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. 9 )

2.4.2. Мощность

Мощность разряда - основной энергетический фактор, определяющий электрическую активацию процессов в плазме, и поэтому кинетические характеристики процессов ПХТ должны быть функциями мощности. Приложенная мощность влияет на распределение электронов по энергии, которое определяет генерацию активных частиц в результате процессов столкновений электронов с молекулами газа. Следовательно, в общем случае по мере увеличения мощности скорость травления монотонно возрастает (см. рис. 2.2). Избыточный расход газа и уменьшение времени удержания могут в какой-то степени быть компенсированы увеличением ВЧ-мощности. Однако при РИТ увеличение мощности может привести к более интенсивной ионной бомбардировке, снижению селективности, деградации фоторезиста, усилению загрузочного эффекта и повышению неравномерности травления.

Рисунок 2.2. Типовая зависимость скорости травления отВЧ-мощности.

Кроме того, повышение ВЧ-мощности не компенсирует обеднения реагента, поскольку возрастание скорости генерации активных частиц не обязательно сопровождается увеличением скорости их потребления. Поэтому при работе в режиме РИТ для снижения загрузочного эффекта целесообразно применять большие расходы газа и высокую скорость откачки, обеспечивающую низкое давление (менее 10 Па) и относительно низкий уровень мощности, с целью предотвращения вредных последствий повышения мощности, упомянутых выше. При этом общая скорость травления и производительность могут понизиться, но достигаются максимальные селективность и воспроизводимость критических размеров.

По тем же причинам часто травление выполняется в два этапа: вначале с высокой скоростью удаляется основная часть пленки, а завершающая стадия процесса проводится при умеренных значениях потребляемой мощности или с менее активными реагентами. Хотя в качестве критерия процесса травления здесь используется полная мощность, более уместно было бы применить понятие «плотность мощности», поскольку конструкция электродов и характеристики разряда определяют площадь и объем распространения плазмы. Для данного сочетания экспериментальных условий плотность мощности и напряжение смещения (если оно легко измеряется) являются наиболее универсальными характеристиками для оценки процесса РИТ.

Таким образом, мощность разряда является основным энергетическим параметром, который активно влияет на условия в плазме. С изменением мощности меняются не только физические характеристики, но и может меняться химический состав плазмы, что сказывается как на абсолютных, так и на относительных скоростях травления материалов.

2.4.3. Давление

Следующим технологическим параметром, наиболее существенно влияющим на условия в плазме при проведении ПТ, является давление газа в реакторе. В соответствии с определением давление в процессах РИТ ограничено диапазоном 10-3 – 4 × 10-2 Па, поскольку давление наряду с потребляемой мощностью определяет достигаемую величину энергии ионов.

На рисунке 2.3 показана типичная зависимость скорости травления от давления.

Рисунок 2.3. Типовая зависимость скорости травления от давления.

Допуская энергетическое распределение электронов близким к максвелловскому и учитывая, что число возбуждений в плазме пропорционально числу быстрых электронов ne', можно описать приведенную зависимость уравнением

(39)

При низких давлениях → 1 и левые ветви приведенных на рисунке 23 зависимостей описываются выражением в скобках. Снижение скорости травления на этом участке графика объясняется уменьшением общей концентрации молекул и электронов с понижением давления. При дальнейшем повышении давления за пределы рmах скорость травления падает, так как → 0, что обусловлено снижением электронной температуры.

Кроме того по мере увеличения давления при постоянном расходе газа время удержания и количество столкновении частиц возрастают, а средняя энергия электронов уменьшается. Поскольку энергия электронов определяет скорость генерации активных частиц, скорость травления уменьшается при увеличении давления. Соответственно возрастает отношение потоков нейтральных частиц и ионов, что может привести к снижению направленности травления и повышенному подтравливанию.

Летучесть продуктов реакции и скорость их десорбции растут при снижении давления, поэтому скорости реакций для которых лимитирующим фактором является удаление продуктов взаимодействия, при уменьшении давления увеличиваются.

Таким образом, давление значительно изменяет физико-химические характеристики плазмы, выбор которых обусловливает получение необходимых конструктивно-технологических параметров полупроводниковых структур.

2.4.5. Температура

Температура в реагирующей системе оказывает определяющее влияние на скорости плазменного травления. Температурное воздействие на обрабатываемые в плазме полупроводниковые структуры приводит к нежелательным результатам, например, к деградации электрофизических параметров микросхем, разрушению фоторезистивной маски и т. д. Поэтому в процессах ПТ очень важно осуществлять контроль и стабилизацию температуры.

Температура поверхности, подвергающейся травлению, также влияет на скорость реакции и скорость удаления продуктов. Можно было бы предположить, что скорость реакций в общем случае зависит от температуры в соответствии с законом Аррениуса (), причем энергия активации находится в диапазоне 0,05 - 0,5 эВ. Однако в процессах РИТ значительная часть энергии поставляется за счет ионной бомбардировки, поэтому расчет энергии активации на основе температурной зависимости скорости травления может привести к неправильным результатам.

И в случае свободно подвешенной пластины диаметром 75 мм ее нагрев при типичных значениях потребляемой мощности, скорости травления и теплоты реакции взаимодействия может составить 100 - 200 °С. Следовательно, величина потребляемой мощности и скорость травления ограничиваются термической стабильностью резистивной маски и возможностью охлаждения поверхности пластины за счет передачи тепла электроду или инертным газам (таким, как гелий), которые иногда используют для этой цели. Охлаждение поверхности, конечно, не способствует достижению максимальной скорости удаления летучих продуктов реакции, поэтому температура камеры и пластин должна поддерживаться на определенном уровне, обеспечивающем удаление конденсируемых продуктов, но не вызывающем деформацию резиста.

В системах РИТ электрод, на котором располагаются пластины, электрически и в какой-то степени термически изолирован от остальной камеры, его температура может поддерживаться во время травления на необходимом уровне за счет независимого теплообменника. При использовании дополнительной нагревательной системы для камеры температура последней обычно поддерживается в диапазоне 40 - 80 °С. Исходя из этого, можно сделать вывод, что для повышении скорости травления необходимы температуростойкие резисты или неорганические маски. Такой вывод, безусловно, справедлив, однако следует помнить, что повышение температуры способствует усилению химического и, следовательно, изотропного механизма травления, снижению роли ионной бомбардировки и может привести к возрастанию подтравливания.

Таким образом, для получения воспроизводимых результатов в процессах ПТ необходимо контролировать температуру обрабатываемой поверхности и газа.

2.4.6. Состава рабочего газа

Характеристики процесса травления во фторуглеродных газах существенно зависят от относительного содержания фтора и углерода, например, для CF4 величина F/C = 4. С уменьшением отношения F/С снижается скорость травления материалов с одновременным повышением селективности травления кислородосодержащих соединений относительно бескислородных, например SiO2. относительно Si и Si3N4. При уменьшении отношения F/С возрастает количество ненасыщенных фторуглеродных частиц (частиц, у которых атомы углерода имеют свободные валентности или двойные и тройные связи), которые способны полимеризоваться на поверхности кремния. Изменение отношения F/С в плазме разряда часто позволяет объяснить влияние добавок различных газов к фторуглеродному соединению.

Добавка кислорода (до 20 - 40 % к общему объему) при травлении материалов в плазме фторуглеродных газов увеличивает выход свободных атомов фтора F0 и скорость травления. Механизм влияния О2 на генерацию и рекомбинации энергетических и химически активных частиц окончательно не выяснен, поэтому существует ряд гипотез.

1. Кислород препятствует гетерогенной рекомбинации F· с другими частицами, либо реагируя с ними, либо блокируя им доступ к наиболее благоприятным с точки зрения рекомбинации поверхностям. Например, кислород удаляет углеродные атомы, адсорбированные на поверхности материала, подвергаемого травлению, образуя при взаимодействии СО2 и СО. Тем самым атомы фтора не расходуются на реакцию с углеродом, а травят материал. Этим эффектом объясняется селективность травления двуокиси кремния относительно кремния в плазме рабочих газов с малым отношением F/С. С поверхности SiO2 углерод удаляется кислородом, выделяющимся при реакции двуокиси кремния со фтором:

SiO2+4F®SiF4 ­+ O2

а c поверхности кремния углерод удаляется только атомами фтора:

C+4F·®CF4 ­

2. Кислород уменьшает скорости гомогенных реакций атомов фтора c другими частицами, уменьшая число этих частиц путем окисления. Например, в результате газофазных реакций между кислородом и углеродсодержащими частицами образуются соединения типа СО, СО2, COF2 и другие, вероятность рекомбинации которых с атомарным фтором значительно меньше, чем у исходных частиц. Таким образом, в плазме разряда увеличивается отношение F/С, а, следовательно, повышаются скорости травления материалов.

3. Кислород реагирует с фторсодержащими частицами, освобождая атомы фтора. Эти реакции могут происходить как в газовой фазе, так и на поверхности материала, подвергаемого травлению: