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. 11 )

Под плоским катодом (мишенью), на который подано ВЧ-напряжение, размещены постоянные магниты. Форма полюсов магнитной системы определяет геометрию замкнутой зоны на поверхности мишени, имеющей форму вытянутой буквы «О», которая ограничена местами входа и выхода магнитных силовых линий. Наличие у мишени замкнутого магнитного поля позволяет локализовать плазму в непосредственной близости у мишени. Эмитируемые из мишени (катода) под действием ионной бомбардировки электроны оказываются в своеобразной магнитной ловушке и циркулируют по замкнутым траекториям, увеличивая эффективность ионизации и возбуждения молекул и атомов рабочего газа, в результате чего резко повышается скорость РИПТ. Однако локализация плазмы вблизи мишени в виде вытянутой О-образной дорожки резко снижает равномерность РИПТ, и для ее обеспечения необходимо с помощью специального механизма сканировать магнитное поле путем перемещения магнитной системы или же перемещать образцы вдоль и поперек О-образной дорожки. Наличие магнитного поля с индукцией 0,10 - 0,12 Тл в 4 - 5 раз снижает напряжение автосмещения на катоде и обеспечивает возможность стабильного горения разряда при давлении 10 Па. Даже при сравнительно высокой плотности ВЧ-мощности (около 1,6 Вт/см2) энергия ионов не превышает 250 эВ, а при плотности мощности 0,5 Вт/см2 составляет всего лишь 50 эВ, что позволяет существенно уменьшить глубину радиационных нарушений.

Известно, что трудность работы с ВЧ - источниками при низком давлении заключается в быстром падении ионной плотности при снижении давления. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение скорости травления и, соответственно, производительности процесса. Увеличение ВЧ - мощности или напряжения смещения на пластине приводит к возрастанию скорости травления, но при этом возникают проблемы повышения дефектообразования в полупроводниковых структурах из-за бомбардировки высокоэнергетичными ионами. Преимуществом работы при низком давлении является высокая анизотропия, позволяющая воспроизводить субмикронные размеры, а также «чистота» процесса травления, т. к. при низком давлении продукты реакции более летучи, и они легко удаляются, сводя к минимуму образование загрязнений и выпадение осадков на поверхности стенок реакторов и обрабатываемых пластин.

Но в современных условиях, когда общим требованием к процессам плазменного травления в режиме индивидуальной обработки пластин является достижение значений скорости травления различных функциональных слоев СБИС порядка 1 мкм/мин или даже более, использование методов реактивного ионного травления становится проблематичным. При этом следует помнить, что речь может идти о формировании структур с размерами элементов 0,2 мкм и менее. Достижение таких характеристик процессов возможно лишь при использовании источников высокоплотной плазмы с плотностью свыше 1011 см-3, а также относительно низкой энергией бомбардировки (менее 100 эВ). Необходимость обработки поверхности низкоэнергетичными ионами требуется для исключения или сведения к минимуму влияния плазмы на уровень привносимых радиационных повреждений нижележащего слоя и электрофизические параметры обрабатываемых структур. Во многих случаях необходимо одновременно обеспечить независимый контроль ионной плотности и ионной энергии. Последнее требование особенно важно, поскольку дает технологу возможность по отдельности управлять основными механизмами плазменного травления - физическим распылением, химическим травлением и химической пассивацией поверхности.

Современные требования к процессам плазменного травления, приведенные выше, однозначно показывают невозможность использования в технологических маршрутах классических технологий плазменного травления (ИТ, ПХТ и РИТ), поскольку достижение необходимой величины одного из параметров процесса, например анизотропии и скорости травления, приводит к однозначному ухудшению других характеристик, например селективности травления к нижележащему слою или степени радиационных повреждений поверхности.

Требуемые параметры процесса плазменного травления могут быть получены лишь при одновременном сочетании таких несовместимых параметров для традиционных плазмохимических реакторов характеристик, как высокая плотность ионного тока (1 – 10 мA/см2) и низкая энергия ионов (20 - 50 эВ).

В настоящее время наибольшее развитие получили источники высокоплотной плазмы (источник СВЧ - плазмы, возбуждаемой в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР СВЧ - ИП); источник ВЧ - плазмы в условиях возбуждения геликонной волны (ГИП) и источники ВЧ - плазмы с индуктивной (ИСП) или трансформаторной связью (ТСП)).

Принцип работы плазменного источника с индуктивным возбуждением плазмы (см. рис.2.10) следующий. ВЧ-мощность от ВЧ-генератора через устройство согласования подводится к индуктору источника. Протекающие через спирали индуктора ВЧ-токи достаточно большой величины, вызывают появление электромагнитной волны, которая через радиопрозрачные стенки реактора излучается в вакуумный объем, причем электрическое поле волны имеет вихревой характер.

Рисунок 2.10. Схематичное изображение источника индуктивно-связанной плазмы.

1 – генератор ВЧ - мощности, 2 – катушка, 3 – электростатический экран, 4 – плазма, 5 – подложка, 6 – подложкодержатель, 7 – генератор ВЧ - мощности для смещения подложки, 8 – откачка.

Такое поле за один полный период колебаний совершает работу над всякой заряженной частицей равную нулю. Поэтому, казалось бы, что получение энергии электроном возможно только в «столкновительном» режиме и газовый разряд может существовать только при достаточно высоком давлении (длина свободного пробега электрона меньше пути пройденного за один цикл). Однако на практике это не так, диапазон давлений горения индуктивно-связанной плазмы достаточно широк. Практическими и теоретическими исследованиями доказано, что в индукционном разряде нагрев электронной подсистемы плазмы носит бесстолкновительный или стохастический характер, при этом происходит ее разделение на «слои», одни из которых поглощают ВЧ-энергию, а другие выделяют. При этом основная область поглощения энергии электронами сосредоточена вблизи ввода мощности (несколько сантиметров от индуктора). Это приводит к увеличению плотности электронов в объеме плазмы, а в силу квазинейтральности плазмы к повышению плотности ионов, а также к уменьшению электронной температуры плазмы при низких давлениях (10 - 10 Тор). Плотность плазмы в ИСП реакторах может достигать 1011 - 1012 см. Средняя температура электронов невелика и составляет обычно 3 - 4 эВ. Плотность тока ионов на подложку может составлять по порядку величины 10 мА/см2 и более, что более чем на порядок превышает плотность ионного тока, характерную для ВЧ диодных реакторов.

Таким образом, основными преимуществами источников высокоплотной плазмы являются:

- более хорошая воспроизводимость критических размеров элементов,

- большие значения скорости травления, селективности, улучшенные профили травления,

- возможность независимо регулировать энергией и плотностью потока ионов, воздействующих на обрабатываемую пластину.

2.7. Плазменное травление диэлектриков

В таблице 2.1 приведены газовые смеси, которые применяются для травления диэлектрических слоев.

Таблица 2.1.

Газовые смеси для травления диэлектрических слоев.

Материал	Газ	Анизотропия	Селективность
SiO2	CF4, C2F6, C3F8, CHF3, CF4+H2, C2F6+ H2, CF4+CH4, C2F6+ C2H2	Изотропный при низких энергиях ионов; анизотропный – при высоких	Высокая по отношению к кремнию
Si3N4	Те же, может добавляться кислород	Подобен SiO2	Высокая по отношению к SiO2 в изотропной области

2.7.1. ПТ диоксида кремния.

Типичное применение процесса травления диоксида кремния – это вскрытие контактных окон к нижележащим слоям кремния и поликремния. Поэтому выбор для этого процесса газовых смесей на основе фторсодержащих углеводородов определяется чаще всего возможностью достижения высокой селективности по отношению к Si (Si*).

Галоидоуглеродные газовые смеси селективно травят SiO2 вследствие образования ненасыщенных соединений (например, CF2) и их производных. При наличии ионной бомбардировки активный травитель образует летучие фториды (SiF2, SiF4), оксифториды (например, SiOF2), а также СО, СО2 и COF2.

Тетрафторид углерода, C2F6, C3F8, цикло-C4F8, а также смеси Н2, СН4, С2Н4, С2Н2 с CF4 и C2F6 являются примерами систем, в которых образуются ненасыщенные вещества. Они были использованы в промышленности для селективного травления SiO2 по отношению к Si. Водород и углеводородные добавки обедняют плазму свободным фтором вследствие протекания экзотермической реакции образования HF и обогащают разряд ненасыщенными фторуглеродными соединениями (производными от CF2). Связанное с этими добавками уменьшение концентрации фтора повышает концентрацию «насыщенных» радикалов, так как вклад реакции рекомбинации этих радикалов с атомами фтора будет падать.

Травление оксида в такой плазме с недостатком фтора происходит анизотропно, а загрузочный эффект либо совсем не проявляется, либо очень мал; травление нечувствительно к температуре подложки, коррелирует с потенциалом темного катодного пространства и часто дает поверхность с грубой текстурой. Все это означает, что реакция вызывается ионной бомбардировкой. Однако то, что можно легко получить скорость травления свыше 160 нм/мин, говорит об избыточной скорости удаления атомов по сравнению с потоком ионов на поверхность. Следовательно, травление действительно осуществляется радикалами, а ионная бомбардировка только стимулирует процесс. Так как большинство реакций фторирования CFx - SiO2 экзотермические, то можно предположить, что в отсутствие ионной бомбардировки взаимодействию препятствует слой из SiF2 или фторуглеродная пленка, которая труднопроницаема для радикалов CFx.