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. 12 )

При низком давлении (<10 Па) добавка водорода (или углеводородов) уменьшает скорость травления Si и приближает скорость травления SiO2 к тому значению, которое она имела при наличии одного галогенуглерода. В этих условиях часто наблюдают осаждение полимера на кремнии и поверхностях реактора, не подвергаемых травлению. При средних давлениях добавление СНF3 к C2F6 увеличивает скорость травления SiO2, но слабо сказывается на скорости травления Si. Доля водорода, углеводородов или других ненасыщенных активаторов при любых давлениях ограничивается началом быстрой полимеризации по всему реактору, что препятствует травлению.

Адсорбируясь на поверхности Si (15 нм или более) и SiO2 (1 - 2 нм), ненасыщенные частицы образуют тонкую фторуглеродную пленку, стойкую к травителю. При наличии ионной бомбардировки в оксиде появляются оборванные связи. Радикалы на границе раздела пленка - подложка стремятся к экзотермическому преобразованию этих связей в группы SiFх и закрывают дефекты облучения полимером.

В приведенных примерах кремний подтравливался. Оказалось, что селективность травления коррелирует со степенью подтравливания и возрастает в условиях, благоприятных дли образования ненасыщенных частиц. Известно, что атомы фтора обнаруживаются во многих экспериментах, и наиболее вероятно, что именно они и вызывают подтравливание.

2.7.2. ПТ нитрида кремния.

Атомы фтора травят нитрид кремния изотропно с селективностью травления Si3N4:Si = 1:8 в диапазоне температур 30 - 100 °С. Плазменный нитрид кремния состоит из Si:N:Н и обладает намного более высокой скоростью травления, чем Si3N4 стехиометрического состава, который получают химическим осаждением из газовой фазы. Энергия активации травления нитрида кремния, полученного с помощью плазменного осаждения, определенная на основании измерения температуры газа в реакторе с 4% О2 в CF4, составила 0,17 эВ.

В смеси SiF4 - О2 процессы переосаждения или адсорбции конкурируют с травлением атомами F, поэтому для Si3N4 можно добиться более высокой селективности. Природа этих процессов недостаточно понятна. Селективность изотропного травления Si3N4 в CF4 - О2 по отношению к SiO2 оказывается низкой (2 - 3), более высокая селективность (5 - 10) достигается при травлении в NF3 и других бескислородных фторсодержащих соединениях. Атомарный кислород в плазме CF4 - О2 стремится окислить Si3N4, что ведет к выравниванию скоростей травления. Добавление небольшого количества CF3Br, соединений хлора или йода в плазму CF4 - О2 снижает скорость травления как Si3N4, так и SiO2, причем при добавке CF3Br скорость травления SiO2 падает быстрее, а селективность растет. Предполагают, что последний эффект обусловлен уменьшением концентрации кислорода.

По сравнению с Si и SiO2 для нитрида кремния характерно промежуточное поведение при травлении как в плазме, содержащей атомарный фтор, так и в плазме CFX, обогащенной ненасыщенными веществами. Несмотря на то, что смесь CF4 - О2 и другие реагенты с атомами фтора широко применяются для травления нитрида кремния, процесс травления не является ни селективным (по отношению к Si), ни анизотропным (заметим, что селективное изотропное травление Si3N4 по отношению к SiO2 в плазме атомарного фтора возможно при отсутствии кислорода или с добавкой соединений других галогенов). В плазме, обогащенной CFХ (например, C2F6 - С2Н4), травление Si3N4 происходит во много раз быстрее, чем Si, с селективностью (35 - 100) : 1.

2.8. Влияние РИТ на обрабатываемые структуры

Влияние РИТ на обрабатываемые структуры связано с бомбардировкой их поверхности, а также электродов и экранов энергетическими ионами и электронами. Для устранения или уменьшения радиационных нарушений и изменения электрофизических свойств необходимо проводить РИТ в таких режимах, при которых скорость удаления слоев материала за счет ХАЧ была бы больше скорости диффузии дефектов, образующихся вследствие ионной бомбардировки, в глубь материала.

При РИТ подложки подвергаются бомбардировке энергетическими электронами и ионами, а также фотонами. Радиационное воздействие создает в SiО2 электронные ловушки, которые могут вызывать сдвиг порогового напряжения во время работы приборов. При РИТ SiO2 в плазме CF4 наблюдаются нейтральные узлы захвата, которые могут быть устранены в ходе отжига при температуре 600 °С. Число ловушек, вызванных радиацией, снижается при введении в плазму CF4 водорода (CF4+H2). В пленках SiO2, подвергаемых воздействию плазмы кислорода, обнаружен дополнительный слой захвата на глубине 10 нм от поверхности оксида. Возникновение ловушек подобного рода объясняется повреждениями за счет имплантации ионов и смещения атомов решетки. Высокотемпературный отжиг (1000 0С в азоте) устраняет повреждения, вызванные смещением атомов, но при этом сохраняются ловушки, возникшие при имплантации ионов.

Как ионы, так и фотоны генерируют потенциально заряженные ловушки и незаряженные (нейтральные) состояния, с большим трудом поддающиеся отжигу, который вообще недопустим при наличии алюминиевых электродов. Однако, использование пленок SiО2 с нанесенными на них слоями поликремния и алюминия показало, что эти материалы эффективно защищают SiO2 от радиационных повреждений, вызванных РИТ.

Выбор рабочего газа может оказать существенное влияние на энергию ионов. Например, в планарной ВЧ-системе при одной и той же мощности ВЧ-генератора величина отрицательного смещения на диэлектрических подложках, помещенных на электроде, находящемся под ВЧ-потенциалом, уменьшается от 900 - 800 В в плазме ССl4 до 30 - 25 В в плазме C2Cl3F3. Отсюда очевидно, что если в первом случае имеет место РИТ, то во втором случае этот процесс переходит в чисто плазменное травление, при котором радиационные нарушения практически отсутствуют. Аналогично при одинаковой ВЧ-мощности увеличение межэлектродного расстояния в системе подобного рода уменьшает энергию ионов. Следовательно, при малом межэлектродном расстоянии реализуется РИТ, а при большом – ПХТ. При постоянном межэлектродном расстоянии РИТ реализуется при больших ВЧ-мощностях, а процесс ПХТ - при малых. Энергию ионов, бомбардирующих расположенные на электродах образцы, можно в широких пределах регулировать с помощью магнитного поля. Так, при увеличении В от 0 до 0,12 Тл постоянное напряжение смещения, а, следовательно, и энергия ионов уменьшается примерно в 6 раз.

B технологии ИС очень важна очистка поверхности кремниевых пластин от разнообразных металлических загрязнений (особенно от щелочных металлов), что может быть достигнуто с помощью РИТ. Для проведения очистки образцы помещали на покрытый слоем SiO2 металлический катод, процесс проводился в плазме CF4+О2 (10 : 1). Путем спектральных измерений было установлено, что при очистке пластин от натрия важную роль играют атомы фтора, поскольку на поверхности кремния образуется нелетучее соединение NaF, которое затем удаляется распылением. Вследствие вторичного осаждения распыленного материала (с катода и со стенок камеры) наблюдается некоторый остаточный уровень загрязнений (в основном в виде атомов фтора и углерода), уменьшающийся с увеличением уровня ВЧ-мощности и понижением давления газовой смеси, причем эффективность очистки поверхности кремния от фтора и углерода повышается с увеличением доли кислорода в газовой смеси.

2.9. Лабораторное задание

1. Ознакомиться с описанием работы и устройством установки плазменного травления «Corial 200L» (см. приложение 3).

2. Снять и построить зависимость скорости ПТ диэлектрических пленок SiO2 и Si3N4 от процентного соотношения кислорода в рабочей смеси при постоянных значениях операционных параметров (ВЧ-мощности, расхода газа, давления).

Значения расходов рабочих газов для каждой бригады выдает преподаватель (инженерно-технический персонал).

3. Построить зависимость селективности ПТ диэлектрических пленок SiO2 и Si3N4 от процентного соотношения кислорода в рабочей смеси.

4. Рассчитать равномерность травления пленок SiO2 и Si3N4 для всех проведенных процессов.

2.10. Порядок выполнения работы

1. Получить у преподавателя (инженерно-технического персонала) образцы для плазменного травления пленок SiO2 и Si3N4 со сформированной фоторезистивной маской.

2.  Открыть крышку шлюзовой камеры, загрузить образец с SiO2.

3.  Запрограммировать значения операционных параметров процесса ПТ SiO2 (для каждой бригады задаются (преподавателем, инженерно-техническим персоналом) свои значения расходов рабочих газов).

4. Провести процесс плазменного травления функционального слоя SiO2.

5.  После окончания процесса травления, выгрузить образец из шлюзовой камеры.

6.  Удалить фоторезистивную маску в жидкостном травителе.

7.  Измерить толщины протравленной пленки SiO2 с помощью таблицы цветов (см. приложение 4) в 5-ти точках.

8.  Повторить переходы 2 – 7 для процесса ПТ пленки Si3N4

9. Построить графики зависимости скорости травления функциональных слоев процентного соотношения кислорода в рабочей смеси при постоянных значениях операционных параметров (ВЧ-мощности, расхода газа, давления), предварительно рассчитав значения скоростей травления ФС. Графики строятся по значениям скоростей травления, полученных каждой бригадой.

10. Построить график зависимости селективности травления s(Si3N4/SiO2) от процентного соотношения кислорода в рабочей смеси. График строятся по значениям селективности травления s(Si3N4/SiO2), полученных каждой бригадой.

11. Рассчитать неравномерность осаждения пленок SiO2 и Si3N4 и внести в таблицу (см. табл. приведенную ниже)

12.  Оформить отчет.

2.11. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1.  цель работы;

2.  краткие теоретические сведения;

3.  режимы технологических процессов в виде таблицы;

Осаждаемый слой	Расход О2, л/час	Расход CHF3, л/час	Скорость травления, нм/мин	Нерав-рность, %	Примеч.
SiO2					бригада№ 1
				бригада№ 2
				бригада№ 3
Si3N4					бригада№ 1
				бригада№ 2
				бригада№ 3

4.  экспериментальные результаты в виде графиков зависимости скорости осаждения SiO2 и Si3N4 от - ВЧ-мощности при постоянном расходе газовой смеси (от давления в рабочей камере при постоянных значениях ВЧ-мощности и расхода газовой смеси);