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.

KenmerkCapacitief gekoppelde RIE (CCP)ICP-RIEALE (atomaire-laagetsen)
PlasmaopwekkingRF-vermogen wordt aangelegd tussen parallelle plaatelektroden. Typisch 13,56 MHz. Veel systemen gebruiken twee frequentiesEen RF-stroom loopt door een spoel buiten een diëlektrisch venster; het geïnduceerde elektrische veld versnelt de elektronen. Aan de waferzijde zit een aparte biasvoedingGeen vaste methode. Meestal in een etssysteem van bijvoorbeeld het ICP-type, waarbij gastoevoer en bias per stap worden omgeschakeld (plasma-ALE)
Typische drukEnkele Pa tot enkele tientallen PaLage druk van ongeveer 0,1 Pa tot enkele PaPer stap ingesteld. Bij de modificatie wordt gas geadsorbeerd, bij de verwijdering worden ionen ingestraald
PlasmadichtheidLager (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 ionenenergieEén vermogen bepaalt zowel de dichtheid als de self-bias, dus ze zijn moeilijk afzonderlijk te regelen. Met twee frequenties worden ze gedeeltelijk ontkoppeldDe dichtheid met het bronvermogen van de spoel en de ionenenergie met het biasvermogen aan de waferzijde, vrijwel onafhankelijk van elkaar te regelenDe 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
EtssnelheidGemiddeld (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
RichtingsgevoeligheidAnisotropie door ionenbombardement en bescherming van de zijwandenBij lage druk vallen de ionen vrijwel loodrecht in; gunstig voor anisotroop etsen met hoge aspectverhoudingPlasma-ALE is richtingsgevoelig en kan alleen de bodem etsen. Thermische ALE is isotroop
SchadeHogere ionenenergie; schade aan de onderlaag en oplading treden gemakkelijk opDoor de bias te verlagen kan de schade worden beperkt terwijl de snelheid behouden blijftHet kleinst. Ionen met lage energie, en ook het oppervlak blijft glad
DieptecontroleBepaald door tijd en eindpuntdetectie. Stoppen op enkele nm is moeilijkBepaald door tijd en eindpuntdetectie. Vlak bij de onderlaag worden de condities omgeschakeld om de selectiviteit te verhogenBepaald door het aantal cycli. Kan op atoomlaagniveau stoppen, en ook het verschil tussen dichte en open patronen is klein
DoorvoerHoogHoogLaag. Alleen gebruikt voor het kritische laatste deel van het proces
Belangrijkste toepassingenEtsen van oxide- en nitridelagen met fluorkoolstofgassen, bewerking van isolatielagen zoals contactgatenGates 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.

Wanneer welke variant?

Capacitief gekoppelde RIE (CCP)
Bij het bewerken van isolatielagen zoals oxide en nitride met een hogere ionenenergie. De opbouw is eenvoudig en met grote elektroden is een uniform plasma te maken.
ICP-RIE
Wanneer snel moet worden geëtst, maar de ionenenergie apart moet worden ingesteld om schade en profiel te beheersen. Silicium, metalen, verbindingshalfgeleiders, diepe trenches enzovoort.
ALE (atomaire-laagetsen)
Wanneer nauwkeurig binnen enkele nm moet worden gestopt, of wanneer een laag van slechts enkele atoomlagen zonder schade moet worden geëtst.
Combinatie
In echte processen wordt het grootste deel soms geëtst met snelle condities zoals ICP, wordt vlak bij de onderlaag overgeschakeld op condities met hoge selectiviteit en worden alleen de laatste enkele nm met ALE afgewerkt. Beide kunnen ook in hetzelfde systeem worden uitgevoerd.

Veelgestelde vragen

Is ICP-RIE ook een vorm van RIE?

Ja. RIE is de naam van een methode die etst door chemische reacties in een plasma van reactieve gassen te combineren met ionenbombardement; capacitief gekoppeld (CCP) en inductief gekoppeld (ICP) verschillen in de manier waarop dat plasma wordt opgewekt. ICP-RIE is RIE waarbij een plasma met hoge dichtheid en de ionenenergie afzonderlijk te regelen zijn.

Wat is het verschil tussen ICP en CCP?

Bij CCP bepaalt één vermogen op de elektrode zowel de plasmadichtheid als de ionenenergie. Bij ICP bepaalt de spoel de dichtheid en de bias aan de waferzijde de ionenenergie, zodat bij lage druk een plasma met hoge dichtheid kan worden gemaakt terwijl de ionenenergie laag wordt gehouden.

Waarom wordt ALE gebruikt, terwijl het zo traag is?

Omdat elke stap zelflimiterend stopt, wordt de geëtste hoeveelheid niet door de tijd maar door het aantal cycli bepaald, zodat nauwkeurig op atoomlaagniveau kan worden gestopt. Ook de schade is klein; in geavanceerde processen, waarin de transistorafmetingen enkele nm zijn geworden, wordt het alleen ingezet voor delen waar overetsen niet toelaatbaar is.

Test uw begrip

Welke uitspraak over reactief ionenetsen (RIE) is juist?

  1. AEr wordt geëtst in een plasma van reactieve gassen met een combinatie van chemische reactie en ionenbombardement
  2. BDe wafer wordt in een chemische oplossing gedompeld om te etsen
  3. CHet waferoppervlak wordt met een polijstkussen weggeslepen
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Er wordt geëtst in een plasma van reactieve gassen met een combinatie van chemische reactie en ionenbombardement

RIE is een vorm van droog etsen die een chemische reactie met radicalen uit een plasma van reactieve gassen (fluorhoudend, chloorhoudend e.d.) combineert met bombardement door ionen die door een elektrisch veld worden versneld. Omdat de ionen loodrecht op de wafer invallen en de reactie op de bodem bevorderen, verloopt het etsen gemakkelijk in verticale richting en is een sterk anisotrope bewerking mogelijk. Anders dan de naam doet vermoeden wordt niet alleen met ionen geëtst; het synergetische effect met radicalen is essentieel.

Welke uitspraak over de kenmerken van etsapparatuur van het type inductief gekoppeld plasma (ICP) is juist?

  1. AEr wordt geen plasma gebruikt
  2. BMet een spoel wordt een plasma met hoge dichtheid opgewekt, waarbij plasmadichtheid en ionenenergie gemakkelijk afzonderlijk te regelen zijn
  3. CEr worden vloeibare chemische oplossingen gebruikt
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Met een spoel wordt een plasma met hoge dichtheid opgewekt, waarbij plasmadichtheid en ionenenergie gemakkelijk afzonderlijk te regelen zijn

Bij het ICP-type wordt met een inductief elektrisch veld, opgewekt door hoogfrequent vermogen door een spoel boven of rond de kamer, een plasma met een hoge dichtheid van 10¹¹ tot 10¹² cm⁻³ opgewekt, en aan de waferzijde wordt met een aparte hoogfrequente voeding een bias aangelegd. De plasmadichtheid (hoeveelheid radicalen en ionen) en de energie van de ionen die op de wafer vallen zijn gemakkelijk onafhankelijk in te stellen, en bij lage druk van enkele Pa of minder is snel en sterk anisotroop etsen mogelijk, zodat het veel wordt gebruikt voor het etsen van silicium en metalen.

Welke uitspraak over de kenmerken van atoomlaagetsen (ALE) is juist?

  1. AMet één bewerking wordt enkele µm snel weggeëtst
  2. BOppervlaktemodificatie en verwijdering worden afwisselend herhaald, waardoor de etshoeveelheid op atoomlaagniveau wordt geregeld
  3. CHet is isotroop nat etsen met een chemische oplossing
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Oppervlaktemodificatie en verwijdering worden afwisselend herhaald, waardoor de etshoeveelheid op atoomlaagniveau wordt geregeld

Bij ALE wordt een zelflimiterend proces herhaald waarin eerst alleen de bovenste laag van het oppervlak wordt gemodificeerd, bijvoorbeeld door adsorptie van chloor, en vervolgens alleen die laag wordt verwijderd, bijvoorbeeld met ionen van lage energie. De hoeveelheid die per cyclus wordt weggeëtst is constant, circa 0,1 tot 0,5 nm, zodat de regeling op atoomlaagniveau nauwkeurig is, de schade aan het oppervlak klein blijft en ook het snelheidsverschil tussen dichte en open patronen klein is. ALE is het etsequivalent van ALD en begint te worden toegepast bij de bewerking van GAA en het gate-gebied.

  1. Hoe heet het verschijnsel dat in bijvoorbeeld capacitief gekoppelde plasmaapparatuur de elektrode aan de waferzijde vanzelf een negatieve gelijkspanningspotentiaal krijgt en ionen naar de wafer versnelt?
  2. Welk mechanisme waarmee bij droog etsen anisotropie wordt verkregen is juist?
  3. Hoe heet het verschijnsel dat bij plasma-etsen een geleider zoals een lange bedrading als antenne fungeert, lading verzamelt en daarmee het aangesloten gateoxide beschadigt?

Oefenvragen over Etsen

Belangrijke termen uitgelegd

RIE (reactief ionenetsen)
Droog etsen waarbij reactieve deeltjes uit het plasma worden gecombineerd met door een elektrisch veld versnelde ionen. Maakt verticaal anisotroop etsen mogelijk.
ICP (inductief gekoppeld plasma)
Methode om een plasma met hoge dichtheid op te wekken door hoogfrequente stroom door een spoel te sturen. De plasmadichtheid en de energie van de ionen die de wafer bereiken zijn gemakkelijk afzonderlijk te regelen.
ALE (atomic layer etching)
Techniek waarbij oppervlaktemodificatie en verwijdering afwisselend worden herhaald, zodat per cyclus een hoeveelheid ter grootte van een atoomlaag wordt weggeëtst. De etsdiepte is zeer nauwkeurig te regelen.
Self-bias
Verschijnsel in capacitief gekoppelde plasmareactoren waarbij de elektrode aan de waferzijde vanzelf een negatieve gelijkspanning krijgt. Positieve ionen worden naar de wafer versneld, wat helpt bij anisotroop etsen.
Anisotroop etsen
Eigenschap dat het etsen alleen in een bepaalde richting (meestal verticaal) verloopt. Noodzakelijk voor het bewerken van fijne patronen.

Verwante vergelijkingen