22.Методы повышения анизотропии плазмохимического травления. Бош-процесс. Плазмохимическое травление кремния, пленок Si3n4, SiO2. Плазмохимическое травление алюминия, удаление фоторезиста.

Анизотропия травления

Анизоторопия - разность скоростей травления в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Степень анизотропии: , где υ_L и υ_V – скорости травления в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно.

Полностью анизотропное Полностью изотропное

травление (A=1) травление (A=0)

Сравнительные характеристики методов сухого травления

Параметр процесса	ИТ	ИХТ	ПХТ
Скорость травления	низкая	средняя	высокая
Равномерность процесса	низкая	средняя	высокая
Селективность	низкая	средняя	высокая
Анизотропность	высокая	средняя	низкая

Пути повышения анизотропии ПХТ

Чистое ПХТ при отсутствии каких-либо кристал-лографических эффектов является изотропным.

Для получения анизотропии процесса травление стимулируют бомбардировкой положительными ионами. Известны два механизма стимуляции анизотропного травления ионной бомбардировкой:

1. Создание радиационных нарушений. 2. Формирование пассивирующего слоя на боковыхстенках.

Создание радиационных нарушений

Ионы, бомбардирующие кремний, создают радиационные нарушения в кристаллической решетке, простирающиеся в глубину на несколько монослоевот

поверхности. Радиационные повреждения катализируют процесс хемосорбции травителя.

Кроме того, химическая реакция с нарушенной областью кристалла протекает с повышенной скоростью, причем глубина и количество радиационных нарушений зависят от энергии ионов.

Формирование пассивирующего слоя на боковых стенках

Определенные газы (например, CHF₃, CClF₃) или смесигазов (CF₄-H₂) распадаются в плазме, образуя элементы с ненасыщенными связями и радикалы, способные к

полимеризации. Эти элементы, взаимодействуя с поверхностью, формируют адсорбированный слой, а внекоторых случаях - сплошную пленку. Адсорбированный слой замедляет травление, адсорбируя элементы травителя либо препятствуя доступу частиц травителя к подложке. Ионная бомбардировка поверхности удаляет покрытие из ингибиторов, что вызывает анизотропию травления

БОШ – процесс

Для глубокого анизотропного травления используют так называемый БОШ–процесс, который представляет собой чередование двух стадий:

- изоторопного ПХТ;

- осаждения полимера.

Достоинства:

- высокая скорость травления (до 20 мкм/мин); - возможность управления степенью анизотропии;

- высокаявоспроизводимость процесса.

Плазмохимическое травление кремния, пленок Si₃N₄, SiO₂.

Получение элементов с субмикронными размерами требует селективного удаления отдельных участков будущей микросхемы с помощью процесса травления. Широко используемое жидкостное химическое травление обладает высокой селективностью и скоростью, однако наличие подтравливания не позволяет получить требуемое разрешение. Для технологических процессов изготовления СБИС наиболее перспективными являются методы сухого травления, которые подразделяются на ионное травление (ИТ), плазмохимическое травление (11ХТ) и ионно-химическое травление (ИХТ). Классификация процессов ионно-плазменного травления.

При ИТ для удаления материала используется кинетическая энергия ионов инертных газов, т.е. процесс физического разбиения ИТ подразделяется на ионно-плазменное травление при котором образцы помещаются на отрицательный электрод разрядного устройства и подвергается бомбардировке ионами, вытягиваемые из плазмы, и ионно-лучевое травление в котором образцы мишенью, бомбардируемой ионами, вытягиваемыми из автономного ионного источника (АИИ).

В ИХТ используется как кинетическая энергия ионов химически активных газов так и энергия их химических реакций с атомами или м о л е к у; тми материала.

При ПХТ для удаления материала используется энергия химических реакций между ионами и радикалами активного газа и атомами (или молекулами) обрабатываемого вещества с образованием летучих стабильных соединений. В зависимости от среды, в которую помещаются образцы, ПХТ подразделяется на:

- плазменное травление: образцы помещаются в плазму химически активных газов;

- радикальное травление: образцы помещаются в вакуумную камеру, отделенную от химически активной плазмы перфорированными металлическими экранами или электрическими или магнитными нолями, а травление осуществляется незаряженными химически активными частицами (свободными атомами и радикалами), поступившими из плазмы.

Наибольший интерес представляет плазмохимическое травление, т.к. оно обладает селективностью, равномерностью, и скоростью, сравнимыми с жидкостным химическим травлением, но оно не требует очистки поверхностей после обработки, позволяет одновременно травить подложки и удалять фоторезистивные маски, а также может использоваться для любых материалов.

При физическом распылении скорость травления невысока (0,1 — 1 нм/с) и зависит от массы ионов инертного газа, энергии ионов и рода распыляемого материала, а также плотно­сти разрядного тока и способа возбуждения разряда. Увеличение скорости травления за счет повышения мощности разряда обычно нецелесообразно из-за снижения стойкости фотомаски и значитель­ного нагрева пластины. Высокая анизотропия (до 100) делает этот процесс эффективным (даже при малых скоростях травления) в производстве рабочих фотошаблонов при избирательном травле­нии покрытий из хрома, окиси железа и т. п. Малая селективность (2—5) требует повышенной толщины фотомасок.

Для основного производства более прогрессивным является плазмохимическое травление. При плазмохимическом травлении разряд возбуждается в химически активных газах или парах, ионы и радикалы которых, взаимодействуя с поверхностным слоем плас­тины, способны образовывать летучие соединения, удаляемые через откачную систему. Плазмохимическое травление имеет высокую се­лективность (до 50) его можно применять для фотомасок толщи­ной 0,1-0,3 мкм, так как эффект физического распыления практи­чески отсутствует (энергия ионов не превышает 100 эВ). Однако анизотропия травления составляет лишь 2—5, хотя это и существенно больше, чем при травлении в водных растворах Скорость травления лежит в пределах 2—10 нм/с.

Для травления кремния и его соединений (SiO₂.Si₃N₄) в ка­честве плазмообразующего реагента используют четырехфтористый углерод CF4 или дифтордихлорметанCF₂Cl₂ (фреон-12), способные при ионизации образовывать летучие фториды и хлориды кремния. При давлении ~600 На и мощности ВЧ-разряда не более 300 Вт скорость травления достигает 400 нм/мин (что на порядок выше, чем при физическом распылении).

Сопровождающий плазмохимическое травление процесс бом­бардировки поверхности пластины ионами и электронами разряда может привести не только к преждевременному разрушению фото-маски, но и к деградации структур на пластине (повышение плот­ности поверхностных состояний, снижение пробивного напряжения и увеличение токов утечки переходов и т. п.). Наилучшие резуль­таты достигаются при использовании безэлектродного разряда, возбуждаемого ВЧ-индуктором.

Схема реактора установки плазмохимического травления. Реактор представляет собой кварцевую трубу 1, внутри которой расположен алюминиевый перфорированный ци­линдр 3, охватывающий держатель 4 с пластинами. Разряд, воз­буждаемый ВЧ-генератором и индуктором 2, горит вне цилиндра. Цилиндр защищает пластины от непосредственной бомбардировки электронами и ионами, тогда как активные ионы и радикалы, имею­щие относительно большое время жизни, проникают к пластинам через перфорированные стенки цилиндра.

Установки для ПХТ можно разделить на два класса: по тину возбуждаемого в реакционной камере разряда (емкостной или индукционный) и но способу расположения в них подложек (поверхностное или объемное). Ко второму относится установка "Плазма—600", которая характеризуется безэлектродным способом создания плазмы с помощью индуктора, расположенного вокруг реактора. Подложки располагают виде пакета с равномерным шагом вдоль оси реактора. Данная установка предназначена для удаления фоторезиста в плазме кислорода. Химически активными при этом являются возбужденные молекулы кислорода, атомарный кислород и озон. Под воздействием этих частиц происходит разложение фоторезиста на двуокись углерода и пары воды, которые удаляются из реактора вакуумным насосом. Производительность установки составляет 200-400 подложек в час.

Оборудование, выпускаемое за рубежом, предназначено для работы как в индукционном так и емкостном режиме создания разряда. Следует отметить, что КПД при индукционном режиме выше, чем при емкостном, и достигает 95%.

Плазмохимическое травление алюминия, удаление фоторезиста.

Плазмохимическое травление основано на разрушении обрабатываемого материала ионами активных газов, образующимися в плазме газового разряда и вступающими в химическую реакцию с атомами материала при бомбардировке поверхности пластин или подложек. При этом молекулы газа в разряде распадаются на реакционно-способные частицы - электроны, ионы и свободные радикалы, химически взаимодействующие с травящейся поверхностью.В результате химических реакций образуются летучие соединения.

ПХТ подразделяют на плазменное и радикальное травление.

При плазменном травлении подложки поменяют в плазму химически активных газов, и травление осуществляется ионами низкой энергии (1-2 Эв.).

При радикальном – подложки помещаются в камере, отделенной от газоразрядного промежутка металлическими экранами либо электромагнитными полями. Травление осуществляется нейтральными атомами химически активных газов.

Алюминий - один из основных металлов, используемых в металлизации при изготовлении БИС и СБИС - не имеет летучих галогенидов при комнатной температуре , за исключением димера Al2Cl6 , температура возгонки которого составляет 297 К. Поэтому травление пленок алюминия осуществляют в плазме хлорсодержащих газов и их смесей: Cl2, CCl4, BCl3, Cl2/CCl4 ; Cl2 /BCl 3 . Активными частицами, взаимодействующими с чистой поверхностью алюминия, являются атомы и молекулы хлора. Вероятности их реакций при комнатной температуре одинаковы и ионная бомбардировка их не ускоряет. Скорость травления не зависит от разности потенциалов между плазмой и поверхностью, мощности разряда. Основной продукт - Al2 Cl6. Травление изотропно. Однако поверхность пленок алюминия легко окисляется атмосферным воздухом. Поэтому в технологии, как правило, на практике травятся окисленные пленки. Окисленные пленки травятся преимущественно атомами хлора. Анизотропия травления достигается за счет добавок газов (CCl4, BCl3 ), генерирующих в плазме хлоруглеродные и бор-хлорные радикалы (CClx, x= 1-3; BClx, x=1-2). Они осаждаются на поверхности, пассивируя ее, и удаляются, так же как и окисленные слои, за счет ионной бомбардировки. Продукты травления переосаждаются на поверхности стенок реактора и частично на поверхности травимых образцов. Присутствие паров воды вследствие гигроскопичности хлоридов алюминия адсорбируются, вступая с ними в реакцию с образованием гидроксида алюминия. Это приводит к невоспроизводимости результатов и изменению свойств изделий вплоть до полного стравливания оставшихся участков пленки в БИС и СБИС во время хранения на атмосфере даже под защитным покрытием. Поэтому необходим строгий контроль за примесью паров воды, а также меры по очистке и пассивированию поверхности после травления и защите изделий, чтобы исключить последующий контакт алюминиевыхх слоев с атмосферой.

Рисунок 2. Схема вакуумной камеры диодного типа для плазмохимического травления непосредственно в плазме: 1 — подача рабочего газа; 2— вакуумная камера; 3 — электрод

Рисунок 3. Схема вакуумной камеры для радикального плазмохимического травления:

1 — кварцевая камера; 2— перфорированный цилиндр; 3 — кассета с пластинами (подложками); 4 — ВЧ-индуктор; 5—подача рабочего газа; 6 — откачной патрубок

Полимерные пленки широко используются в производстве изделий в микроэлектронике в качестве фоторезистов и резистивных слоев для электронной и рентгеновской литографии, для защитных покрытий готовых микросхем, а также в качестве вспомогательных слоев - планаризации рельефной поверхности перед нанесением металлических слоев и др. Поэтому сухое или плазмохимическое травление полимерных пленок представляет весьма важный элемент технологии.

Как правило, органические материалы травятся в кислородсодержащей плазме. Основными активными частицами являются атомы кислорода, а десорбируемыми продуктами деструкции оксиды углерода - CO. С02. водород - Н2. Н20 и радикалы ОН (прикомнатной температуре), которые, взаимодействуя с водородом в объеме плазмы или вблизиповерхности, превращаются в пары воды. Для широкого круга полимерных фоторезистовскорость травления в кислородной плазме при одинаковых условиях меняется в небольших пределах - несколько десятков процентов. Энергия активации травления в большинстве случаев варьируется от 4 до 15 ккал/моль и зависит от параметров плазмы, а также состава и структуры полимера.

Фторсодержашие и полностью фтрорированные полимеры травятся со скоростями на порядок меньшими, чем углеводородные, и используются для повышения стойкости масок. Предварительная термообработка или ионная бомбардировка полимерных резистов может приводить к сшивкам полимерных цепей, что увеличивает стойкость полимеров вкислородсодержащей плазме. Этот эффект используется для создания негативныхфоторезистов. В некоторых случаях предварительное облучение полимеров может приводить к структурным изменениям (обрывам цепей, боковых групп, образованию сшивок и т.п.).увеличивающим скорость травления, и используется для создания позитивных резистов.

Скорости травления почти всех исследованных полимеров увеличиваются при добавках в кислородсодержащую плазму фторуглеродных газов в первую очередь за счет повышения скорости генерации атомов кислорода. С другой стороны, генерация атомарного фтора и фторирование углеродных атомов, в особенности боковых групп, приводят к дополнительному их отрыву. Остающиеся свободные связи на поверхности быстрее взаимодействуют с атомарным кислородом.