2. Травление, электрохимическая, химическая и химико-механическая полировка.

 

ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК

Процесс химической обработки полупроводниковых подложек состоит в растворении их поверхностного слоя под действием кислотных или щелочных травителей. Избыток травителя и фиксация температуры позволяют производить процесс химической обработки с постоянной скоростью и таким образом точно рассчитать толщину удаляемого слоя полупроводникового материала.

Однако следует учитывать тот факт, что скорость травления слоя, нарушенного при механической обработке, значительно выше, чем скорость травления исходного ненарушенного материала.

________________________________________________________________

Травление германия. Основными составными частями травителей для германия является азотная и плавиковая кислоты, а также перекись водорода. Азотная кислота является сильным окислителем германия, а плавиковая хорошо растворяет диоксид германия. При использовании в качестве травителя перекиси водорода химическая обработка германия проводится при температуре 70—80°С. К основным частям травителя иногда вводят добавки, которые играют роль ускорителей химической реакции (бром) или замедлителей (уксусная кислота).

Травление кремния. Химическая инертность кремния объясняется наличием на исходной пластине оксидной пленки, которая растворима только в водных растворах щелочей и плавиковой кислоты. Поэтому для химической обработки кремния используют два вида травителей; кислотный и щелочный. В качестве кислотных травителей применяют различные смеси азотной и плавиковой кислот.

За счет разницы в концентрации травителя у выступов и впадин, которые имеют место на поверхности кремния, происходит более быстрое растворение выступов. Это приводит к сглаживанию. Поверхности полупроводниковой подложки.

В качестве щелочных травителей используют водные (10—20%) растворы КОН и NaOH. Травление кремния в щелочных составах проводят при температуре 90—l00°C. Обработка в щелочных травителях не дает желаемой зеркальной поверхности кремния, поэтому данный вид травителя в качестве полирующего не нашел широкого практического применения в промышленности. Однако щелочный травитель часто используют для так называемого анизотропного травления, т. е. в тех случаях, когда требуется вытравить на поверхности подложки лунку определенной формы. Особый интерес представляют лунки V-образной формы, широко используемые для изоляции отдельных областей ИС.

Селективным травителем для кремния является смесь N₂H₄ с водой. Этот травитель обеспечивает высокую скорость травления кремния (около 0,05 мкм/с при температуре 120°С) в направлении перпендикулярном плоскости подложки и совпадающем с кристаллографической плоскостью (100).

 

 

ХИМИКО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА П/П ПОДЛОЖЕК

Если проводить процесс химической обработки таким образом, что исходная полупроводниковая подложка будет находиться в статическом (неподвижном) положении, то процесс растворения полупроводникового материала будет проходить неравномерно по всей поверхности подложки. Это объясняется различной концентрацией травильного раствора на различных участков поверхности, неравномерным выделением теплоты на неровностях поверхности подложки, неравномерным подводом травителя к разным участкам подложки.

Для устранения этих нежелательных эффектов в полупроводниковой технологии применяют так называемую химико-динамическую обработку полупроводниковых подложек. Принцип химикодинамической обработки заключается в активном перемешивании травителя непосредственно у поверхности подложки и постоянном вращении подложки в объеме травителя. Перемешивание травителя способствует быстрейшему выравниванию состава травителя по всему объему травильной камеры и, как следствие, приводит к равномерности процесса химической обработки полупроводниковой подложки.

Установка химико-динамического травления полупроводниковых подложек включает в себя в качестве основного узла фторопластовый барабан-стакан, в который помещены кассеты с подложками. Барабан-стакан наклонен к плоскости нормали под углом 20—40° и соединен через редуктор с валом двигателя. При включении двигателя барабан-стакан начинает вращаться с заданной скоростью, а помещенные внутрь кассеты с подложками перекатываются по его внутренней поверхности.

Установка снабжена автоматическим устройством для загрузки и выгрузки кассет с подложками, а также для плавной регулировки скорости перемещения подложек в процессе травления. Ванны для травления, а также емкости с запасом кислот полностью изолированы от оператора, что гарантирует безопасность проведения химико-динамического процесса обработки подложек.

 

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК

Электрохимическая обработка полупроводниковых подложек включает в себя два процесса: электролитическое анодное растворение и анодно-механическое травление полупроводниковых материалов.

Процесс электролитического анодного растворения осуществляют, подавая на подложку, погруженную в электролит, положительный потенциал. Химические превращения происходят там, где ионный механизм электропроводности в растворе изменяется на электронный в полупроводнике и металле. Весь процесс является окислительно-восстановительной реакцией, причем анод служит окислителем, так как он принимает электроны, а катод—восстановителем, так как он отдает их.

Обработка в смеси (H₂S+H₂). Взаимодействие кремния с сероводородом происходит при высоких рабочих температурах (порядка 1200°С). Реакция имеет вид Si(тв)+ H₂S(газ) = SiS(пар) + Н₂(газ).

Для обработки кремния используют 0,5%-ный сероводород в потоке водорода. Основным недостатком сероводорода является его токсичность. Эпитаксиальные слои, выращенные на кремниевых обработанных в парогазовой смеси (H₂S+H₂), содержат меньшее количество дефектов упаковки и посторонних включений.

Обработка в смеси (SF₆+H₂). В отличие от сероводорода гексафторид серы является веществом нетоксичным. Его использование для парогазовой обработки кремния дает возможность снизить рабочую температуру процесса до 1000° С. Реакция взаимодействия имеет вид:

5Si(тв)+2SF₆(пap)=2SiS(пap)+3SiF₄(пар)

Процесс обработки в смеси (SF₆+H₂) используют для локального травления кремния. Он позволяет получать углубления (лунки) с плоским дном и перпендикулярными боковыми гранями.

 

ТРАВЛЕНИЕ

Рисунки на резисте, формируемые методами литографии не являются элементами готового прибора. Они есть отображение действительных элементов схемы. Для формирования топологии схемы необходимо перевести рисунки резиста в соответствующие слои ИС. Один из методов такого перевода заключается в селективном удалении немаскированных участков. Этот процесс называют травлением.

На рис. 1 представлена классификация процессов, используемых в микроэлектронике для травления полупроводниковых структур.

 

 

Рис. 1 Классификация процессов травления в литографии

 

Жидкостное травление

Сначала рассмотрим влажное травление. К трем основным переменным процесса жидкостного травления относятся толщина травимого слоя, температура и время обработки. Однородному распределению температуры в ванне с реагентом способствует перемешивание. Ультрафильтрация раствора травителя в процессе травления очищает реагент от остатков резиста и других твердых частиц, способных блокировать травление. Во избежание загрязнений бачок с травителем должен быть закрыт и изолирован от другого оборудования. Необходимо тщательно подбирать совместимые с реагентом материалы элементов установок, иначе неизбежны загрязнения и утечки. Время жизни реагента можно вычислить по стехиометрии химической реакции.

Если скорость процесса ограничивается на стадии химической реакции, то перемешивание реагента не играет существенной роли. При жидкостном травлении возможно как перетравливание, так и неполное стравливание материала, что приводит к уходу размеров и затрудняет проведение последующих технологических операций, например диффузии. Чем толще удаляемая пленка, тем больше уход размеров вследствие подтравливания и тем больше допуск на этот уход.

Если в резисте есть точечный дефект, травление переводит его в рисунок на подложке, в результате могут появляться проколы.  Если максимальный размер проколов по порядку величины сравним с изменением размеров при ЖХТ (0.4-1.0 мкм), то резко возрастает вероятность образования разрывов в сплошных линиях.

Травление - критическая стадия литографического процесса. На этой стадии жестко испытываются адгезия, непроницаемость, уровень дефектности и химическая инертность резиста. Стойкость резиста к травлению и его адгезия к подложке являются, возможно, наиболее важными параметрами процесса и в наибольшей степени определяют его успех. Применение резиста с высокой стойкостью к травлению гарантирует минимальное искажение изображения при переносе его в подложку. Практические пределы применимости процесса ЖХТ определяются его разрешением -1.5-2.0 мкм - и уходом размеров при травлении - ±0.2-0.5 мкм.

Изотропное жидкостное травление, для которого характерно большое боковое подтравливание (L), пришлось заменить газофазным анизотропным травлением, для которого D/L>>1. Поскольку травление в вертикальном направлении при достижении глубины D прекращается, перетравливание определяется только скоростью удаления материала в боковом направлении. Степень анизотропии зависит от многих физических параметров. Жидкостное травление определяется в основном статическими характеристиками: адгезией, степенью задубленности резиста, составом травителя и т.п. При сухом травлении степень анизотропии во многом зависит от динамических параметров: мощности разряда, давления и скорость эрозии резиста. Величина бокового подтравливания в случае жидкостного травления зависит от предшествующих стадий обработки - подготовки поверхности и термозадубливания.

Используя жидкостное или реактивное ионно-плазменное травление, можно формировать различные профили в пленках. Жидкие травители дают изотропные или скошенные профили. Скошенный профиль края лучше подходит для последующего нанесения полости металла поперек такой ступеньки.

Для компенсации подтрава при изотропном жидкостном травлении размеры элемента на фотошаблоне следует уменьшать.

Сухое травление

Методы так называемого сухого травления хорошо подходят для технологического процесса изготовления СБИС благодаря возможности анизотропного травления, что обуславливает высокое разрешение при переносе рисунка.

Сухое травление может осуществляться различными методами. При использовании методов ионного травления, включающего ионно-лучевое и ионно-плазменное травление, процесс травления происходит исключительно по механизму физического распыления. Реактивные методы, включающие собственно плазменное травление, реактивное электронно-лучевое травление и реактивное ионно-плазменное травление, основаны на различной степени сочетаний химических реакций, в ходе которых образуются летучие или квазилетучие соединения, и физических взаимодействий, таких, как ионная бомбардировка.

_______________________________________________________________

Ионно-плазменное и ионно-лучевое травление

Как ионно-плазменное, так и ионно-лучевое травление основаны на использовании образующихся в процессе разряда высокоэнергетических (>=500 эВ) ионов инертного газа, например Ar⁺. Ионно-плазменное травление проще всего осуществить в высокочастотной диодной системе, схема которой представлена на рис. 2. Материал, подвергаемый травлению, закрепляется на запитываемом электроде и бомбардируется притягиваемыми из плазмы ионами.

 

1 - Рабочий газ; 2 - К насосу; 3 – Подложка; 4 – Катод; 5 - Заземленный экран; 6 - Источник ВЧ-напряжения.

Рис. 2. Высокочастотная диодная система для реактивного ионного травления.

(запитываемый электрод является катодом, а все остальные внутренние заземленные части реактора - анодом; при этом площадь катода намного меньше площади анода. Плазма не удерживается и занимает весь объем камеры. Заземленный экран предотвращает распыление защищаемых им участков поверхности запитываемого электрода).

 

В методе ионно-лучевого травления источником ионов обычно является разряд постоянного тока, ограничиваемый магнитным полем, причем область разряда физически отделена от стравливаемой подложки системой сеток (электродов), на которые подаются потенциалы смещения, обеспечивающие экстрагирование ионного пучка (обычно Аг⁺) из разряда. Для обеспечения используемых па практике плотностей тока пучка (<= 1 мА/см²) требуется сообщать нонам энергию выше 500 В. Для нейтрализации ионного пучка на его пути размещается разогреваемая нить накала, инжектирующая в пучок электроны низких энергий.

Хотя и ионно-плазменное, и ионно-лучевое травление обеспечивают в потенциале высокое разрешение, они не получили широкого применения в технологии СБИС. Основной причиной этого является неудовлетворительная селективность травления.

Плазменное травление

Для плазменного травления кремния, его соединений и некоторых металлов применяют молекулярные газы, содержащие в своих молекулах один или более атомов галогенов. Выбор таких газов объясняется тем, что образуемые ими в плазме элементы реагируют с материалами, подвергаемыми травлению, образуя летучие соединения при температурах, достаточно низких, чтобы обеспечить качественный перенос рисунка.

Для травления с высоким разрешением используются реакторы с электродами в виде параллельных пластин. Такие системы имеют ряд отличительных характеристик.

Во-первых, электроды почти симметричны. Уровень удержания плазмы относительно высок, поскольку электроды расположены близко друг к другу и имеют размеры в плоскости, соизмеримые с диаметром внутренней полости реактора. Удержание плазмы обеспечивает повышение ее потенциала. Другими отличительными характеристиками являются размещение подвергаемых травлению подложек на заземленном электроде и относительно высокое рабочее давление (от 13,3 до 1330 Па). Для исключения зарядки поверхности используют высокочастотный разряд.

Следует учитывать, что в процессе разряда могут образовываться химически агрессивные и (или) токсичные газы, например CO, COF₂, COCl₂, F₂ и Cl₂. Значения скорости подачи газа обычно лежат в интервале 50-500 см³/мин при стандартных температуре и давлении.

Первыми были разработаны реакторы цилиндрического типа. В подобных реакторах обрабатываемые подложки помещаются в центре вакуумной камеры, а ВЧ-разряд создается внешней катушкой (рис. 3). В таких реакторах ионы движутся не перпендикулярно к подложке, что приводит к изотропному травлению и формированию рисунка с наклонными стенками. Другим недостатком цилиндрических реакторов является то, что в подобных системах ионы приобретают достаточно высокую энергию. Это приводит к созданию различного рода радиационных дефектов в полупроводниковых структурах. Для снижения плотности дефектов в цилиндрических реакторах вводится дополнительная экранирующая сетка, которая изолирует зону разряда от обрабатываемых пластин (рис. 4). В этом случае реализуется так называемое радикальное травление – происходит химическое взаимодействие поверхностных слоев с электрически нейтральными реактивными свободными радикалами, всегда присутствующими в плазме используемых реактивных газов.
Цилиндрические реакторы широко применяются для создания микроструктур с низкой и средней степенью интеграции, когда размер топологических линий не превышает 1-2 мкм.

 

Рис. 3. Цилиндрический плазменный реактор.

 

Рис. 4. Плазменный цилиндрический реактор с защитной сеткой.

Для прецизионного травления были разработаны планарные реакторы. Полупроводниковая подложка располагается на плоском ВЧ электроде. Над ней размещается плоский заземленный электрод. В таких системах достигается высокая анизотропность травления, так как ионы движутся практически перпендикулярно к поверхности подложки. Для увеличения анизотропии травления используют, кроме того, дополнительное смещение подложки постоянным напряжением.

Реактивное ионное и реактивное ионно-лучевое травление

Реактивное ионное травление, называемое также реактивным ионно-плазменным травлением, осуществляется в реакторах, аналогичных применяемым для ионно-плазменного травления. Однако в реактивном ионном травлении вместо плазмы инертного газа используется разряд в молекулярных газах аналогично тому, как это осуществляется при плазменном травлении.

Особенностями метода являются: асимметричные электроды (т. е. отношение площади катода к площади заземленной поверхности намного меньше 1); размещение подложек на запитываемом электроде; относительно низкие рабочие давления (0,133-13,3 Па).

Каждая из перечисленных особенностей метода обуславливает относительно высокую энергию ионов, бомбардирующих поверхность подложки в процессе травления. Низкие рабочие давления, используемые при реактивном ионном травлении, приводят к необходимости применения более сложных откачных систем и низких скоростей подачи рабочего газа (~10-100 см³/мин при стандартных температуре и давлении). В-остальном, системы реактивного ионного травления сходны с реакторами для плазменного травления с параллельным расположением электродов.

При реактивном ионно-лучевом травлении применяется оборудование, сходное с оборудованием, используемым при ионно-лучевом травлении. Аналогичными являются и рабочие характеристики. Однако вместо инертных газов источником ионов служат молекулярные газы - так же, как в методах плазменного и реактивного ионного травления.

______________________________________________________________

Факторы, определяющие скорость и селективность травления

Рассмотрим главные факторы, определяющие скорость травления и селективность.

1. Энергия и угол падения ионов

Энергия ионов должна быть порядка несколько сотен электрон-вольт для достижения практически приемлемых скоростей ионно-плазменного травления. Интенсивность распыления большинства материалов монотонно возрастает по мере повышения энергии ионов в интервале энергий ионов, соответствующем сухому травлению (<=2 кэВ), но при энергии свыше ~ 300 эВ скорость этого возрастания уменьшается.

Интенсивность распыления зависит от угла, под которым ионы соударяются с поверхностью. При падении ионов на поверхность под наклонным углом больше вероятность эмиттирования атома, вектор скорости которого направлен от поверхности подложки. Кроме того, такие ионы передают большую долю своей энергии приповерхностным атомам, вероятность эмиссии которых выше.

2. Состав рабочего газа

Состав рабочего газа - доминирующий фактор, определяющий скорость травления и селективность при плазменном и реактивном ионном травлении. Для процессов травления в технологии СБИС применяются почти исключительно галогенсодержащие газы, за исключением процессов, связанных с удалением фоторезиста и переносом рисунков в органические слои, когда используют плазму O₂. Это связано с тем, что в результате реакции галогенов с применяемыми для изготовления СБИС материалами образуются летучие и квазилетучие соединения при температурах, близких к комнатной.

Для реактивного травления часто применяют многокомпонентные смеси, представляющие собой обычно главную компоненту с одной или более добавками, которые вводятся для обеспечения наряду с требуемой скоростью травления других заданных характеристик: селективности, однородности, профиля края. Примером влияния таких добавок на скорость травления служит плазменное травление Si и SiO₂ в смесях, содержащих CF₄. Скорость травления Si и SiO₂ в плазме CF₄ относительно низкая. При добавлении в рабочий газ кислорода скорость травления как Si, так и SiO₂ резко возрастает и достигает максимума при добавлении 12 и 20 % O₂, соответственно.

3. Давление, плотность мощности и частота

Понижение давления и частоты и повышение плотности мощности приводят к увеличению средней энергии электронов и энергии падающих на подвергаемую ионов. Повышение плотности мощности вызывает также повышение плотности радикалов и ионов в плазме. Таким образом, в процессах ионно-стимулируемого травления путем уменьшения давления и частоты или увеличения мощности можно повысить степень анизотропии скорости травления.

Поскольку почти вся прикладываемая мощность в конечном счете рассеивается в виде тепла, при обеспечении очень большой плотности мощности электрического поля необходимо предусматривать охлаждение подложек во избежание нежелательных последствий нагрева, таких, как плавление и подгорание фоторезиста или потеря селективности травления.

4. Скорость потока

Скорость потока рабочего газа определяет максимально возможный приток к подложке реакционноспособных компонент. В действительности приток зависит от равновесия между процессами генерации и рекомбинации в плазме активных элементов. Один из механизмов потерь травящих компонент - унос их вязким газовым потоком.

При обычных условиях протекания процесса скорость потока рабочего газа оказывает незначительное воздействие на скорость травления. Это влияние проявляется при экстремальных условиях, когда, либо скорость потока настолько мала, что скорость травления лимитируется доставкой травителя к подложке, либо скорость травления столь велика, что унос газовым потоком становится доминирующим механизмом потерь активных компонентов.

5. Температура

Температурная зависимость скорости реактивного травления определяется главным образом влиянием температуры на скорость протекания химических реакций. Температура влияет также и на селективность, так как величина энергии активации зависит от вида материала. Для обеспечения однородных и воспроизводимых скоростей травления необходимо контролировать температуру подложки. Основной причиной нагрева теплоизолированных подложек является их разогрев плазмой. Кроме того, заметный вклад в повышение температуры может вносить тепло, выделяемое в результате протекания экзотермических реакций травления.

6. Загрузочный эффект

При реактивном травлении иногда наблюдается уменьшение скорости травления при увеличении суммарной площади поверхности, подвергаемой травлению. Это явление известно как загрузочный эффект, происходящий в тех случаях, когда активные компоненты быстро вступают в реакцию с подвергаемым травлению материалом, но обладают длительным временем жизни в отсутствие этого материала. В этом случае доминирующим механизмом потерь активных компонент является само травление, поэтому, чем больше площадь подвергаемой травлению поверхности, тем выше скорость потерь.

Контроль вытравливаемого профиля края элемента

Рассмотрим некоторые факторы, влияющие на профили краев элементов, и методы их контроля.

1. Механизмы анизотропии реактивного травления

Когда травление осуществляется в ходе ионно-стимулируемых реакций, как правило, наблюдается анизотропия скорости травления. Это связано с тем, что ионы падают на пластину перпендикулярно ее поверхности. Следовательно, на поверхность дна вытравливаемого элемента падает значительно больший поток ионов высокой энергии, чем на боковые стенки (рис. 5).

 

Рис. 5. Иллюстрация анизотропии травления, достигаемой при облучении ионным пучком, направленным перпендикулярно поверхности пластины. (Боковые стенки вытравливаемых элементов не подвергаются облучению ионами высокой энергии.)

 

Если реакция травления ионно-возбуждаемая, то боковое травление отсутствует, но в условиях ионно-ускоряемых реакций происходит боковой подтрав под маску, причем величина подтрава определяется скоростью протекания реакции.

Для минимизации бокового травления в условиях ионно-ускоряемых реакций целесообразно вводить в рабочий газ добавки, обеспечивающие рекомбинацию активных компонентов. Функция таких добавок заключается либо в связывании активных веществ на поверхности с образованием летучих соединений, либо в предотвращении образования пассивирующей пленки. Таким образом, подбирая оптимальный состав рабочего газа, можно обеспечить такие условия протекания процесса, при которых скорость травления будет превышать скорость рекомбинации на облучаемых ионами поверхностях, и в то же время на боковых стенках, где облучение ионами минимально, будет реализовываться обратная ситуация (скорость рекомбинации выше скорости травления). Следовательно, степенью анизотропии травления можно управлять, регулируя состав рабочего газа.

2. Другие факторы, влияющие на профиль края элемента

Образование граней, возникновение канавок и повторное осаждение - три явления, проистекающие из физического распыления, которые могут влиять на профиль края вытравливаемого элемента. Степень их проявления зависит от интенсивности распыления и ионного потока, поэтому часто их можно полностью подавить. Эти эффекты чаще проявляются при реактивном ионном травлении, нежели при плазменном травлении, вследствие более высокой энергии ионов.

Образование канавок происходит главным образом в результате падения мощного потока ионов на основание ступеньки вследствие их отражения от боковой стенки ступеньки. Скорость травления, обусловливаемая как физическим распылением, так и ионно-стимулируемыми реакциями, повышается в местах расположения канавок, так как эти участки подвергаются воздействию более мощных ионных потоков.

Распыленный материал, не вошедший в состав летучих соединений, конденсируется на любой близлежащей поверхности. Распыленный материал распределяется в пространстве приблизительно по косинусоидальному закону, и поэтому значительная его часть может повторно осаждаться на стенках близлежащих элементов маски, что приводит к изменению профиля краев и размеров вытравливаемых элементов. Повторное осаждение обычно не наблюдается при плазменном травлении, поскольку в этом процессе его можно избежать, подбирая состав рабочего газа, параметры плазмы и маскирующие материалы так, чтобы происходило образование только летучих продуктов реакций.

3. Определение момента окончания травления

Если имеет место боковое травление, размеры элементов и профили их краев можно контролировать, уменьшая степень перетравливания. Перетравливание почти всегда необходимо для компенсации неоднородностей и для переноса рисунка на поверхности ступенчатого рельефа при. Используются различные методы установления момента окончания травления пленки:

1.                     непосредственное визуальное наблюдение подвергаемой травлению пленки;

2.                     регистрация оптического отражения от подвергаемого травлению слоя;

3.                     регистрация изменения концентрации травящих компонентов в плазме методом эмиссионной спектроскопии;

4.                     анализ продуктов реакции травления с помощью эмиссионной спектроскопии или масс-спектрометрии;

5.                     измерение изменения полного электрического сопротивления плазмы.

Первые два метода не зависят от площади подложки, подвергаемой травлению, но не приспособлены для применения в условиях процесса неоднородного группового травления. С помощью методов 3, 4 и 5 контролируется травление очень малых участков поверхности подложки, размер которых определяется скоростью травления и чувствительностью детекторов. Для этих методов характерно усреднение неоднородностей. Кроме того, на точность третьего метода оказывает влияние загрузочный эффект.

Побочные эффекты

Травление в реактивных плазменных разрядах сопровождается побочными эффектами. Рассмотрим наиболее важные из этих эффектов.

1. Осаждение полимеров

Разряды в галогенуглеродных газах приводят к образованию обедненных галогеном фрагментов, способных быстро вступать в поверхностные реакции, продуктом которых являются полимерные пленки. Например, при травлении радикалами CF₃ образуются фторуглеродные пленки. Если такие пленки осаждаются на поверхности подвергаемого травлению материала, они приводят к нежелательному замедлению травления. С другой стороны, если осаждение полимерных пленок можно производить избирательно только на маске или подложке, то достигается очень высокая селективность травления.

Избыток ненасыщенных фрагментов, низкая энергия ионов и условия, способствующие протеканию восстановительных реакций, обычно стимулируют осаждение полимерных пленок. Так, при использовании некоторых газов, например CHF₃, эти пленки могут формироваться на заземленных и находящихся под плавающим потенциалом поверхностях, но в то же время они не осаждаются на поверхностях, к которым подведено напряжение высокой частоты, в условиях облучения их ионами высокой энергии. Аналогично пленки могут образоваться только на поверхности Si, но не SiO₂, поскольку кислород, высвобождаемый в результате травления окисла, вступает в реакции с ненасыщенными фрагментами, образуя летучие соединения.

Осаждение полимерных пленок на внутренних поверхностях реактора вызывает загрязнение подложки атмосферными примесями, в частности водяным паром, и высвобождение газообразных посторонних примесей в процессе последующего плазменного травления.

2. Радиационные повреждения

Разнообразные частицы высокой энергии (ионы, электроны и фотоны), присутствующие в плазме, создают потенциально опасную среду для изготавливаемых СБИС.

Наблюдаются радиационные дефекты нескольких типов:

1.                     смещение атомов в результате соударений с ионами высокой энергии; при реактивном травлении этот дефект локализован в приповерхностном слое толщиной не более 10 нм;

2.                     первичная ионизация в результате разрыва связей Si-O и образования электронно-дырочных пар; этот процесс вызывается фотонами дальнего ультрафиолетового диапазона и мягкими рентгеновскими лучами;

3.                     вторичная ионизация, при которой электроны, образующиеся вследствие атомных смещений и первичной ионизации, взаимодействуют с дефектами связей Si-O.

Технологический процесс обычно включает последующие высокотемпературные операции, во время которых радиационные дефекты отжигаются.

Основная проблема, связанная с радиационными повреждениями, возникает при образовании нейтральных ловушек после формирования алюминиевой металлизации, когда дальнейший высокотемпературный отжиг исключен. Необходимо контролировать максимальные ускоряющие напряжения, чтобы они не превышали пороговой величины, за которой начинается образование неотжигаемых дефектов.

3. Примесные загрязнения

Все внутренние поверхности системы реактивного травления подвержены ионной бомбардировке и могут распыляться. Поэтому необходимо обеспечивать правильный выбор материала реактора и контроль ускоряющего напряжения. Загрязнение атомами тяжелых металлов, резко уменьшающими время жизни неосновных носителей, часто наблюдалось в реакторах, изготовленных из нержавеющей стали.

Осаждение распыленных нелетучих материалов на подвергаемую травлению поверхность значительно замедляет или полностью прекращает протекание процесса травления. При осуществлении высокоанизотропного травления даже очень небольшие участки подобных загрязнений представляют серьезную проблему. Другой пример примесного загрязнения, препятствующего травлению, - осаждение полимерных пленок, толщина которых иногда не превышает нескольких атомных монослоев.

 

Анализ ключевых аспектов травления  

Скорость травления

Скорость травления определяется многочисленными факторами, главными из которых являются: конфигурация плазменной системы, оптимальный выбор плазмообразующих газов, ВЧ мощность и рабочее давление. Сильное влияние на скорость травления оказывает правильный выбор реактивного газа или смеси газов. Однако подбор оптимальной газовой среды определяется не только производительностью процесса, но и достижением высокой селективности травления.

Селективность.

При проведении процесса травления ключевым моментом является оптимальная остановка процесса и отсутствие такого нежелательного явления как перетрав. На практике всегда присутствуют такие негативные явления, как неоднородность толщины и состава обрабатываемых слоев. Кроме того, при травлении сложных многоплановых структур проявляются эффекты различия скоростей травления для малых и больших площадей. Этот эффект присутствует, например при вскрытии контактных окон в сложных структурах.

Вторым важным моментом при рассмотрении проблемы селективности является оптимальное соотношение скорости травления удаляемого слоя и фоторезиста. Сухие плазменные процессы имеют достаточно высокие скорости травления резистов. Особенно сильно эта проблема проявляется при травлении с высоким разрешением, так как в этом случае толщина резиста не может превышать толщины линии.

При травлении структур с высоким аспектным отношением возникает целый ряд специфичных проблем, главная из которых заключается в неоднородной зарядке микроструктур. Суть этого явления заключается в следующем: плазма обычно заряжена положительно по отношению к стенкам реактора и обрабатываемой поверхности. В системах с высокой плотностью плазмы, при большом положительном смещении полупроводниковой пластины, наблюдается существенный поток горячих электронов (с энергией до 10000-50000 К) к обрабатываемой поверхности. Электроны захватываются верхними диэлектрическими слоями микроструктуры, что приводит к отрицательной зарядке этих слоев по отношению к слоям, формирующим дно линии. Это приводит к появлению большой разности потенциалов, которая формирует электрическое поле отталкивающее положительные ионы от дна микрорельефа на стенки линии, что проявляется в боковом перетраве и формировании линий с невертикальными стенками. Один из способов решения проблемы заключается в импульсном возбуждении плазмы высокой плотности. В то время, когда обрабатываемая поверхность поляризуется положительно, возбуждающий плазму импульс выключается. Показано, что за время порядка 10 мкс горячие электроны сбрасывают свою энергию приблизительно до единиц эВ, что существенно снижает эффект. В ряде разработок используются различные ловушки горячих электронов, двигающихся по направлению к обрабатываемой пластине.

Материалы.

Для реализации реактивного травления необходимо обеспечить появление в ходе плазмохимических реакций на поверхности образование легколетучих компонентов, т.е. веществ с низкой температурой плавления и испарения. Такими свойствами обладают фториды, хлориды и некоторые гидратные формы полупроводниковых соединений. Именно поэтому для реактивного травления используются газообразные соединения F, Cl, Br, иногда I.

Важной материаловедческой проблемой остается сильная химическая активность реактивной плазмы и химических продуктов процесса травления. Особенно это относится к Cl содержащим газам. Их применение предъявляет высокие требования к коррозионной стойкости конструкционных материалов реактора, нанесение различных пассивирующих покрытий и тщательной процедуры очистки реактора и обрабатываемых изделий от остатков процесса травления.

Резист.

Одной из ключевых проблем субмикронной литографии является низкая стойкость к плазменным процессам существующих резистов. Представляя собой органические полимерные композиции они легко разрушаются в ходе плазменного травления. Кроме того, плазменная обработка сопровождается определенным нагревом обрабатываемой поверхности, что приводит к дополнительной деградации резистивного слоя. При создании структур с высоким отношением высоты линии к ширине толщина резиста не может превышать ширину линии. Это приводит к необходимости использования сложных многослойных резистов, в которых обычные полимерные композиции обеспечивают высокую экспозиционную чувствительность, тогда как другие добавляют необходимую плазмо- и термостойкость. Альтернативный подход заключается в разработке принципиально новых резистов на основе неорганических материалов, которые по своей природе имеют высокую стойкость к плазменным и термическим обработкам.

Химическое травление потоком нейтральных частиц                       

Одним из наиболее процессов травления является травление потоком химически активных но нейтральных частиц. К таким частицам относятся свободные радикалы и некоторые короткоживущие молекулярные комплексы, которые возникаю в плазме соответствующих газов. СВЧ разряд в реактивном газе возбуждается в кварцевой трубе, помещенной в волновод. За счет разницы давлений в разрядной камере и реакторе плазма распространяется по транспортной трубе в разрядную камеру. Заряженные частицы быстро рекомбинируют, тогда как радикалы достигают обрабатываемой пластины.

Основное применение такого процесса находится в технологических операциях связанных с изотропным но высоко селективным травлением. Например, при удалении резистов, при травлении маски из нитрида кремния на оксиде или поликремнии в LOCOS процессах. При применении этих процессов в комбинации с пассивирующими слоями на боковых стенках линий было достигнуто травление с высокой анизотропией, достаточной для травления структур с высоким отношением высоты к ширине линий.