Panduan Teknologi Etsa Semikonduktor dan Cacat Umum

I. Pengantar Proses Pembuatan Sirkuit Terpadu

Proses pembuatan sirkuit terpadu melibatkan banyak langkah teknologi, dan pengetsaan adalah salah satu langkahnya. Ini adalah teknologi inti di bidang mikroelektronika, yang melibatkan penghilangan film tipis secara selektif pada atau pada substrat semikonduktor menurut pola atau desain topeng yang telah ditentukan sebelumnya.

Etsa biasanya digunakan untuk mengetsa dan menghilangkan film tipis secara selektif dari substrat semikonduktor atau pelapis permukaan, dan sering dikombinasikan dengan proses fotolitografi dan deposisi untuk mencapai transfer pola.

Teknologi etsa dan deposisi plasma telah menjadi metode etsa utama karena presisi prosesnya yang terus ditingkatkan. Dalam pembuatan chip, proses fotolitografi dan etsa/deposisi beroperasi dalam satu putaran sederhana, yang diulangi hingga struktur yang diinginkan dan persyaratan presisi ideal tercapai.

Penjelasan sederhana mengenai proses etsa adalah sebagai berikut: Pertama, lapisan tipis berpola diendapkan pada struktur substrat. Film yang diendapkan ini umumnya disebut topeng. Kemudian ditutup dengan bahan fotosensitif yang disebut photoresist dan disinari cahaya dengan photomask bermotif. Langkah ini disebut eksposur.

Fotoresist secara garis besar dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis: fotoresist positif dan fotoresist negatif. Fotoresis positif menawarkan keuntungan seperti pengenalan pola yang tinggi dan fleksibilitas pemrosesan, memungkinkan transfer pola dengan ukuran fitur yang lebih kecil pada node teknologi canggih. Namun, ketahanan terhadap korosinya relatif buruk, dan kemampuannya untuk melindungi material di bawahnya selama proses selanjutnya seperti etsa tidak sebaik photoresist negatif.

Sebaliknya, photoresist negatif menawarkan ketahanan korosi yang lebih baik dan cocok untuk aplikasi yang memerlukan lapisan photoresist yang lebih tebal untuk melindungi material di bawahnya. Dalam sebagian besar proses etsa praktis, photoresist negatif dipilih sebagai bahan untuk masker pelindung.

[Gambar] Selanjutnya, wafer direndam dalam larutan pengembangan untuk menghilangkan bagian fotoresist yang terbuka. Kemudian, bagian photoresist yang tidak terpapar dipindahkan ke masker, sehingga membentuk pola yang diinginkan. Proses ini disebut pengembangan.

Bagian photoresist yang tidak terpapar tergores melalui reaksi kimia, pemboman fisik, atau kombinasi keduanya. Setelah etsa, photoresist dihilangkan, meninggalkan film tipis dengan pola unggulan. Proses di atas secara kasar menggambarkan proses transfer fitur. Langkah-langkah ini diulangi beberapa kali selama fabrikasi perangkat untuk membentuk struktur perangkat yang memenuhi persyaratan tertentu. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa kecanggihan proses etsa sampai batas tertentu menentukan kinerja perangkat. Dibandingkan dengan metode etsa tradisional, etsa plasma menawarkan anisotropi yang lebih baik, kerusakan energi yang lebih rendah, fleksibilitas yang lebih besar, kemampuan pengulangan, laju etsa yang lebih tinggi, dan kemampuan kontrol yang lebih besar.

II. Etsa Basah

Etsa basah banyak digunakan di bidang sirkuit terpadu. Pada dasarnya, ini adalah proses reaksi kimia murni. Ini menggunakan reagen kimia cair (atau etsa) untuk bereaksi dengan bahan yang akan digores, membentuk produk sampingan reaksi yang larut dalam air-yang menghilangkan bahan yang tidak diinginkan.

Reaksi kimia ini biasanya didasarkan pada reaksi redoks, reaksi netralisasi asam{0}}basa, dll.

Misalnya, pada etsa basah silikon, etsa yang umum digunakan adalah campuran asam fluorida (HF) dan asam nitrat (HNO₃). Asam nitrat bertindak sebagai oksidan, mengoksidasi silikon menjadi silikon dioksida, sedangkan asam fluorida bereaksi dengan silikon dioksida membentuk-asam heksafluorosilikat (H₂SiF₆) yang larut dalam air, sehingga menghasilkan efek etsa.

[Gambar] Melihat sejarah proses etsa, teknik paling awal yang digunakan adalah etsa basah, awalnya terutama untuk pembersihan dan etsa sederhana pada permukaan wafer silikon. Pada tahun 1960an, pengolahan kimia wafer silikon menunjukkan ketergantungan orientasi dan konsentrasi. Pada tahap ini, etsa basah terutama didasarkan pada larutan asam-basa sederhana; misalnya, ketika menggunakan larutan KOH sebagai etsa, orientasi kristal yang berbeda menghasilkan laju etsa yang berbeda.

Dengan pesatnya perkembangan teknologi sirkuit terpadu, proses etsa basah semakin dioptimalkan. Para peneliti mulai mempelajari secara sistematis laju etsa dan selektivitas etsa yang berbeda pada bahan yang berbeda, seperti silikon, silikon dioksida (SiO₂), dan silikon nitrida (Si₃N₄). Karena ukuran perangkat mikroelektronik terus menyusut, proses etsa basah memerlukan presisi dan selektivitas yang lebih tinggi. Para peneliti telah mengembangkan berbagai bahan etsa dan aditif baru untuk mencapai kontrol yang tepat terhadap laju etsa dan profil pasca{3}}etsa.

Pengetsaan basah tetap menjadi proses penting dalam manufaktur semikonduktor modern, khususnya dalam produksi sistem mikro-elektro-mekanis (MEMS) dan perangkat skala nano.

Dalam proses etsa praktis, tantangan utamanya terletak pada menjaga ketepatan transfer fitur. Oleh karena itu, proses etsa yang ideal bertujuan untuk menghasilkan kerusakan sampel yang minimal, laju etsa yang tinggi, selektivitas yang tinggi, morfologi profil fitur yang memuaskan, dan anisotropi yang baik.

Karena etsa basah terutama menggunakan reaksi kimia, maka hanya dapat mencapai etsa isotropik. Bahkan dengan selektivitas tinggi, efek kapiler yang disebabkan oleh larutan selama pengetsaan tetap menjadi masalah yang terus-menerus; masalah ini membuat adhesi lebih mungkin terjadi saat mengetsa struktur dengan rasio aspek tinggi. Saat ini, etsa basah menawarkan keuntungan seperti selektivitas tinggi, biaya rendah, dan kemampuan untuk mengetsa wafer dalam jumlah besar dalam satu operasi. Namun, etsa (larutan) sulit dipertahankan dalam jangka waktu lama, dan laju etsa sulit dipertahankan secara konsisten, sehingga berdampak signifikan terhadap keseragaman etsa. Oleh karena itu, etsa basah umumnya hanya digunakan untuk proses berdimensi non-kritis dan memiliki keterbatasan dalam mengetsa struktur dengan kepadatan-tinggi dan presisi{6}}tinggi.

AKU AKU AKU. Etsa Kering

Teknologi etsa kering memanfaatkan plasma untuk mencapai proses etsa. Begitu gas dimasukkan ke dalam rongga, mereka terionisasi dan diubah menjadi plasma.

Ikhtisar Plasma

Pada tahun 1920-an, Langmuir dan kolaboratornya pertama kali mengajukan konsep plasma. Ini terdiri dari elektron, ion bermuatan, dan partikel netral, menunjukkan karakteristik ionisasi tinggi dan netralitas listrik secara keseluruhan. Sebagai materi keempat, berbeda dari padat, cair, dan gas, plasma ada di setiap sudut alam semesta.

Komposisi partikel bermuatan uniknya memberikan plasma dua karakteristik penting: konduktivitas yang sangat baik dan penggabungan yang kuat dengan medan elektromagnetik. Karakteristiknya yang dapat dikontrol ini menjadikannya berperan tak tergantikan dalam bidang industri, khususnya dalam teknologi manufaktur semikonduktor.

[Gambar] Plasma yang dihasilkan oleh pelepasan frekuensi radio mencakup plasma berpasangan kapasitif dan plasma berpasangan induktif. Plasma yang digabungkan secara induktif (ICP) adalah keadaan plasma dengan kepadatan-energi-tinggi yang dihasilkan oleh mekanisme penggandengan induktif dari medan elektromagnetik-frekuensi tinggi.

Prinsip kerjanya dapat dibagi menjadi beberapa proses utama berikut: Pertama, gas proses yang diperlukan dimasukkan ke dalam ruang reaksi, dan sinyal frekuensi radio standar 13,56 MHz diterapkan ke koil induksi di luar ruangan. Menurut hukum induksi elektromagnetik Faraday, ketika fluks magnet yang melalui kumparan berubah seiring waktu, arus bolak-balik dihasilkan di dalam kumparan. Arus ini menghasilkan-medan magnet yang bervariasi terhadap waktu di dalam ruangan, yang selanjutnya menginduksi timbulnya medan listrik melingkar. Di bawah pengaruh medan listrik melingkar, elektron dipercepat. Ketika mereka mengumpulkan energi yang cukup, sistem memasuki mode elektromagnetik yang didominasi oleh kopling induktif (mode H).

Perlu dicatat bahwa ketika daya frekuensi radio diterapkan pada kumparan, penurunan tegangan ratusan hingga ribuan volt akan dihasilkan. Medan elektrostatis yang dihasilkan dapat menyebabkan kerusakan gas sehingga membentuk mode elektrostatis (mode E). Mode pengosongan sistem berkaitan erat dengan daya masukan: dalam kondisi daya rendah, mode E mendominasi dengan kepadatan plasma yang lebih rendah; dalam kondisi daya tinggi, mode H dominan.

Dalam keadaan plasma, ia menunjukkan dua karakteristik penting:

Pertama, gas-gas dalam plasma menunjukkan reaktivitas kimia yang lebih tinggi dibandingkan keadaan normal. Ini berarti bahwa kita dapat memilih gas etsa yang sesuai (yaitu reaktan) berdasarkan karakteristik material yang akan digores, sehingga mempercepat reaksi kimia dengan material dan mencapai tujuan etsa.

Kedua, plasma dapat dipandu dan dipercepat oleh medan listrik, membawa sejumlah energi tertentu. Ketika plasma-energi tinggi ini berdampak pada permukaan objek yang akan digores dengan percepatan, pengetsaan diselesaikan melalui mekanisme transfer energi fisik.

Oleh karena itu, etsa kering sebenarnya merupakan hasil proses fisik dan kimia.

Fitur unik dari teknologi etsa kering plasma adalah teknologi ini tidak hanya dapat melakukan etsa anisotropik namun juga mempertahankan transfer pola yang presisi sekaligus menjaga ukuran fitur penting tetap sangat kecil.

Etsa kering merupakan istilah umum untuk berbagai teknologi etsa kering yang dikembangkan secara bertahap sesuai kebutuhan pada saat itu.

Pengetsaan berkas ion adalah-alternatif generasi pertama terhadap pengetsaan basah. Ia menggunakan berkas ion berenergi tinggi-(100seV-1000seV) untuk membombardir material secara fisik, sehingga menghasilkan etsa yang sangat anisotropik.

Meskipun kebutuhan energi tinggi dan laju etsa yang cukup tinggi dapat dicapai secara industri, hal ini pasti akan merusak permukaan substrat, yang berpotensi mencapai kedalaman puluhan mikrometer.

Selain itu, implantasi pengotor selama pemboman partikel menciptakan cacat yang signifikan pada permukaan wafer dan menimbulkan tingkat kepadatan pengotor tertentu.

Pada tahun 1979, Coburn dan Winters menemukan efek sinergis ketika berkas ion argon dikombinasikan dengan fluks atom fluor yang dihasilkan oleh gas termal XeF2, sehingga meningkatkan laju etsa karena fluks gas campuran mempunyai urutan besarnya atau lebih besar daripada yang dihasilkan dengan menggunakan salah satu gas saja.

Selain itu, anisotropi selama etsa dipertahankan melalui efek aktivasi fluks ion; proses ini disebut etsa ion-yang ditingkatkan, atau etsa ion reaktif (RIE).

Kemudian, pada akhir tahun 1980-an, teknologi plasma berpasangan kapasitif (CCP) semakin matang dan banyak digunakan dalam etsa dielektrik (seperti SiO₂).

Pada tahun 1990-an, teknologi plasma berpasangan induktif (ICP) dan resonansi siklotron elektron (ECR) secara bertahap dikomersialkan. Kedua teknologi ini secara signifikan meningkatkan kepadatan plasma dan laju pengetsaan, dengan ICP menjadi plasma-kepadatan tinggi yang paling umum.

Dengan kemajuan lebih lanjut, pada awal abad ke-21, teknologi pengetsaan lapisan atom (ALE) diusulkan, yang memungkinkan pengetsaan skala-atom melalui langkah pasif dan pengetsaan siklik. Saat ukuran fitur memasuki node di bawah 3 nm, proses etsa memerlukan keseragaman sub-nanometer dan selektivitas tinggi, sehingga penelitian semakin fokus pada pengoptimalan parameter proses menggunakan pembelajaran mesin.

IV. Anomali Umum dalam Proses Etsa

Seiring dengan semakin canggihnya proses etsa, berbagai tantangan sering kali dihadapi selama proses etsa. Tantangan tersebut antara lain adalah fenomena berikut:

1. Efek Microtrenching

Dalam manufaktur mikroelektronika, ketika menggunakan reaktor etsa plasma berdensitas tinggi, peningkatan fluks ion secara signifikan dan pantulan spekular partikel berenergi tinggi pada dinding samping penutup dan parit menyebabkan fluks terfokus pada sudut parit, sehingga menyebabkan peningkatan laju pengetsaan lokal (misalnya, efek mikrotrenching). Secara umum, efek microtrenching terjadi karena ion-ion yang bertumbukan hampir tegak lurus terhadap permukaan wafer. Dalam beberapa kasus, hal ini dapat menyebabkan pantulan-spektral dekat dari dinding samping vertikal, meningkatkan fluks ion di dekat bagian bawah fitur dan kemudian membentuk parit mikro-efek yang tidak diinginkan.

2. Efek Membungkuk dari Dinding Samping Profil Etsa

Eksperimen-jangka panjang dilakukan pada profil etsa lubang kontak silikon dioksida dengan rasio aspek tinggi dalam plasma C4F6/CH2F2/O2/Ar. Ditemukan bahwa pembengkokan dinding samping disebabkan oleh necking akibat pengendapan kembali partikel yang tergagap pada kemiringan masker, sedangkan pembengkokan disebabkan oleh ion-ion yang dipantulkan pada kemiringan masker.

3. Meremehkan Efek Pengetsaan Profil di Bawah Topeng

Efek undercutting merupakan hasil dari etsa isotropik selama proses etsa. Etsa isotropik berarti laju etsa kira-kira sama ke segala arah. Pengetsaan isotropik ini menyebabkan pengetsaan berlebihan pada bagian bawah masker; oleh karena itu, efek undercutting juga disebut over-etching.

Ketika komponen isotropik kuat, misalnya, ketika menggunakan SF6 dengan kandungan F tinggi sebagai etsa, profil yang mirip dengan etsa basah akan diamati.

Hal ini disebabkan etsa yang disebabkan oleh radikal bebas netral yang mengalami reaksi kimia. Namun, undercutting secara relatif dapat dikurangi dengan meningkatkan komponen vertikal. Untuk menghindari undercutting total dalam kasus ini, perlindungan dinding samping diperlukan. Biasanya, penerapan tegangan bias mengarah pada pembentukan produk sampingan yang berkontribusi terhadap perlindungan dinding samping, seperti ketahanan terhadap erosi selama pengetsaan Al.

Efek undercutting di bawah topeng profil etsa ditunjukkan pada gambar di bawah.

4. Etsa Ketergantungan Rasio Aspek (ARDE)

Etsa Ketergantungan Rasio Aspek (ARDE), atau "histeresis RIE", mengacu pada fenomena dalam proses etsa kering plasma di mana laju etsa menurun secara signifikan seiring dengan meningkatnya rasio aspek (kedalaman terhadap lebar) struktur yang tergores.

Fenomena ini terutama terlihat pada struktur dengan rasio aspek tinggi (seperti lubang dalam dan parit sempit), sehingga menghasilkan hasil etsa yang tidak-seragam untuk fitur etsa dengan ukuran atau bentuk berbeda dalam kondisi proses yang sama. Saat pengetsaan berlangsung, kecepatan pengetsaan menurun seiring dengan peningkatan rasio aspek parit, atau dalam kasus ekstrem, pengetsaan berhenti.

Hal ini terjadi lebih cepat pada pola fitur yang lebih kecil, artinya pengetsaan pola fitur yang lebih kecil akan lebih lambat bila struktur dengan diameter berbeda digores pada wafer yang sama.

Secara umum, ada banyak faktor utama yang berkontribusi terhadap ARDE: hilangnya fluks ion di bagian bawah struktur tergores dan penipisan bahan netral aktif akibat naungan netral dan transpor Knudsen. Di satu sisi, aliran radikal bebas ke dalam parit yang lebih dalam adalah kunci kinetika etsa, sedangkan menipisnya kandungan fluor di dasar parit adalah akar penyebab ARDE. Di sisi lain, ARDE merupakan akibat dari fenomena transportasi. Semakin tinggi rasio aspeknya, semakin sulit bagi reaktan untuk mencapai dasar parit, dan semakin sulit bagi produk sampingan untuk keluar. Laju perpindahan massa ini bervariasi seiring dengan proses etsa, menyebabkan laju etsa menurun seiring dengan berlangsungnya etsa.

Efek pembebanan ditentukan oleh karakteristik sistem etsa dan umum terjadi pada semua etsa ion reaktif. Untuk mengurangi dampak efek ini pada hasil etsa, di satu sisi, diperlukan kepadatan yang lebih tinggi dan plasma yang terdistribusi lebih merata. Di sisi lain, gas tambahan dapat ditambahkan ke gas reaktif untuk mengencerkan dan menghomogenisasi plasma, kinerja sistem vakum dapat ditingkatkan untuk mempercepat pertukaran plasma dan penghilangan produk etsa, dan perhatian harus diberikan pada keseimbangan kepadatan pola saat merancang masker foto.