🧪 Modül 2 · Kimya ve Malzeme Bilimi · Bölüm 2.6 · 13 dk okuma

Plazma Etching — ICP-RIE

İyon ve radikalin dansı ile nanometreyi oymak.

Önkoşul

Bu bölümde öğreneceklerin

  • Kuru etch'in (plazma) yaş etch'e göre neden anizotropik olduğunu açıkla
  • RIE ve ICP-RIE arasındaki farkı, çift-RF kontrolünün avantajını göster
  • Anizotropi, seçicilik ve etch hızı terimlerini tanımla ve hesapla
  • SIDRA memristör yığını (HfO₂/NbOx/TiN) için uygun kimyayı seç
  • Bosch prosesi (SF₆/C₄F₈) adımlarını ve kullanım alanını anlat

Açılış: Deseni Oymak

Fotolitografi (Bölüm 2.5) rezist üzerinde bir harita bıraktı: açılan pencereler altta kalan malzemeyi gösteriyor. Sıradaki soru: bu pencerelerden aşağı nasıl iniyoruz?

Cevap: plazma etching. Gaz moleküllerini iyonlaştırır, iyonlaştırılmış bulutu wafer’e yönlendirirsin. İyonlar ve reaktif radikaller birlikte çalışır — biri kimyasal olarak yer-atomlarını söker, diğeri fiziksel olarak onları fırlatır. Sonuç: nanometre hassasiyetinde, dik kenarlı oyuklar.

SIDRA çipinde kritik adımlar:

  • SiO₂ siperleri (shallow trench isolation): CF₄/CHF₃ kimyası.
  • HfO₂ memristör katmanı: BCl₃/Cl₂ kimyası.
  • TiN elektrotlar: Cl₂/Ar kimyası.
  • Bakır iç bağlantılar: plazma yok — Cu etch edilmez, CMP ile planarize edilir (Bölüm 2.7).

Bu bölüm iyonun, radikalin ve polimerin nasıl aynı anda doğru dans ettiğini anlatır.

Sezgi: Kimyasal + Fiziksel = Anizotropik

İki saf yaklaşım var, ikisi de yetersiz:

YaklaşımMekanizmaAnizotropiSIDRA uygun mu?
Yaş etch (HF, KOH)Sadece kimyasalİzotropik (küresel oyuk)❌ nanometre kenar olmaz
Fiziksel sputter (Ar⁺)Sadece fizikselAnizotropik ama yavaş, rezisti mahveder❌ seçicilik yok
RIE/ICPİkisi birdenAnizotropik + seçici✅

Fikir: plazmada elektronlar sıcak (~3 eV), iyonlar soğuk (~0.1 eV) ama “sheath” elektrik alanıyla dikey olarak hızlandırılır (100-500 V). İyonlar yukarıdan aşağı çarpar → sadece yatay yüzeyler aşınır. Yan duvarlar ikinci kimyasal pasivasyon katmanı ile korunur.

Kimya radikal üretir (F*, Cl* — yüksüz, reaktif). Radikal yan duvara da yapışır ama ion bombardımansız kimyasal reaksiyon yavaş → yan duvar ayakta kalır. Dikey hız = kimyasal + fiziksel; yatay hız ≈ sadece kimyasal.

Sonuç: 90° sidewall, 10:1 aspect ratio bile mümkün.

Formalizm: RIE, ICP, Anizotropi, Seçicilik

L1 · Başlangıç

Plazma nedir? Elektrik alanın (13.56 MHz RF) düşük basınçta (1-50 mTorr) gazı iyonlaştırdığı “dördüncü madde hali”. İçinde üç tür var:

  • Elektronlar: hızlı (~3 eV), yeni iyon yapar.
  • İyonlar: ağır (Ar⁺, SF₅⁺, …), sheath alanıyla wafer’e 100-500 V ile çarpar.
  • Radikaller: nötr ama kimyasal reaktif (F*, Cl*). Atomu koparır.

İki temel reaktör:

  • RIE (Reactive Ion Etching): tek-RF. Plazma yoğunluğu ve iyon enerjisi bağlı — biri artarsa öteki de artar.
  • ICP-RIE (Inductively Coupled): çift-RF. Üst RF bobini plazma yoğunluğu üretir; alt RF (bias) iyon enerjisini ayrı ayarlar.

SIDRA’da ICP-RIE kullanılır; hassas kontrol için.

L2 · Tam

Üç anahtar terim:

  1. Etch hızı (R): nm/dk. Kimyasal fluks + iyon fluks’ına bağlı.
R=Rchem+Rphys⋅Y(Eion)R = R_{chem} + R_{phys} \cdot Y(E_{ion})

Burada YY sputter yield (Bölüm 2.4’teki formül).

  1. Seçicilik (S): hedef malzemenin etch hızı / maske veya alt-katmanın etch hızı.
S=Rhedef/RmaskeS = R_{hedef} / R_{maske}

SIDRA HfO₂/TiN için S > 10 hedeflenir (rezist 100 nm’yi aşmaz).

  1. Anizotropi (A): dikey hız / yatay hız.
A=1−RyatayRdikeyA = 1 - \frac{R_{yatay}}{R_{dikey}}

A=1A = 1 mükemmel dik; A=0A = 0 yaş-etch benzeri izotropik.

SIDRA ICP-RIE tipik parametreleri (HfO₂ kesim):

  • Kimya: BCl₃/Cl₂/Ar = 20/10/5 sccm
  • Basınç: 5 mTorr
  • ICP güç: 500 W (plazma yoğunluğu ~10¹¹ cm⁻³)
  • Bias güç: 50 W → iyon enerjisi ~150 V
  • Etch hızı: 5 nm/dk
  • Seçicilik HfO₂/SiO₂: ~15

Sheath voltajı (L2 için sezgi):

Vsheath≈Te2ln⁡(Mi2πme)≈3-5⋅TeV_{sheath} \approx \frac{T_e}{2} \ln\left(\frac{M_i}{2\pi m_e}\right) \approx 3\text{-}5 \cdot T_e

Te≈3T_e \approx 3 eV → Vsheath≈10-15V_{sheath} \approx 10\text{-}15 V. Bias eklenince iyonlar 100-500 V alır.

L3 · Derin

Bosch prosesi (Si derin etch):

Adım 1: SF₆ plazması — F* radikalleri Si’yu aşındırır.

Si+4 F∗→SiF4↑\mathrm{Si} + 4\,\mathrm{F}^\ast \rightarrow \mathrm{SiF}_4 \uparrow

Adım 2: C₄F₈ plazması — yan duvarlara fluorokarbon polimer (Teflon benzeri) kaplar.

Adım 3: tekrar SF₆ — iyon bombardımanı tabandaki polimeri kırar, yan duvar korunur.

Döngü: ~3-10 saniye. 10-30 µm derin, 10:1 aspect ratio. MEMS, TSV (through-silicon via) için.

ALE (Atomic Layer Etch): ALD’nin aynası.

  • Adım 1: Cl₂ adsorpsiyonu → Si yüzeyinde SiCl_x monolayer.
  • Adım 2: Ar⁺ iyon darbesi (düşük enerji, < 50 V) → sadece bir katman koparılır.
  • Döngü başına 0.3-1 Å. Çok yavaş ama atomik kontrol. GAA fin şekillendirme.

Seçicilik mühendisliği (fluorokarbon kimyası):

  • C₄F₈, CHF₃ yan duvara polimer bırakır; Si’den çok SiO₂’de daha kararlı.
  • SiO₂/Si seçicilik: 20-40.
  • HfO₂/SiO₂: BCl₃ bazlı kimya ile 10-15 (Cl-metal bağı güçlü).

Kriyojenik etch (-100°C): Si wafer sıvı N₂ ile soğutulur. SF₆/O₂ plazması → yan duvarda SiO_xF_y pasivasyon kendiliğinden. Bosch’a göre daha pürüzsüz, tek-adım. ASML/Oxford sistemleri.

Mikroloading etkisi: açık alan %10 ise aşınma normal; %90 ise radikal tüketilir → yavaşlar. SIDRA design rule’da “dummy fill” ile bu bastırılır.

Deney: Zihinsel Simülasyon — Bias Açıp Kapa

Bir ICP-RIE’de iki düğme var: ICP gücü (plazma yoğunluğu), bias güç (iyon enerjisi). Düşünce deneyi:

  1. ICP 500 W + Bias 0 W: yüksek radikal yoğunluğu, iyon enerjisi düşük. Kimyasal etch baskın → izotropik. Yan duvarlar yuvarlaklaşır. Yaş-etch’e yaklaşır.

  2. ICP 500 W + Bias 100 W: iyonlar ~250 V ile çarpar. Dikey hız ↑, yatay aynı → anizotropi artar. Dik sidewall.

  3. ICP 0 W + Bias 100 W: plazma zayıf (kapasitif mod). Seçicilik düşer, iyon bombardımanı maskeyi de aşındırır. Kötü.

  4. ICP 1000 W + Bias 300 W: çok agresif. Hızlı ama maske hayatta kalmaz. Overkill.

SIDRA memristör için sweet spot: ICP 500 W + Bias 30-80 W. Düşük bias = memristör katmanına az iyon hasarı (oksijen vakansı dengesi bozulmasın).

Kısa Sınav

1/5Plazma etching'in yaş etch'e göre temel avantajı nedir?

Laboratuvar Görevi

SIDRA memristör yığınını oy: üstten alta 50 nm TiN + 5 nm HfO₂ + 10 nm TaN.

Kimya: BCl₃/Cl₂, ICP 500 W, Bias 60 W.

Etch hızları (nm/dk): TiN = 25, HfO₂ = 5, TaN = 20. Rezist (80 nm): 10 nm/dk.

(a) Her katman için etch süresi nedir? (b) Toplam etch süresi? (c) Süre sonunda rezistten ne kadar kalır? (Over-etch %20 hesap edin.) (d) Seçicilik TiN/HfO₂ ve HfO₂/TaN? (e) HfO₂ etching’inde bias 60 W’tan 150 W’a çıksa ne olur?

Cevaplar

(a) TiN: 50/25 = 2.0 dk. HfO₂: 5/5 = 1.0 dk. TaN: 10/20 = 0.5 dk.

(b) Toplam nominal: 3.5 dk. %20 over-etch → 4.2 dk.

(c) Rezist tüketimi = 4.2 × 10 = 42 nm. Başlangıç 80 nm → kalan 38 nm. Güvenli (rezist erken bitmez).

(d) TiN/HfO₂ = 25/5 = 5. HfO₂/TaN = 5/20 = 0.25 → TaN HfO₂’den hızlı etch. Bu, HfO₂’de durdurma sinyali: TaN’e geldiğinde hız düşer veya son nokta tespit (OES — optik emisyon spektroskopisi) ile kesilir.

(e) Bias ↑ → iyon enerjisi ↑ → dikey hız ↑ ama seçicilik ↓ (rezist de hızlanır) ve memristör hasarı ↑ (iyon alt-yüzeye nüfuz eder, oksijen vakansı rejimini bozar). Memristör yüksek direnç durumu (HRS) kayıp edilebilir. Düşük bias tercih sebebi budur.

Özet Kart

  • Plazma etching: kimyasal (radikal) + fiziksel (iyon) = anizotropik, seçici.
  • ICP-RIE: üst RF plazma yoğunluğu, alt RF bias iyon enerjisi (ayrı kontrol).
  • Anahtar parametreler: etch hızı, anizotropi AA, seçicilik SS.
  • SIDRA kimyaları: SiO₂ → CF₄/CHF₃, HfO₂ → BCl₃/Cl₂, TiN → Cl₂/Ar, Si → SF₆/C₄F₈ (Bosch).
  • Cu için plazma yok — CMP ile planarize.
  • Memristör için düşük bias (50-80 W) — iyon hasarı = oksijen vakansı bozulması.

Vizyon: Etch'in Geleceği

  • ALE (Atomic Layer Etch): ALD’nin aynası, her döngü bir monolayer. GAA fin, 3D NAND, 2 nm altı özellik için kritik.
  • Kriyojenik etch (-100°C): Si wafer sıvı N₂ ile soğutulur; yan duvar pasivasyonu kendiliğinden. Bosch’a göre pürüzsüz, tek-adım.
  • Pulse plasma: RF on/off döngüsü → daha az yüklü yüzey hasarı, better selectivity. 28 nm altı rutin.
  • Neutral beam etch: iyonu nötrleştir, sadece kinetik enerji kalır. Yüzey hasarsız → 2D malzeme etching için.
  • Plazmasız etch (HF vapor, XeF₂): oksit ve silikon için — ısıl veya spontan reaksiyon. Kritik soft masklar için.
  • Ultra-HAR etch: 50:1 aspect ratio, 3D NAND 200+ katman için Lam Research / TEL gelişiyor.
  • Self-limiting etch: reaktan tükendiğinde durur — ekstrem uniformluk, EUV LER recovery.
  • In-situ metrology: OES + reflektometri gerçek zamanlı etch derinliği; 1 nm altı hassasiyet.

Post-Y10 SIDRA için en büyük lever: Memristör yığınında ALE — iyon enerjisi < 50 V, her döngü bir monolayer kaldırır. HfO₂ oksijen vakansı dengesi bozulmadan etch edilebilir → memristör varyansı %5’ten %2’ye düşer. 2027-2029 ufku.

Daha İleri

  • Bir sonraki bölüm: 2.7 — CMP ve SOG Alternatifi
  • Önceki: 2.5 — Litografi Kimyası
  • Klasik: Lieberman & Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, Wiley 2005.
  • Uygulama odaklı: Flamm & Donnelly, Plasma Etching: An Introduction, Academic Press.
  • ALE araştırma: Kanarik et al., Atomic layer etching: mechanism and status, JVST 2015.
  • Bosch patenti: Laermer & Schilp, DE 4241045, Robert Bosch GmbH, 1992.