3. Расчет анизотропии процесса травления и выбор метода травления.

L-Lm=2 δ=2d÷A

Таблица 9.2. Скорость травления различных материалов под действием

пучка ионов аргона*

Распыляемый материал	Скорость травления* Н Mi/мин	Распыляемый материал	Скорость травления, НМ|/МИН
Кремний	36	Алюминий	44,4
Арсенид галлия	260	Цирконий	32
SiC>2 (термический)	42	Ниобий	30
SiOj (напыленный)	38	Железо	32
Фоторезист KTFR	39	Оксид железа	66
Фоторезист AZ1350	60	Молибден	40
Электронный резист		Титан	20
РММ	84	Хром	20
Серебро	200	Оксид алюминия	13
Золото	160

• Условия травления: энергия ионов 1,0 кэВ; плотность тока 1,0 мА/см²; падение пучка по нормали к поверхности; давление в камере травления 6,6-Ю-³ Па.

Вопросы селективности травления уже затрагивались при обсуждении маскирования. Однако при травлении слоев в микроэлектронике важно иметь возможность прекратить травление на границе раздела, чтобы не подтравливать нижележа­щий материал. Ионному травлению свойственна относительно низкая селективность вследствие его столкновительной приро­ды, и поэтому часто используют специальные «расходуемые» слой в качестве стоп-слоя. В табл. 9.2 приведены скорости травления большого количества материалов [17], полученные в сходных условиях. Наибольшее отношение скоростей травления составляет 20. Такие материалы, как Ti и AI, имеют относи­тельно низкие скорости травления в чистом аргоне; к тому же эти значения могут быть уменьшены еще в 3—10 раз напуском в ионный пучок кислорода с парциальным давлением ~ 10~² Па.

Для создания элементов в многослойных структурах Ti, Pt и Au часто используется двухстадийное травление. Верхние слои золота и платины обрабатываются через маску из фото­резиста пучком ионов чистого аргона. При добавлении кисло­рода пленка титана срабатывает как стоп-слой. Быстрое уда­ление титана плазменным или жидкостным травлением завер­шает получение элементов с хорошим разрешением.

Величина селективности травления становится менее кри­тичным параметром, когда под слоем, подлежащим травлению, имеется защитный слой, перетравливание которого, происходя­щее из-за неравномерности толщины рабочего слоя, допустимо. Таким образом, некоторое перетравливание не приводит к ухудшению характеристик микросхем. Примером использова­ния такого подхода может служить травление второго слоя металлизации в интегральных схемах на GaAs, где полупро­водник защищен слоем диэлектрика толщиной 0,5—1 мкм, В этом случае допустимо существенное перетравливание без заметного ухудшения характеристик прибора.

Одно из главных ограничений в использовании ионно-лучевого травления в технологии СБИС связано с потенциальной опасностью возникновения радиационных нарушений в прибо­рах при воздействии высокоэнергетического ионизирующего излучения и различных быстрых частиц. На ранних этапах со­здания кремниевых МОП-приборов наблюдалась их существен­ная деградация при использовании плазменных процессов и ВЧ-распыления. Затворный оксид кремниевых МОП-приборов в наибольшей степени подвержен радиационным нарушениям при воздействии как рентгеновского излучения плазмы, так и ионной бомбардировки, которые вызывают пробой ди­электрика, возникновение фиксированного или подвижного за­ряда на границе раздела и ловушечных уровней. Пробой ди­электрика происходит при дозах ГО¹⁵ см^-2 и не может быть устранен отжигом; подвижные атомы примеси могут быть отож­жены при 900 °С, тогда как для снижения плотности поверх­ностных состояний достаточно 400 °С. Таким образом, хотя ионно-лучевое травление и имеет существенное преимущество перед ВЧ-распылением, поскольку подложка вынесена за пределы плазмы, затворный оксид, как правило, не рекомен­дуется подвергать ионному травлению [8]. Если же оксид за­щищен материалом затвора (желательно металлом), кремние­вые МОП-приборы становятся гораздо менее чувствительны к излучению, и возможно успешное использование ионного травления для создания металлических затворов.

Поскольку при ионном травлении достигается высокое раз­решение, были предприняты попытки использовать этот метод для создания полевых транзисторов с переходом Шоттки на GaAs. Например, травление ионами низкой энергии опробова­лось для утоньшения канала под затвором с переходом Шоттки , Полученные результаты были отрицательными из-за об­разования аморфного слоя на глубине ионной имплантации (5—10 нм), от которого в глубь кристалла GaAs генерировался нарушенный слой. Тщательные эксперименты по измерению фотолюминесценции и скоростей травления позволили определить глубину этого нарушенного слоя — она составила 50—100 нм. Экспериментально установлено, что суще­ственные нарушения возникают даже при бомбардировке иона­ми низкой энергии (100 эВ), причем отжиг только частично восстанавливает кристаллическую структуру полупроводника. Глубина нарушенного слоя, определенная по вольт-фарадным характеристикам, оказалась равной 90 нм. При проведе­нии других экспериментов эти же исследователи установили, что поверхностная проводимость GaAs быстро снижалась при обработке образца пучком ионов аргона с плотностью тока 0,3 мА/ом² и энергией 300 эВ в течение 5—10 с. Для восста­новления проводимости было необходимо снять химическим травлением нарушенный слой толщиной 40—60 нм. Таким об­разом, в случаях, когда ионное травление применяется для непосредственной обработки GaAs, оно должно сопровождаться либо химическим травлением, либо высокотемпературным от­жигом для удаления нарушенного слоя.

Ионно-лучевое травление может использоваться в тех случаях, когда чувствительная к радиационным повреждениям поверхность полупроводника, например GaAs или граница раздела (Si—Si02), покрыта пассивирующим диэлектрическим слоем. В технологическом маршруте изготовления ИС к таким операциям относятся создание второго уровня металлизации и формирование контактных окон. Тенденция уменьшения размеров элементов СБИС, по-видимому, возродит интерес к методу ионного или реактивного ионного травления для достижения высокого разрешения при создании топологии.

Сообщения о применении травления распылением при изготовлении кремниевых ИС появились еще в 1974 г. и касались травления толстых слоев (~3 мкм) платины и золота. Была выполнена важная разработка по созданию систем с низкоэнергетичным ионным пучком большого сечения , с помощью которого воспроизводимо изготавливались МОП ИС (ячейка с произвольной выборкой емкостью 1 бит). Никаких эффектов радиационного повреждения в ячейках памяти не наблюдалось .

Развитие производства ИС на GaAs, где металлизация производится в основном золотом и его сплавами, потребовало использования методов травления с высоким разрешением для достижения требуемого быстродействия. И такие методы, как ионно-лучевое травление и прецизионная обратная литография, стали интенсивно разрабатываться применительно к технологии этих ИС. В 1976 г. ионно-лучевое травление было применено при создании сверхбыстродействующих делителей, мультиплексоров и пересчетных ИС на GaAs в части получения топологии второго уровня металлизации на основе Сг—Pt—Au. На рис. 1 приведены микрофотографии ИС на GaAs, полученные с помощью растрового электронного микроскопа. Второй уровень металлизации ИС создан с помощью ионно-лучевого травления через маску из фоторезиста (рис. 9.10, б). При этом токоведущие элементы имеют очень точные размеры и не происходит их подтравливания, что позволяет достичь хорошего перекрытия ступеньки даже на резких краях мезаструктур.

Процесс травления прост, производится в едином цикле, с 5— 10%-ным по времени перетравливанием для обеспечения полного удаления металла. В последнее время появилось еще несколько примеров использования ионно-лучевого травления в производстве ИС на GaAs.

Рис. 1. ИС на GaAs, изготовленная с применением ионно-лучевого давления: а—микрофотография части быстродействующей цифровой ИС на GaAs, полученная с помощью растрового электронного микроскопа; б — фрагмент металлизации второго уровня, полученной ионно-лучевым травлением.

1. — место пересечения двух уровней металлизации; 2 — контактная площадка.