Bewertungsparameter und Anwendung des Trockenätzens
Bewertungsparameter des RIE-Ätzens
Beim RIE-Ätzprozess werden mehrere Schlüsselparameter zur Bewertung des Ätzeffekts und der Prozessqualität herangezogen. Zu diesen Parametern gehören die Ätzrate, das Selektionsverhältnis, die kritische Größe (CD), der Größenversatz und der Ätzmusterwinkel.
Ätzrate (ER)
Die Ätzrate bezeichnet die pro Zeiteinheit abgetragene Materialmenge. Um die Prozesseffizienz zu steigern, ist eine möglichst hohe Ätzrate wünschenswert. Eine zu hohe Ätzrate kann jedoch die Gleichmäßigkeit und Genauigkeit des Ätzprozesses beeinträchtigen, weshalb ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Ätzrate und Genauigkeit gefunden werden muss.
Selektivitätsverhältnis
Das Selektionsverhältnis beschreibt das Verhältnis der Ätzrate zwischen dem zu ätzenden Zielmaterial und der Maske bzw. dem Substrat. Ein höheres Selektionsverhältnis bedeutet eine geringere Beschädigung der Maske oder des Substrats beim Abtragen des Zielmaterials. Insbesondere bei der Bearbeitung von Gitterstrukturen ist die Kontrolle des Selektionsverhältnisses von großer Bedeutung, da die Oxidschicht sehr dünn ist.
Kritische Dimension, CD
Die Schlüsselgröße bezeichnet die Größe des Bildes nach dem Ätzen. Die Kontrolle der CD beeinflusst direkt die elektrischen Eigenschaften der Schaltung, beispielsweise die Schwellenspannung des Transistors. Im Fertigungsprozess muss die Änderung der CD streng kontrolliert werden, um die Leistung und Ausbeute des Produkts zu verbessern.
Der Größenversatz bezeichnet die Differenz zwischen der Größe des geätzten Bildes und der Größe der Originalmaske. Durch präzise Ätzsteuerung lässt sich der Größenversatz minimieren, um die Genauigkeit der Grafik zu gewährleisten.
Das ideale Ätzmuster sollte vertikale Seitenwände mit einem Winkel von nahezu 90° aufweisen. Zu große Winkel (Abschrägungen) können in nachfolgenden Prozessen zu Ladungsansammlungen führen, was die Leistung des Bauelements beeinträchtigen kann, während umgekehrte Winkel (inverse Abschrägungen) Schattenbereiche erzeugen können, die die nachfolgende Ionenimplantation negativ beeinflussen können.
Die RIE-Technologie eignet sich zum Ätzen verschiedenster Halbleitermaterialien, darunter Metalle, Isolatoren und Siliziummaterialien. Da die Anforderungen an den Ätzprozess je nach Material stark variieren, müssen das Ätzgas und die Prozessparameter für das RIE-Verfahren materialspezifisch optimiert werden.
Metallätzung
In der Halbleiterfertigung wird das Metallätzen hauptsächlich zur Herstellung von Verbindungsleitungen eingesetzt. Gängige Metalle für das Ätzen sind Aluminium, Kupfer und Wolfram. Am Beispiel von Aluminium lässt sich zeigen, dass Chlorgas (Cl₂) üblicherweise zum Ätzen verwendet wird. Das Reaktionsprodukt ist das flüchtige Aluminiumchlorid (AlCl₃), das sich schnell entfernen lässt. Um die Selektivität zu verbessern, können Hilfsgase wie Siliciumchlorid (SiCl₄) eingesetzt werden, die die Maske schützen und gleichzeitig die Ätzrate gewährleisten.
Gängige Isoliermaterialien, die geätzt werden, sind Siliziumdioxid (SiO₂) und Siliziumnitrid (Si₃N₄). Siliziumdioxid wird üblicherweise in fluorhaltigen Gasen wie CF₄ und CHF₄ geätzt. Das Fluorradikal reagiert mit dem Siliziumdioxid zu dem flüchtigen SiF₄. Siliziumnitrid kann durch Mischen von Gasen (z. B. CF₄ mit O₂) geätzt werden, um die Selektivität und die Ätzrate zu verbessern.
Das Ätzen von Siliziummaterialien dient hauptsächlich der Herstellung der Gate-Struktur von Grabenstrukturen oder Transistoren. Monokristallines Silizium wird üblicherweise mit bromhaltigen Gasen wie HBr geätzt. Während des Ätzprozesses reagiert das Bromradikal mit dem Silizium zu flüchtigem SiBr₄, wodurch die Anisotropie und hohe Selektivität des Ätzvorgangs gewährleistet werden. Polysilizium wird häufig zum Ätzen von Gate-Strukturen eingesetzt. Ein Gemisch aus Chlorgas (Cl₂) und HBr kann die Ätzgeschwindigkeit erhöhen und einen guten Seitenwandschutz gewährleisten.
