen vaste methode. Meestal in een etssysteem van bijvoorbeeld het ICP-type, waarbij gastoevoer en bias per stap worden omgeschakeld (plasma-ALE) |
| Typische druk | Enkele Pa tot enkele tientallen Pa | Lage druk van ongeveer 0,1 Pa tot enkele Pa | Per stap ingesteld. Bij de modificatie wordt gas geadsorbeerd, bij de verwijdering worden ionen ingestraald |
| Plasmadichtheid | Lager (ongeveer 10⁹ tot 10¹⁰ cm⁻³) | Hoog (ongeveer 10¹¹ tot 10¹² cm⁻³) | Hangt af van het gebruikte systeem. Belangrijker dan de dichtheid is dat elke stap zelflimiterend stopt |
| Regeling van de ionenenergie | Eén vermogen bepaalt zowel de dichtheid als de self-bias, dus ze zijn moeilijk afzonderlijk te regelen. Met twee frequenties worden ze gedeeltelijk ontkoppeld | De dichtheid met het bronvermogen van de spoel en de ionenenergie met het biasvermogen aan de waferzijde, vrijwel onafhankelijk van elkaar te regelen | De ionenenergie van de verwijderingsstap wordt ingesteld in een smal venster (typisch enkele tientallen eV) waarin alleen de gemodificeerde laag wordt verwijderd en de onderlaag niet wordt gesputterd |
| Etssnelheid | Gemiddeld (afhankelijk van de condities ongeveer enkele tientallen tot enkele honderden nm/min) | Hoog (voor silicium ongeveer enkele honderden nm/min tot enkele µm/min) | Zeer laag. Ongeveer 0,1 tot 0,5 nm per cyclus, en het omschakelen van gassen en het spoelen (purge) kosten tijd |
| Richtingsgevoeligheid | Anisotropie door ionenbombardement en bescherming van de zijwanden | Bij lage druk vallen de ionen vrijwel loodrecht in; gunstig voor anisotroop etsen met hoge aspectverhouding | Plasma-ALE is richtingsgevoelig en kan alleen de bodem etsen. Thermische ALE is isotroop |
| Schade | Hogere ionenenergie; schade aan de onderlaag en oplading treden gemakkelijk op | Door de bias te verlagen kan de schade worden beperkt terwijl de snelheid behouden blijft | Het kleinst. Ionen met lage energie, en ook het oppervlak blijft glad |
| Dieptecontrole | Bepaald door tijd en eindpuntdetectie. Stoppen op enkele nm is moeilijk | Bepaald door tijd en eindpuntdetectie. Vlak bij de onderlaag worden de condities omgeschakeld om de selectiviteit te verhogen | Bepaald door het aantal cycli. Kan op atoomlaagniveau stoppen, en ook het verschil tussen dichte en open patronen is klein |
| Doorvoer | Hoog | Hoog | Laag. Alleen gebruikt voor het kritische laatste deel van het proces |
| Belangrijkste toepassingen | Etsen van oxide- en nitridelagen met fluorkoolstofgassen, bewerking van isolatielagen zoals contactgaten | Gates van silicium en polysilicium, STI, metalen interconnect, verbindingshalfgeleiders, diep etsen voor MEMS (Bosch-proces) | Stappen die op enkele nm moeten stoppen, zoals rond GAA-nanosheets en gates, bewerking van uiterst dunne lagen, recess met weinig schade |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.