Плазменное травление

Плазменное травление (dry etching) — процесс удаления материала с поверхности кремниевой пластины с помощью химически активной плазмы. В отличие от жидкого (мокрого) травления, плазменное обеспечивает анизотропность — вертикальные стенки без подтравливания, что критично для структур размером менее 10 нм.

Зачем травить и почему плазмой

После фотолитографии на пластине остаётся рисунок из фоторезиста — полимерной маски. Через открытые участки нужно удалить материал: кремний, оксид кремния (SiO₂), нитрид кремния (Si₃N₄) или металл. Мокрое травление (кислотами) растворяет материал одинаково во все стороны — изотропно. При размерах структур 100+ нм это допустимо, но при 7-3 нм боковое подтравливание уничтожает паттерн.

Плазменное травление решает проблему. Ионы в плазме летят перпендикулярно пластине, «бомбардируя» поверхность сверху. Химические радикалы реагируют с материалом, а физическая бомбардировка выбивает атомы вертикально. Результат — канавки с вертикальными стенками (анизотропия), повторяющие рисунок маски с точностью до нанометра.

RIE: базовый метод

RIE (Reactive Ion Etching, реактивное ионное травление) — рабочая лошадка полупроводникового производства. Пластина лежит на нижнем электроде в вакуумной камере. Сверху подаётся газ (CF₄, CHF₃, Cl₂, SF₆ или их смеси). Радиочастотный генератор (13.56 МГц) ионизирует газ, создавая плазму. Ионы ускоряются электрическим полем и бомбардируют пластину.

Механизм двойной: химический (фтор реагирует с кремнием: Si + 4F → SiF₄↑) и физический (ионы выбивают атомы). Баланс между химией и физикой определяет профиль травления. Больше физики — вертикальнее стенки, но ниже селективность (травится и маска). Больше химии — выше селективность, но хуже анизотропия.

ICP: мощность без повреждений

ICP (Inductively Coupled Plasma, индуктивно-связанная плазма) — продвинутый метод с раздельным управлением плотностью плазмы и энергией ионов. Катушка индуктивности создаёт плотную плазму (10¹¹-10¹² ионов/см³), а отдельный РЧ-генератор на нижнем электроде управляет энергией бомбардировки.

Преимущество ICP: высокая скорость травления (до 10 мкм/мин для Si) при низкой энергии ионов — меньше повреждений поверхности. Это критично для транзисторов, где ионная бомбардировка создаёт дефекты в кристаллической решётке кремния, ухудшая электрические характеристики.

Газы: фтор для кремния, хлор для металлов

CF₄ и SF₆ — для травления кремния и его соединений. Фтор образует летучий SiF₄ (температура кипения -86°C), который легко откачивается вакуумом. CHF₃ — для травления SiO₂ с высокой селективностью к кремнию (полимерная плёнка защищает Si). Cl₂ и BCl₃ — для травления алюминия (AlCl₃↑) и вольфрама. O₂ — для снятия фоторезиста (ashing, озоление).

Селективность — ключевой параметр: отношение скорости травления целевого материала к скорости травления маски. Для SiO₂/Si селективность CHF₃-плазмы достигает 40:1 — оксид травится в 40 раз быстрее, чем кремний под ним.