2.2 Анизотропное травление

Уже давно было известно, что скорость травления полупроводниковых материалов в ряде травителей различна для различных кристаллографичес-ких плоскостей. При отработке химических про­цессов полирования пластин и удаления нарушенного слоя с этими явлениями, выражающимися, напри-мер, в появлении лунок, пытались бороться путем выбора определенных рецептов травителей.

Однако, как это часто бывает на практике, эта особенность полупровод-никовых материалов нашла широ­кое применение при разработке изо-планарной техноло­гии. Различие в скоростях травления кремния для пло­скостей (111) и (100) позволило применить анизотроп­ное травление при создании воздушной изоляции ИС и при разделении пластины на кристаллы.

В качестве травителей для анизотропного травления кремния предло-жен ряд составов, из которых наиболь­ший интерес представляют следующие:

1) гидразингидрат - вода (1:1); скорость травления 3,3 мкм/мин; предполагаемый механизм реакции:

6N₂H₄ + 6H₂0  6N₂H₅⁺ + 6ОH^- ;

Si + 60H^-  [Si (OH)₆]^-2 N₂H₅SiO₃ (pH = 1112);

2) этилендиамин - вода - пирокатехин; скорость травления 3 мкм/мин; предполагаемый меха­низм реакции:

6H₂N(СН₂)₂ NH₂+6H₂O  6H₂N(СН₂)₂ NH₃⁺ + Si + 6OH^- 

 Si+60H^-  [Si (OH)₆]^-2  H₂N(CH₂)₂NH₂Si0₃.

Травитель, не содержащий пирокатехин, реагирует с кремнием со ско-ростью 2 мкм/мин;

3) травитель, содержащий едкое кали, изопропиловый спирт и воду. Скорость травления кремния 0,5 мкм/мин; предполагаемый механизм реак­ции:

Si + 2 КОН + H₂O  K₂SiO₃

2.3 Плазменное травление

Химическое травление, не­смотря на практически повсеместное использование, име­ет целый ряд принципиальных недостатков, к числу ко­торых можно отнести трудность автоматизации процес­са и появление загрязнений на поверхности полупровод­ника.

Обнаружено, что при травлении в плавиковой кис­лоте происходит загрязнение поверхности материала ме­таллами для:

Fe до 10¹¹ см^-2;

Сг - 4 · 10¹⁴ см^-2;

Аu - 7 ·10¹⁴ см^-2;

Сu - 3 · 10¹⁶ см^-2.

Кроме того, метод имеет весьма серьезные ограничения по своей разреша­ющей способности, так как вносит свой вклад в искаже­ние геомет-рических размеров элементов, сформирован­ных пленкой фоторезиста.

В 1967-1968 гг. появились первые сообщения о воз­можности травления ряда материалов при их ионной бомбардировке и введено понятие «пол­ного травления».

Теоретические и практические основы метода были разработаны значи-тельно раньше при реализации ка­тодного ВЧ метода распыления материалов, широко при­меняемого в настоящее время в практике электронной техники.

При катодном распылении материалов источником ионов является плазма тлеющего разряда, возникающая в среде инертного газа или смеси газов.

Терминология, которая сложилась в настоящее вре­мя при описании процесса ионного травления, включает в себя такие понятия как ионно-плазменная обработка, ионное травление, плазмохимическое травление, сухое плазменное травление, ВЧ травление. Зачастую этими терминами обозначают совершенно различные по своей сути процессы.

Однако такое разграничение все же необходимо для оценки скоростей протекающих процессов и лучшего по­нимания основы технологии. Поэтому в дальнейшем из­ложении понятие «плазменное травление» будет харак­теризовать все процессы травления, протекающие при воздействии ионов, термин «плазмохимическое травление» - только в части использования химического взаи­модействия реактивной плазмы с материалом и термин «ионное травление» - в части физических процессов, про­текающих при воздействии ионов инертных газов.

Одной из характеристик катодного распыления явля­ется коэффициент катодного распыления, представляю­щий собой отношение числа распыленных атомов к чис­лу бомбардирующих ионов.

Коэффициенты и скорости распыления большинства материалов отличаются друг от друга не более чем на порядок (таблица 1).

При энергии иона 500 эВ коэффициент распыления для кремния 0,4 атомов/ион, для золота 2,4 атомов/ион.

При сравнении ВЧ травления и ВЧ распыления об­ращает на себя внимание следующее различие:

а) вслучае ВЧ травления поверхность распылённого материала негомогенна; поверхность защищена селективно пленкой фоторезиста;

б) в случае ВЧ распыления имеет значение равномерность формируемой пленки распыленного ве­щества, а при травлении особую роль играет равномер­ность потока ионов.

Таблица 1. Коэффициенты распыления ряда материалов

Энергия ионов различных газов, эВ
Распыляемое вещество	600		1000
	Аr	Кr	Аr	Кr
Сu	2,3	2,8	3,2	3,4
Fe	1,3	1,2	1,4	1,4
Mo	0,9	1,1	1,1	1,2
Ni	1,5	1,5	2,1	1,7

Остановимся на неко­торых особенностях технологии воспроизведения геомет­рии элементов схем. В этом плане необходимо отметить различие между ионным и плазмохимическим травле­нием.

Общим для этих двух процессов является бомбарди­ровка поверхности материала ионами плазмы. Однако в случае ионного травления происходит бомбардировка материала ионами инертных газов (Аr, Кr), которые, разрушая ковалентные или ионные связи в материале, выбивают с поверхности травимого материала атомы или другие частицы. В случае же плазмохимического травления происходит бомбардировка материала иона­ми, которые могут вступать в химическое взаимодейст­вие с атомами травимой поверхности. В этом случае с поверхности материала удаляются уже продукты реак­ции. Плазмохимическое травление может проходить с участием таких реактивных ионов, как кислород, водо­род, фтор, сера и т. д.

Такое различие является достаточно серьезным мо­ментом в выборе того или иного метода при травлении, так как скорость травления и стойкость защи-щающих материалов будут определяться лимитирующей стадией процесса.

Например, типичные скорости ионного процесса при применении аргона составляют для Аl₂О₃ - 13 мкм/мин; для Si - 36 мкм/мин; Si0₂ - 42 мкм/мин; AsGa - 250 мкм/мин и Ag - 300 мкм/мин, при плазмо-химическом методе травления с применением ионов фтора скорость травления для окиси кремния, нитрида кремния и чисто­го кремния составляет от 40 до 400 мкм/мин.

Естественно, что такое разделение в ряде случаев является достаточно условным, так как имеющийся, на­пример, в аргоне кислород, способствует протеканию смешанных процессов.

Очень важное значение для реализации равномерного травления мате-риала по поверхности имеет однородность потока ионов, бомбардирующих подложки, что опреде­ляется конструктивными особенностями установок.

Наиболее существенным недостатком плазменного травления является сопровождающий этот процесс разо­грев подложки. Отмечается, что увели-чение выходной мощности ВЧ генератора от 1 до 3 кВт приводит к воз­растанию температуры подложки от 200 до 500°С.

Этот эффект приводит прежде всего к снижению за­щитных свойств фоторезистов, и его действие может быть уменьшено за счет охлаждения травимого материала при условии применения полированных плоских подложкодержателей, изготовленных из материалов с высокой те­плопроводностью.

На скорость процесса плазменного травления и ка­чество получаемого изображения большое влияние ока­зывают химически активные газы (случай плазмохимического или смешанного травления).

При увеличении в системе содержания кислорода мо­гут проходить одновременно два противоположных про­цесса - травление образца и его поверхностное окисле­ние. Преобладание последнего может привести к резко­му уменьшению скорости травления. С другой стороны, фоторезисты достаточно быстро разрушаются при ионной бомбардировке в присутствии кислорода.

Стойкость фоторезистов к воздействию ионов опре­деляет возможность практической реализации метода плазменного травления. Первые экспери-менты по трав­лению были проведены с обычными фоторезистами.

Механизм плазменного травления полимерных мате­риалов, и в том числе фоторезистов, пока не поддается четкому объяснению. В связи с этим до настоящего вре­мени идет чисто эмпирический подбор соответствующих защитных масок. Однако при разработке или выборе фоторезистов для плазменного травления можно в опре­деленной степени исходить из аналогии поведения поли­мерных материалов под действием ионных и электрон­ных пучков. Стойкость защитных пленок фоторезистов может быть значительно повышена при введении в их состав специальных добавок, уменьшающих разрушение материала при ионной бомбардировке.

Отмечено, что скорость распыления фоторезистов сильно зависит от технологии их применения и в первую очередь от условий пленкообразо-вания и сушки. Плен­ки фоторезистов, высушенные в атмосфере инертного газа, обладали значительно большей стойкостью к дей­ствию плазмы, чем те же покрытия, сформированные на воздухе. Этот факт достаточно просто объясняется тем, что сушка на воздухе приводит в какой-то степени к окислению полимерных молекул и появлению у них «слабых мест» в виде перекисных пли кетонных групп, которые при ионной бомбардировке разрушаются в пер­вую очередь, вызывая общее разрушение полимеров.

При изучении селективного травления металлов и окислов было пока-зано, что скорость травления фоторезистов зависит и от материала подложки. При травлении материала подложки может происходит па­раллельный процесс его осаждения на защитную маску фоторезиста. Предполагают, что при этом могут возни­кать интерметаллические соединения с продуктами раз­ложения фоторезистов (например, карбиды металлов или твердые растворы). Этот фактор также в широких пре­делах может изменять скорость распыления защитной маски.

Таким образом, процессы плазменного травления, имея широкую перспективу практического применения, в настоящее время требуют к себе более внимательного подхода как с точки зрения оптимизации самого про­цесса, так и в плане создания стойких защитных мате­риалов и детального изучения комбинированных опера­ций травления защитных масок и материалов подложки.