Лабораторная работа № 4 Изучение технологических операций плазменного травления и получения тонких пленок методами термовакуумного испарения и плазменного осаждения из газовой фазы при изготовлении изделий микроэлектроники (стр. 10 )

СF3·+O2®COF2+OF·

СF3·+OF®COF2+2F

СF3·+O2+M®CF3O2+M

OF·+OF®O2+F2·®O2+2F·

4. Кислород является катализатором процесса диссоциация молекул рабочего газа. Например, при взаимодействии возбужденного атомарного кислорода с молекулами фторуглеродов образуется возбужденные молекулы оксифторида, которые имеют меньшую энергию диссоциации, чем исходные молекулы:

CF4 +O*®CF3 +OF*

Снижение скоростей травления Si и SiО2 при больших концентрациях кислорода (рис.2.4) в рабочих газах может быть связано не только с уменьшением концентрации атомов фтора в газовой фазе, но и с адсорбцией атомов кислорода на активных центрах поверхностей материалов.

Рисунок 2.4. Зависимость скорости травления Si и SiO2 от содержания кислорода в плазме СF2Cl2

Небольшие добавки кислорода не оказывают заметного влияния на скорость травления SiО2, так как при травлении диоксида кремния выделяется количество кислорода, достаточное для увеличения выхода атомов фтора.

Атомы водорода интенсивно реагируют с атомами фтора в плазме разряда, формируя очень стабильные молекулы HF. Поэтому добавка водорода в плазму фторуглеродных газов уменьшает концентрацию атомов фтора, а, следовательно, увеличивает концентрации ненасыщенных частиц, которые имеют тенденцию к полимеризации на поверхностях. Уменьшение отношения F/С с добавкой водорода в плазму фторуглеродных газов приводит к уменьшению абсолютных скоростей травления материалов. Однако небольшие добавки (до 30 %) водорода, резко уменьшающие скорость травления Si, не оказывают заметного влияния на скорость травления SiO2, так как выделяющийся при травлении диоксида кремния кислород связывает атомы водорода, препятствуя его реакции со фтором, а также удаляет полимерные пленки с поверхности.

На скорость и селективность травления материалов, также как и добавки H2 к фторуглеродным газам, влияет использование в качестве рабочих газов соединений, содержащих водород, таких, как CHF3, СН2F2 и т. д. Добавление азота в плазму галогеносодержащих газов не оказывает заметного влияния на процесс травления материалов, поэтому азот может быть использован как газоразбавитель.

Таким образом, кислород увеличивает отношение F/C в плазме фторуглеродных газов, водород - уменьшает, а азот не оказывает заметного влияния.

2.5. Технологические характеристики процесса плазменного травления

К основным технологическим характеристикам процессов плазменного травления относятся следующие:

- скорость травления,

- селективность,

- анизотропия,

- равномерность травления.

В общем случае селективность травления одного материала относительно другого характеризуется отношением скоростей травления этих материалов при одинаковых условиях:

S (1/2)= V1/V2 ,

где V1 и V2 – соответственно скорость травления первого и второго материалов.

В технологии изготовления СБИС при формировании различных элементов важным требованием является обеспечение высокой селективности (избирательности) травления функциональных слоев по отношению к маскирующему покрытию и нижележащим слоям.

Селективность зависит от состава рабочего газа, давления, плотности мощности разряда, а также от характера протекающей гетерогенной реакции (химической или ионностимулированной).

Под анизотропией понимают преимущественное удаление материала функционального слоя в направлении, перпендикулярном его поверхности. Показатель анизотропии травления определяется по формуле:

А = Vв/Vг = d/b

или

А = 1 – Vг/Vв,

где d - глубина травления, b - величина бокового подтравливания функционального слоя под маску, Vв и Vг – скорости травления функционального слоя в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно.

Анизотропия как и селективность существенно зависит от состава рабочего газа, давления, плотности мощности разряда, а также от характера протекающей гетерогенной реакции (химической или ионностимулированной).

Если основными реактивными частицами плазмы, осуществляющими процесс травления, являются реакционноспособные радикалы, достигнуть высокой анизотропии не удастся. Движение радикалов к поверхности в этом случае носит характер диффузионного из-за многочисленных столкновений в плазме.

При РИТ бомбардировка ионами, которые движутся перпендикулярно обрабатываемым поверхностям и стимулируют реакции между ХАЧ и удаляемым материалом, обуславливает более высокую анизотропию, чем при ПХТ. Механизм травления, стимулированного ионной бомбардировкой, показан на рисунке 2.5. Радикалы, образующиеся в плазме, осаждаются на стенке, либо защищая ее от воздействия ХАЧ, либо рекомбинируя с ними и, тем самым, дезактивируя их. Так как ионной бомбардировке подвергается лишь дно структуры травления, эти центры пассивации - рекомбинации сохраняются на боковой стенке структуры, но десорбируются с ее основания.

Рисунок2. 5. Иллюстрация механизма анизотропного травления.

Увеличение анизотропии, а, следовательно, и разрешения РИТ возможно при снижении рабочего давления. При этом увеличивается длина свободного пробега ХАЧ, и при небольших размерах окон в маскирующем слое, сравнимых с его толщиной (около 0,5 мкм), вероятность попадания ХАЧ на боковые стенки подвергаемых травлению элементов значительно снижается. При ПХТ показатель анизотропии А обычно не превышает 2 – 4. Показатель анизотропии РИТ А в 3 -5 раз выше, чем у ПХТ. Для РИТ в диодной ВЧ-системе с катодной связью А = 10 - 20, предельное разрешение L = 0,4-0,2 мкм. У системы РИТ с магнитным полем при давлениях менее 0,1 Па А = 20 - 100; L = 0,2 - 0,1 мкм.

Значительное повышение анизотропии с увеличением уровня ВЧ-мощности (рис. 2.6) связано с увеличением энергии ионов, движущихся перпендикулярно обрабатываемой поверхности.

Рисунок 2.6. Типовая зависимость анизотропии отВЧ-мощности.

Равномерность процессов плазмохимического травления, в общем случае, зависит от распределения по поверхности обрабатываемого материала, с одной стороны, нейтральных ХАЧ, вступающих в химические реакции, и, с другой – ионов, электронов и фотонов, производящих физическое распыление и стимулирующих химические реакции. Неравномерность травления материала вызвана главным образом неоднородностью плазмы вследствие резкого изменения потенциала на краю пластин. В связи с этим, важное значение для достижения равномерности ПХТ травления имеет распределение газового потока и давление, а также конструктивные особенности электродов, экранов и используемые материалы данных конструкций. Неравномерность ПТ определяется по формуле:

U = ± (Vmax – Vmin) 100% / 2Vср , (4)

где Vmax – максимальная скорость травления слоя,

Vmin – минимальная скорость травления слоя,

Vср – средняя скорость травления слоя.

2.6. Системы реактивно-ионного травления

Традиционные диодные реакторы с плоско параллельными электродами до последнего времени находили широкое применение в промышленности. На рисунке 2.7 приведена схема традиционного диодного реактора. Противоположные электроды возбуждают плазму обычно в диапазоне радио частот со средней мощностью разряда порядка единиц киловатт. В таком реакторе электроны успевают следовать за изменением возбуждающего поля, в то же время ионы движутся как усредненное электростатическое поле. Обрабатываемая пластина все время находится на потенциальном электроде (для увеличения ионной бомбардировки).

Длина свободного пробега электронов в РИТ источнике ограничена рабочим давлением. Если давление в реакторе понижается ниже уровня, при котором длина свободного пробега электронов сравнима с межэлектродным расстоянием (как правило несколько сантиметров), то плазма перестает быть самоподдерживающейся.

Рисунок 2.7. Схема диодного реактора реактивного ионного травления.

1 – заземленный электрод, 2 – ВЧ – электрод, 3 – ВЧ – генератор, 4 – ВЧ – плазма, 5 - подложка, 6 – высоковакуумная откачка, 7 – газоввод.

Чтобы обеспечить дополнительную гибкость (расширить диапазон значений параметров, например, давления) было разработано несколько модификаций конструкций традиционных диодных реакторов. Например, в триодной системе (см. рис.2.8) вблизи катода, на который подано ВЧ-напряжение, помещена электрически изолированная от катода сетка, находящаяся под плавающим потенциалом. При этом образуется своеобразный полый катод, наличие которого в 3 – 4 раза увеличивает плотность ионов в пространстве между сеткой и катодом и одновременно снижает напряжение автосмещения на катоде.

Рисунок 2.8. Схема триодного реактора реактивного ионного травления.

1 – заземленный электрод, 2 – ВЧ – электрод, 3 – ВЧ – генератор, 4 – ВЧ – плазма, 5 - подложка, 6 – высоковакуумная откачка, 7 – газоввод, 8 – триодная сетка.

Кроме того, малое расстояние между сеткой и катодом (15 мм) обеспечивает возможность стабильного горения тлеющего разряда при напряжении автосмещения 20 В. Характерные для триодной системы высокие скорости травления в сочетании с низкими энергиями ионов позволяют значительно уменьшить радиационные дефекты в структурах и предотвратить ухудшение характеристик создаваемых приборов.

Магнетронная система планарного типа (рис. 2.9) представляет собой диодную систему, в которой взаимодействие электрического и магнитного полей в сочетании с формой мишени создает такую конфигурацию магнитных ловушек для электронов, что токи дрейфа электронов замыкаются сами на себя.

Рисунок 2.9. Схема реактора магнетронного реактивно ионного травления.

1 – заземленный электрод, 2 – ВЧ – электрод, 3 – ВЧ – генератор, 4 – ВЧ – плазма, 5 - подложка, 6 – высоковакуумная откачка, 7 – газоввод, 9 – магнитная система.