Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Etching/Dry Etching

Il dry etching è sinonimo di attacco chimico assistito da plasma, un'espressione che denota diverse tecniche in cui si usano plasmi sotto forma di scariche a basse pressioni. L'alta fedeltà di trasferimento del resist pattern, che queste tecniche permettono, fu messa in luce per la prima volta negli anni settanta, quando si diffuse l'uso del nitruro di silicio come materiale isolante nella fabbricazione dei circuiti integrati. A quei tempi veniva usato industrialmente solo il wet etching, ma non si riusciva a trovare una soluzione chimica in grado di attaccare in maniera selettiva il nitruro. Il problema venne risolto ricorrendo appunto al dry etching, che diede in seguito prova della sua validità in quasi tutti i processi di attacco. Si notò soprattutto il forte scarto tra la velocità di attacco verticale e quella laterale, che tale tecnica offriva, permettendo attacchi fortemente anisotropi. La caratteristica di elevata anisotropia è una delle condizioni necessarie, anche se non sufficiente, per realizzare geometrie con alta risoluzione e alta fedeltà rispetto alle maschere.

Il plasma nel dry etching

La tecnologia dry etching si avvale del plasma per generare specie chimicamente reattive, a partire da gas molecolari relativamente inerti. Tali specie reagendo con i materiali solidi formano dei composti volatili, che vengono successivamente rimossi dai sistemi di pompaggio che sono componenti essenziali delle macchine utilizzate. Possiamo quindi dire che in una macchina per dry etching, avvengono essenzialmente due tipi di reazioni chimiche:

• reazioni chimico-fisiche in fase gassosa;
• reazioni chimico superficiali.

Le prime sono dovute alle collisioni tra gli elettroni e le molecole che formano il plasma, le quali danno luogo ad una grande varietà di fenomeni, ovvero:

• eccitazione;
• ionizzazione;
• dissociazione;
• ricombinazione;

La ionizzaione e la dissociazione contribuiscono alla formazione degli ioni e delle molecole reattive, entrambi essenziali per l'erosione del film di materiale su cui si vogliono creare le geometrie dei dispositivi elettronici. Quando si parla di specie chimiche reattive, non ci si riferisce soltanto alle molecole che possono reagire col film da asportare formando composti volatili (sebbene sia questo il meccanismo fondamentale che rende possibile l'erosione), ma anche a radicali liberi che possono agire come precursori di processi di polimerizzazione.

Glow discharge

Il plasma viene mantenuto in vita da una scarica elettrica a Rf, ovvero si lavora in regime di scarica ("glow discharge"). La scarica viene prodotta mediante un generatore a Rf che applica un potenziale a radiofrequenza (13.56 MHz) all'elettrodo. A causa della diversa mobilità degli ioni e degli elettroni in risposta alla tensione variabile applicata agli elettrodi(gli ioni positivi sono troppo pesanti per reagire al campo Rf), si accumula una quantità di carica negativa sul catodo. In pratica durante il ciclo in cui l'elettrodo è positivo gli elettroni sono accelerati verso di esso e colpiscono il wafer determinando l'accumulo di una carica negativa. Gli ioni carichi positivamente saranno attratti da questa carica negativa determinando l'etching del substrato.

Quando l'elettrodo è negativo, sono gli ioni positivi ad essere accelerati verso di esso; il numero di ioni che raggiungono il catodo è però molto minore di quello degli elettroni nel semiperiodo precedente a causa della differenza di mobilità dovuta alla sproporzione tra le loro masse.

Tutto ciò determina la presenza di una tensione di bias sul catodo(Vdc o self bias voltage).

Tecnologie a differenti densità di plasma

A causa dei problemi legati alla miniaturizzazione che richiedono spesso profili con elevata aspect ratio (cioè il rapporto fra la dimensione più lunga e quella più corta di due dimensioni caratteristiche della figura in considerazione), si è reso necessario sviluppare plasmi con densità degli ioni molto elevate, tali cioè che gli ioni del plasma costituiscano una frazione significativa o addirittura la quasi totalità delle particelle presenti nella scarica.

La ragione di tale necessità è che le particelle cariche sono più facilmente indirizzabili nelle direzioni volute e quindi si ha un migliore controllo del profilo o di deposizione o di attacco(a seconda del processo).

Le tecniche sviluppate sono:

• RIE = Reactive Ion Etch
• MERIE = Magnetic Enhanced REactive Ion Etch
• ICP = Inductively Coupled Plasma

Tutte queste sfruttano reattori ad alta densità di plasma(HDP) e basse pressioni. Inoltre esse consentono di controllare la potenza dell'elettrodo sul quale poggia il wafer indipendentemente dalla sorgente, ottenendo il disaccoppiamento dell'energia degli ioni (tensione applicata al wafer) dal flusso di ioni(densità di plasma controllata dal generatore sorgente). I vantaggi della tecnica HDP sono un maggiore controllo sulle dimensioni critiche (CD), un più elevato etch rate ed una migliore selettività dell'etch.

Diversi tipi di etch

Esistono due diversi tipi di Etch : Chimico e Fisico.

Etch chimico

Nella tipologia di etch chimico le specie neutre altamente reattive(radicali) prodotte nel plasma interagiscono con la superficie del materiale e si combinano attraverso delle reazioni alle specie che costituiscono il substrato formando prodotti volatili.

L'etch chimico in presenza di maschera ha le seguenti caratteristiche:

• Attacco Isotropico
• Reazione chimica pura
• Alta selettività
• Elevato etch rate
• Basso danneggiamento del materiale da etchare

Etch fisico

Nell'incisione con attacco fisico gli ioni positivi bombardano la superficie del materiale ad alta velocità e vi trasferiscono energia meccanica rimuovendo il materiale del substrato.

L'etch fisico in presenza di maschera ha le seguenti caratteristiche:

• Attacco Anisotropico
• Puramente fisico
• Nei fatti uno sputtering (sputter etch)
• Scarsamente selettivo
• Alta direzionalità
• Etch rate bassi
• Può indurre danneggiamento elettrico dei layer da etchare o degli stopping layer