Wat is Radicaal?
Neutraal atoom of molecuul met een ongepaard elektron dat chemisch zeer reactief is. In plasma veel talrijker aanwezig dan ionen en verantwoordelijk voor chemisch etsen en deponeren.
Japanse benaming: ラジカル
Vakgebied: Etsen
Hoe een plasma radicalen vormt
In een procesplasma botsen energierijke elektronen met moleculen van het procesgas. Sommige botsingen ioniseren een molecuul, maar veel vaker wordt het alleen in neutrale fragmenten opgesplitst, omdat dissociatie minder energie vraagt dan ionisatie; CF4 levert CF3 en F op, O2 levert atomair O. Deze fragmenten met ongepaarde elektronen zijn radicalen. Omdat ze ongeladen zijn, worden ze niet door de plasmasheath naar de wanden getrokken en leven ze langer dan ionen, waardoor hun dichtheid de ionendichtheid doorgaans twee tot drie ordes van grootte of meer overtreft.
Radicalen versus ionen bij etsen
Radicalen bereiken de wafer uit alle richtingen en reageren spontaan met geschikte oppervlakken; fluorradicalen zetten silicium bijvoorbeeld om in vluchtig SiF4. Op zichzelf is deze chemie isotroop en zeer selectief. Ionen zijn er minder, maar de sheath versnelt ze verticaal, zodat ze horizontale oppervlakken met tientallen tot honderden elektronvolt treffen, daar de reacties versterken en passivatie van de bodem van trenches verwijderen. Anisotroop etsen berust op deze taakverdeling: radicalen leveren het grootste deel van de chemie, ionen bepalen waar die het snelst verloopt, en zijwandpassivatie beschermt de verticale wanden.
Processen met alleen radicalen
Bij sommige stappen worden ionen bewust buitengesloten. In een downstream- of remote plasma wordt het plasma op afstand van de wafer opgewekt, zodat ionen recombineren voordat ze aankomen en alleen langlevende radicalen het oppervlak bereiken. Dat maakt schadevrij ashen van resist en isotroop reinigen mogelijk. Bij radicaaloxidatie groeien zuurstofradicalen een oxide van goede kwaliteit bij ongeveer 400–600 °C, met weinig afhankelijkheid van de kristaloriëntatie. Dat maakt het geschikt voor FinFET-fins en 3D NAND-structuren en voor stappen met een krap thermisch budget.
De radicaalflux sturen
De radicaaldichtheid hangt af van de gaschemie, de druk, het RF-vermogen en hoe snel radicalen worden verbruikt. Met ICP-bronnen (inductief gekoppeld plasma) kunnen engineers de plasmadichtheid, en daarmee de radicaal- en ionenflux, los van de ionenenergie instellen, en gepulste plasma's verschuiven de mix van radicaalsoorten. Verbruik leidt tot loading-effecten: als een wafer meer etsbaar oppervlak blootstelt, raken radicalen uitgeput en daalt de etssnelheid. In diepe, smalle structuren moeten radicalen naar de bodem van het gat diffunderen, zodat de etssnelheid vaak afneemt met de aspectverhouding.
Veelgestelde vragen
Wat is het verschil tussen een radicaal en een ion in een plasma?
Een radicaal is een elektrisch neutraal atoom of molecuul met een ongepaard elektron: chemisch reactief, maar niet te sturen met elektrische velden. Een ion is geladen en wordt door de sheath naar de wafer versneld, wat een gericht bombardement geeft.
Waarom zijn er in een etsplasma meer radicalen dan ionen?
Een molecuul opsplitsen kost minder elektronenenergie dan het ioniseren, dus dissociatie komt vaker voor. Radicalen leven bovendien langer omdat ze niet naar de wanden worden getrokken, waardoor ze zich ophopen tot veel hogere dichtheden dan ionen.
Zorgen radicalen voor isotroop etsen?
Etsen met alleen radicalen is isotroop, omdat neutrale radicalen uit alle richtingen aankomen. Richtingsgevoeligheid ontstaat pas door ionenbombardement in combinatie met zijwandpassivatie.
Verwante termen
ALE (atomic layer etching) Anisotroop etsen Antenne-effect ARDE (aspect-ratio-afhankelijk etsen) Ashing Aspectverhouding Droog etsen Eindpuntdetectie Gebufferd fluorwaterstofzuur (BHF) Hardmask