Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Etching/Wet etch

Il wet etch viene usato quando si vogliono rimuovere strati di materiale in modo isotropo ( uguale in ogni direzione ). In presenza di una maschera di resist, il materiale scoperto verrà eliminato, ma contemporaneamente,anche parte del materiale ricoperto dalla maschera verrà corroso lateralmente. Gli utilizzi del wet etch sono numerosi; può essere utilizzato per rimuovere ossido sacrificale o ossido nativo, oppure per eliminare contaminazioni metalliche superficiali. Gli attacchi di tipo wet etch precedono sempre i trattamenti di crescita termica in modo da avere un substrato di silicio il più possibile pulito prima della crescita. Nei processi wet, gli attacchi chimici (realizzati utilizzando soluzioni acide) vanno eseguiti sotto cappa aspirante ed i prodotti di reazione dovranno essere solubili in modo da essere facilmente eliminati.

I processi di Wet Etch sono quindi isotropici, ovvero la velocità di attacco è la stessa sia in direzione verticale che in direzione orizzontale. Il meccanismo secondo il quale avviene il wet etch è il seguente: si hanno dei reagenti in soluzione che si trasferiscono sulla superficie del wafer per diffusione, avvengono poi le reazioni superficiali.

È possibile definire un Etch Rate come la quantità di materiale rimosso nell'unità di tempo; per ottimizzare il processo si cerca di raggiungere un etch rate il più possibile uniforme. Come già accennato la principale caratteristica degli attacchi wet è l'isotropia, la velocità di rimozione (rate di rimozione) verticale è uguale a quella laterale. Spesso accade però, che il rate di rimozione laterale sia leggermente maggiore rispetto a quello verticale, questo perché, mentre verticalmente l'etch si ferma quando incontra il substrato di silicio, lateralmente la quantità di materiale che può essere attaccata chimicamente è maggiore.

Un altro fattore importante per il wet etch è la selettività: il processo wet deve essere in grado di attaccare solo un particolare film senza corrodere né il substrato né le maschere di photoresist.

Si vanno ora ad analizzare i processi di etch di diversi materiali utilizzati nella realizzazione dei dispositivi. Verranno prese in considerazione le diverse soluzioni acide utilizzate e le reazioni chimiche coinvolte.

In generale si eseguono i seguenti processi di Wet:

1. Rimozione di ossidi, nitruri, polisilicio per attacco chimico isotropo
2. Pulitura della superficie del dispositivo (processo di cleaning)

   Infatti quando si scava un contatto nell' ossido, si potrebbe formare ossido nativo all' interno del contatto (ad esempio a contatto con l' aria). Tale contatto poggia sul substrato di silicio. Quando viene riempito il contatto, ad esempio con il polisilicio, questo andrà a depositarsi anche sullo strato di ossido nativo che in realtà non permette il contatto con il substrato. Con un processo di cleaning, prima di riempire il contatto, si rimuove l' ossido nativo e successivamente si procede con il riempimento.

   In genere si fa un cleaning del substrato anche prima di crescite epitassiali.

3. Riduzione del livello di particelle (particelle di ogni tipo)
4. Eliminazione della contaminazione da metallo
5. Rimozione dei contaminanti organici come ad esempio resist.
6. Rimozione dei polimeri
7. Eliminazione del photoresist

Per eliminare il photoresist il processo viene effettuato di solito ad una temperatura di circa 300 gradi con un plasma di:

$O_{2},N_{2}/H_{2}eCF_{4}\;$

Tale plasma brucia il photoresist senza impattare la superficie. Supponiamo che il photoresist si trovi ancora sopra la struttuta creata:

Tramite il plasma quindi si rimuove il photoresist non andando ad intaccare la struttura sottostante.

Vasche per il processo in Wet

All' interno delle vasche le sostanze chimiche sono tenute in costante monitoraggio attraverso un sistema costituito da una pompa(per il ricircolo), un filtro (per filtrare i residui delle reazioni) e da un sistema di controllo della temperatura (al fine di mantenere la temperatura desiderata).

La sostanza chimica durante la sua vita deve essere sostituita perché accumula contaminanti provenienti dai wafer e perde le dovute concentrazioni (per evaporazione o reazione). Nella figura si mostra una vasca per processo con HF che non fa uso di Megasonic.

Etching del silicio

Il processo di etching del silicio avviene in due fasi:

$\mathrm {Si} +\mathrm {4HNO_{3}} \longrightarrow \mathrm {SiO_{2}} +\mathrm {2H_{2}O} +\mathrm {4NO_{2}} \;$

$\mathrm {SiO_{2}} +\mathrm {6HF} \longrightarrow \mathrm {H_{2}SiF_{6}} +\mathrm {2H_{2}O} \;$

Nella prima fase una soluzione acquosa di acido nitrico ossida il silicio, formando ossido di silicio ed altri prodotti solubili. In un secondo momento l'ossido di silicio viene eliminato utilizzando dell'acido fluoridrico. L'etch rate di questo processo varia al variare delle concentrazioni relative delle soluzioni di acido nitrico e acido fluoridrico. Per diversi valori di concentrazione percentuale dei due acidi, nella soluzione acquosa utilizzata si ottengono delle curve a etch rate costante. In alcuni particolari tipi di etch del silicio, che utilizzano soluzioni di $\mathrm {KOH} \;$ l'etch rate dipende dalle direzioni cristallografiche del silicio: si ha etch elevato lungo certi piani reticolari e scarso lungo altri. Infatti l' attacco ai piani <111> risulta puù lento dell' attacco ai piani <100> e <110> perché ci sono più atomi per centimetro quadro. Questo tipo di wet etch non è adatto nel campo dei dispositivi a semiconduttore infatti, la presenza di ioni potassio potrebbe determinare contaminazione; trova invece applicazione in micromeccanica in particolare nella realizzazioni di punte per i microscopi a forza atomica e non solo, oggi viene utilizzato nei processi di Silicon Micromachining per incidere strutture sul substrato di silicio per formare membrane,strutture sospese (ad esempio dispositivi MEMS),trincee, buche o altre strutture. Questi processi vengono chiamati processi di BULK.

Etching dell'ossido di silicio

Come già visto, il secondo step dell'etching del silicio, consiste proprio nella rimozione dell'ossido di silicio formato nel primo step. E' naturale, quindi, pensare di utilizzare una soluzione di acido fluoridrico quando è necessario rimuovere dell'ossido di silicio. La reazione da considerare è proprio quella vista in precedenza:

$\mathrm {SiO_{2}} +\mathrm {6HF} \longrightarrow \mathrm {H_{2}SiF_{6}} +\mathrm {2H_{2}O} \;$

A volte alla soluzione di acido fluoridrico viene aggiunto del fluoruro di ammonio ($\mathrm {NH_{4}F} \;$) che, essendo una base, modifica il PH della soluzione impiegata. Si parla di soluzione tampone (buffer) ed il processo è detto BOE (Buffered Oxide Etch), la presenza della base porta ad un aumento dell'etch rate. L'etch rate dipende, come nel caso dell'etch del silicio, dalle concentrazioni percentuali di acido fluoridrico e del fluoruro di ammonio presenti in soluzione, inoltre, aumenta all'aumentare della temperatura.

Etching del nitruro di silicio

Il nitruro di silicio può essere rimosso utilizzando una soluzione di acido fluoridrico secondo la reazione:

$\mathrm {Si_{3}N_{4}} +\mathrm {18HF} \longrightarrow \mathrm {H_{2}SiF_{6}} +\mathrm {2(NH_{4})_{2}SiF_{6}} \;$

questo tipo di etch in realtà causa dei problemi infatti, quasi sempre, si ha una situazione del tipo:

l'acido fluoridrico corrode il nitruro, ma anche l'assido di silicio sottostante. La presenza dell'ossido è necessaria in quanto il nitruro di silicio ed il silicio presentano dei coefficienti di dilatazione termica molto diversi. Durante i processi tecnologici, il wafer viene spesso sottoposto ad elevate temperature, il contatto diretto tra nitruro e silicio provocherebbe dei continui stress meccanici che vengono invece assorbiti dall'ossido. Per quanto appena detto la reazione usata più di frequente per l'etch del nitruro di silicio è la seguente:

$\mathrm {4H_{3}PO_{4}} +\mathrm {3Si_{3}N_{4}} +\mathrm {27H_{2}O} \longrightarrow \mathrm {4(NH_{4})_{3}PO_{4}} +\mathrm {9H_{2}SiO_{3}} \;$

l'$\mathrm {H_{3}PO_{4}} \;$ è molto efficace nel rimuovere il nitruro mentre non corrode l'ossido di silicio sottostante.

Etching del polisilicio

Il poly si può etchare in due modi:

• TMAH sta per IDROSSIDO DI TETRAMETILAMMONIO:

$\mathrm {[N(CH_{3})_{4}OH]} \;$ che è una base debole che viene utilizzata per l' etch di polisilicio. La reazione di dissoluzione del silicio è la seguente:

$\mathrm {Si} +\mathrm {6OH^{-}} \longrightarrow \mathrm {SiO_{3}^{2}} +\mathrm {3H_{2}O} +\mathrm {4e^{-}} \;$

L' etch rate è maggiore rispetto all' etch di silicio per la presenza dei bordi di grano.

• POLYTECH che è una miscela costituita da $\mathrm {HNO_{3}} \;$, $\mathrm {HF} \;$, acido acetico e $\mathrm {H_{2}O} \;$

L' acido nitrico ossida il silicio così l' HF lo può etchare. Siccome la reazione è troppo violenta ci si mette anche l' acido acetico che la stabilizza.

Il TMAH inoltre viene utilizzato per fare recessi nel polisilicio. Esso attacca molto velocemente il poly e molto più lentamente l' ossido di silicio. Quando si vuole realizzare un condensatore, per esempio, si deve prima fare lo scavo e poi si procede nella realizzazione delle armature e nella deposizione del dielettrco. Le armature si realizzano in polisilicio ma inizialmente si mette un combopoly che è molto granuloso ed è ottenuto dalla combinazione di più polisilici. Questo combopoly riesce a far aumentare la capacità del condensatore perché aumenta la superficie delle armature. Una volta deposto il combopoly, si elimina quello che esce dallo scavo (perché il condensatore deve essere realizzato all' interno); si va poi a riempire lo spazio tra le due armature fatte di combopoly o poly, con il resist. A questo punto si fa un attacco con TMAH che attacca il poly rimasto sopra quasi fuori dallo scavo (infatti il TMAH attacca solo il poly e non il resist). In questo modo le armature rimangono molto bene all' interno dello scavo andando quindi ad evitare lo short tra due condensatori vicini. Questo attacco di TMAH è detto recessione di polisilicio. Si va poi a rimuovere il resist, si mette uno strato di dielettrico e si realizza una seconda armatura in polisilicio. Il condensatore poggierà poi su una plug di polisilicio.