новая папка 1 / 323718

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Часть 2 Особенности радикального травления

полупроводниковых материалов в галогенсодержащей плазме

Учебно-методическое пособие для вузов

Воронеж Издательский дом ВГУ

2014

1

Утверждено научно-методическим советом физического факультета 24 апреля 2014 г., протокол № 4

Составители: Л.Н. Владимирова, Ю.И. Дикарев, В.М. Рубинштейн, В.И. Петраков

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Терехов

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники физического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов 3-го курса дневного отделения физического факультета, обучающихся по программе подготовки бакалавров.

Для направлений: 210100 – Электроника и микроэлектроника, 011800 – Радиофизика (профиль подготовки – Микроэлектроника и полупроводниковые приборы)

2

ВВЕДЕНИЕ

Плазмохимическое травление (ПХТ) является одним из важнейших технологических процессов, применяемых в производстве ИМС. Наиболее перспективной разновидностью ПХТ является травление химически активными частицами (ХАЧ) – свободными атомами и радикалами. Оно называется радикальным травлением (РТ). При РТ ХАЧ образуются в плазменном разряде и при помощи диффузии, газового потока и конвекции транспортируются в реакционную зону, экранированную от воздействия заряженных частиц, а иногда и УФ-излучения при помощи перфорированных металлических экранов, магнитных полей и других способов разделения реакционной и разрядной зон.

По сравнению с другими, более жесткими разновидностями плазменного травления, РТ обладает такими преимуществами, как более низкая температура обрабатываемых подложек, возможность достижения более высоких параметров селективности травления различных материалов, широкое использование фоторезистов, отсутствие ионной бомбардировки и т.д.

Следует учитывать, что РТ обеспечивается только химической реакцией между активными частицами и атомами обрабатываемого материала, поэтому его основным недостатком является изотропность, т.е. равенство скорости травления по нормали к поверхности и скорости бокового подтравливания.

Для разработки технологических процессов и оборудования для РТ необходимо учитывать такой важный кинетический параметр радикального травления, как время жизни ХАЧ (τхач).

Целью данной работы является изучение особенностей радикального травления и измерение времени жизни ХАЧ, участвующих в таком процессе.

4

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1.Элементарные процессы и реакции в плазме под действием электронного удара

1.1.1.Механизмы генерации химически активных частиц

Плазма пониженного давления является интересным объектом, изучаемым физикой газового разряда. К плазме можно отнести ионизированный газ, в котором отсутствует сколь-нибудь заметное разделение разноименных зарядов, т.е. плазма электронейтральна в каждом своем малом объеме. Для плазменной среды характерен столкновительный характер взаимодействия частиц друг с другом, в результате чего реализуются такие элементарные акты взаимодействия, как возбуждение, ионизация, диссоциация и др.

В газоразрядной плазме низкого давления ХАЧ образуются в результате процессов, которые условно можно разделить на четыре группы: реакции под действием электронного удара; реакции при неупругих столкновениях между тяжелыми частицами; гетерогенные реакции; реакции под действием излучения плазмы (табл. 1).

Основным механизмом образования ХАЧ в низкотемпературной плазме является диссоциация молекул рабочего газа под действием электронного удара. В результате диссоциации образуются валентно ненасыщенные частицы – свободные радикалы. Эти частицы характеризуются наличием неспаренных электронов и обладают чрезвычайно высокой химической активностью. Для обозначения радикалов используют точку, означающую неспаренный электрон (Сl*, Вr*, F*, Н*, Na* и др.).

Механизмом, наиболее часто приводящим к образованию радикалов, является отщепление атомов водорода, галогенов, серы и кислорода из соединений. Отщеплен может быть более чем один атом,

или может быть разорван скелет молекулы с образованием сложных радикалов

Диссоциация возможна как через электронные состояния, лежащие выше предела диссоциации, с распадом на нейтральные фрагменты, так и с образованием положительных или отрицательных ионов в результате диссоциативной ионизации или диссоциативного прилипания электрона к молекуле. Рассмотрим реакции диссоциации на примере молекулы CF4:

5

риментальные данные показывают, что более 75 % диссоциирующих молекул распадаются на радикалы CF3• и F• по схеме (1.3).

В газоразрядной плазме сильно электроотрицательных газов (SF6, ССl4 и др.) диссоциативное прилипание может стать основным каналом образования ХАЧ:

Диссоциативным прилипанием электрона к молекуле CF4 в плазме, которая обычно используется для РТ, можно пренебречь. Этот механизм вносит заметный вклад в диссоциацию молекулы CF4 лишь при очень малой мощности разрядов.

Малый вклад диссоциативной ионизации, приводящей к образованию положительных ионов и радикалов по схеме (1.4), связан с тем, что средняя энергия электронов в разряде Еэ (3–6 эВ) значительно ниже пороговой энер-

гии ионизации () молекул рабочего газа. Для молекул CF4 = 16 эВ, а максимум сечения процесса σmax(Еэ) наблюдается при значениях Еэ.max = = 70 эВ. Поэтому можно считать, что в ВЧ-разрядах CF4 основным каналом генерации радикалов F* является диссоциация молекул по схеме (1.3) и, следовательно,

Где GF • , GCF3• – скорости генерации радикалов F* и CF3* в зоне разряда; nэ, nCF4 – концентрации электронов и молекул CF4 в плазменной зоне реактора; k1– константа скорости реакции (1.3), определяемая выражением

(1.9)

Здесь тэ – масса электрона; Eдиспор – пороговая энергия диссоциации;

σдис(Еэ) – сечение диссоциации; fэ(Eэ) – функция распределения электронов по энергиям.

1.1.2.Рекомбинация химически активных частиц

Врезультате столкновений радикалов с различными частицами плазмы происходит их дезактивация в процессах рекомбинации. Причем для

7

простейших радикалов эффективность рекомбинации близка к единице, т.е. почти каждое столкновение приводит к дезактивации. Для сложных радикалов эффективность рекомбинации падает из-за возможности перераспределения внутренней энергии по связям.

Рекомбинация радикалов осуществляется как в гетерогенных процессах

так и в гомогенных

где M – третья частица, роль которой обычно играет молекула плазмообразующего газа, в данном случае CF4; Rn – поверхность твердого тела (стенки реактора, электроды и т.п.).

В плазме CF4 без добавок О2 количество образующегося C2F6 очень мало, поэтому реакциями (1.12) и (1.15) можно пренебречь.

Скорость гибели ХАЧ в единице объема реактора за счет процессов гомогенной рекомбинации (Rгом) можно записать в виде

чем по механизму (1.11) и (1.14). Вероятность реакции (1.10) возрастает с понижением давления, а реакции (1.13) – с повышением.

8

Реакция (1.13) протекает в две стадии. На первой стадии из-за перераспределения энергии взаимодействия по связям образуется короткоживущая возбужденная частица CF4* по схеме

на второй стадии избыточное количество энергии передается третьей частице М с образованием стабильной молекулы CF4:

Если CF4* не сталкивается с третьей частицей М, то происходит ее распад:

Скорость рекомбинации атомов фтора и радикалов CF3• по механизму (1.13) можно выразить следующим образом:

молекулярные (атомные) массы и стационарные концентрации радикалов CF3• и атомов F•; ТХАЧ – температура атомов фтора и радикалов CF3•, которая в первом приближении равна температуре молекул CF4; R0 – газовая постоянная.

Так как , то в выражении (1.22) независимыми остаются только концентрации nF• и nCF3•.

Если начальная концентрация молекул CF4 в плазмохимическом реакторе равна nмн, а концентрация молекул CF4 в плазме разряда –nмн, то

где nХАЧ – концентрация ХАЧ в плазме.

Подставив (1.23) в (1.22) и проведя вычисления, получим

. (1.24)

Процессы диссоциации молекул CF4 и рекомбинации атомов F• с радикалами CF3• в плазме разряда со временем приходят в равновесие, по-

9

этому, приравняв выражение для скорости генерации и рекомбинации для CF3• и F•, получим

где В = (ne / TХАЧ1 / 2)(220Te1 / 2 + 3,05 · 10–3Te3 / 2)exp(–1,45 · 10–5 / Te).

Определив температуру и концентрацию электронов а плазме, а также температуру газа в реакторе, можно по формуле (1.25) вычислить стационарные концентрации молекул CF4, атомов F• и радикалов CF3• в плазме разряда.

Приведенная методика расчета стационарной концентрации ХАЧ в плазменной зоне реактора проведена для случая, когда скорость гибели ХАЧ определяется процессом гомогенной рекомбинации.

Однако основным каналом гибели ХАЧ может быть и гетерогенная рекомбинация на стенках и поверхностях реактора. Этот процесс состоит из двух стадий: диффузии ХАЧ к стенкам реактора и захвата ХАЧ стенками. Наиболее медленная из этих стадий определяет скорость гетерогенной рекомбинации. Если лимитирующей стадией является диффузия, то гетерогенная рекомбинация называется диффузионной и ее скорость характеризуется скоростью диффузии ХАЧ к стенкам реактора, а если лимитирует процесс реакция взаимодействия с поверхностью, то такая стадия называется кинетической.

При кинетической гетерогенной рекомбинации вероятность взаимодействия ХАЧ с поверхностью α < 10–3, поэтому пХАЧ в плазменной зоне стационарна и не зависит от времени.

Скорость гетерогенной рекомбинации ХАЧ равна произведению числа ХАЧ, ударяющихся о поверхность, на вероятность их взаимодействия с

Подставляя в (1.27) GXAЧ из (1.8), можно определить стационарную концентрацию ХАЧ.

10