Травление используется в микропроизводстве для химического удаления слоев с поверхности пластины во время производства. Травление является критически важным технологическим модулем в производстве, и каждая пластина проходит множество этапов травления, прежде чем будет завершена.
Для многих этапов травления часть пластины защищена от травителя «маскирующим» материалом, который устойчив к травлению. В некоторых случаях маскирующим материалом является фоторезист, который был сформирован с помощью фотолитографии . В других ситуациях требуется более прочная маска, например, из нитрида кремния .
Два основных типа травителей — жидкофазные («мокрые») и плазменофазные («сухие»). Каждый из них существует в нескольких разновидностях.
Первые процессы травления использовали жидкофазные («мокрые») травители. Этот процесс в настоящее время в значительной степени устарел, но использовался вплоть до конца 1980-х годов, когда его заменило сухое плазменное травление. [1] : 147 Пластину можно погрузить в ванну с травителем, которую необходимо перемешивать для достижения хорошего контроля процесса. Например, буферизованная плавиковая кислота (BHF) обычно используется для травления диоксида кремния на кремниевой подложке.
Для характеристики протравленной поверхности можно использовать различные специализированные травители.
Мокрые травители обычно изотропны, что приводит к большому смещению при травлении толстых пленок. Они также требуют утилизации большого количества токсичных отходов. По этим причинам они редко используются в современных процессах. Однако фотографический проявитель , используемый для фоторезиста, напоминает мокрое травление.
В качестве альтернативы погружению машины для обработки отдельных пластин используют принцип Бернулли , чтобы использовать газ (обычно чистый азот ) для амортизации и защиты одной стороны пластины, в то время как травитель наносится на другую сторону. Это можно делать как на лицевой, так и на обратной стороне. Химия травления распределяется по верхней стороне, когда она находится в машине, а нижняя сторона не затрагивается. Этот метод травления особенно эффективен непосредственно перед обработкой «backend» ( BEOL ), когда пластины обычно намного тоньше после шлифовки задней поверхности пластины и очень чувствительны к термическому или механическому напряжению. Травление тонкого слоя даже в несколько микрометров удалит микротрещины, образовавшиеся во время шлифовки задней поверхности, в результате чего пластина будет иметь значительно большую прочность и гибкость без разрушения.
Некоторые жидкие травители травят кристаллические материалы с очень разной скоростью в зависимости от того, какая грань кристалла открыта. В монокристаллических материалах (например, кремниевых пластинах) этот эффект может допускать очень высокую анизотропию, как показано на рисунке. Термин «кристаллографическое травление» является синонимом «анизотропного травления вдоль кристаллических плоскостей».
Однако для некоторых некристаллических материалов, таких как стекло, существуют нетрадиционные способы травления анизотропным способом. [2] Авторы используют многопоточный ламинарный поток, который содержит травящие и нетравящие растворы, для изготовления стеклянной канавки. Травящий раствор в центре окружен нетравящими растворами, а область, контактирующая с травящими растворами, ограничена окружающими нетравящими растворами. Направление травления, таким образом, в основном вертикально к поверхности стекла. Изображения сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) демонстрируют нарушение обычного теоретического предела соотношения сторон (ширина/высота = 0,5) и способствуют двукратному улучшению (ширина/высота = 1).
Для кремния доступно несколько анизотропных влажных травителей, все они представляют собой горячие водные каустики. Например, гидроксид калия (KOH) демонстрирует селективность скорости травления в 400 раз выше в направлениях кристалла <100>, чем в направлениях <111>. EDP ( водный раствор этилендиамина и пирокатехина ), демонстрирует селективность <100>/<111> 17X, не травит диоксид кремния, как это делает KOH, а также демонстрирует высокую селективность между слаболегированным и сильнолегированным бором (p-типа) кремнием. Использование этих травителей на пластинах, которые уже содержат интегральные схемы КМОП, требует защиты схемы. KOH может вводить подвижные ионы калия в диоксид кремния , а EDP является высококоррозионным и канцерогенным , поэтому при их использовании требуется осторожность. Гидроксид тетраметиламмония (TMAH) представляет собой более безопасную альтернативу EDP, обладая селективностью 37X между плоскостями {100} и {111} в кремнии.
Травление поверхности кремния (100) через прямоугольное отверстие в маскирующем материале, например, отверстие в слое нитрида кремния, создает ямку с плоскими наклонными {111}-ориентированными боковыми стенками и плоским (100)-ориентированным дном. Боковые стенки {111}-ориентированы под углом к поверхности пластины:
Если травление продолжается «до конца», т. е. пока не исчезнет плоское дно, ямка превращается в траншею с V-образным поперечным сечением. Если исходный прямоугольник был идеальным квадратом, то ямка, протравленная до конца, приобретает пирамидальную форму.
Поднутрение δ под краем маскирующего материала определяется по формуле:
где R xxx — скорость травления в направлении <xxx>, T — время травления, D — глубина травления, а S — анизотропия материала и травителя.
Различные травители имеют различную анизотропию. Ниже приведена таблица распространенных анизотропных травителей для кремния:
Современные процессы сверхбольшой интеграции (VLSI) избегают влажного травления и используют вместо этого плазменное травление . Плазменные травители могут работать в нескольких режимах, регулируя параметры плазмы. Обычное плазменное травление работает в диапазоне от 0,1 до 5 Торр . (Эта единица давления, обычно используемая в вакуумной технике, равна приблизительно 133,3 паскаля .) Плазма производит энергичные свободные радикалы , нейтрально заряженные , которые реагируют на поверхности пластины. Поскольку нейтральные частицы атакуют пластину со всех сторон, этот процесс является изотропным.
Плазменное травление может быть изотропным, т. е. демонстрировать скорость бокового подрезки на узорчатой поверхности примерно такую же, как и скорость травления вниз, или может быть анизотропным, т. е. демонстрировать меньшую скорость бокового подрезки, чем скорость травления вниз. Такая анизотропия максимизируется при глубоком реактивном ионном травлении (DRIE). Использование термина «анизотропия» для плазменного травления не следует путать с использованием того же термина применительно к травлению, зависящему от ориентации.
Исходный газ для плазмы обычно содержит небольшие молекулы, богатые хлором или фтором . Например, четыреххлористый углерод (CCl 4 ) травит кремний и алюминий , а трифторметан травит диоксид кремния и нитрид кремния . Плазма, содержащая кислород , используется для окисления (« золы ») фоторезиста и облегчения его удаления.
Ионное травление , или травление распылением , использует более низкие давления, часто всего лишь 10−4 Торр (10 мПа). Он бомбардирует пластину энергичными ионами благородных газов , часто Ar + , которые выбивают атомы из подложки, передавая импульс . Поскольку травление выполняется ионами, которые приближаются к пластине примерно с одного направления, этот процесс является высокоанизотропным. С другой стороны, он имеет тенденцию демонстрировать плохую селективность. Реактивное ионное травление (RIE) работает в условиях, промежуточных между распылением и плазменным травлением (между 10−3 и 10−1 Торр ). Глубокое реактивное ионное травление (DRIE) модифицирует технику RIE для получения глубоких, узких элементов.
Если травление предназначено для создания полости в материале, глубину полости можно приблизительно контролировать, используя время травления и известную скорость травления. Однако чаще травление должно полностью удалить верхний слой многослойной структуры, не повреждая нижележащие или маскирующие слои. Способность системы травления делать это зависит от соотношения скоростей травления в двух материалах ( селективность ).
Некоторые травители подрезают маскирующий слой и образуют полости с наклонными боковыми стенками. Расстояние подрезки называется смещением . Травители с большим смещением называются изотропными , потому что они одинаково разрушают подложку во всех направлениях. Современные процессы в значительной степени предпочитают анизотропные травители, потому что они создают четкие, хорошо контролируемые особенности.
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)