Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

Разработать технологический процесс ионно-плазменного травления (ИПТ) систем: кремниевая подложка - алюминиевая маска. Оценить скорость, селективно и анизотропию процесса травления

По согласованию с преподавателем задание было изменено на следующее:

Разработать технологический процесс реактивного ионного травления (РИТ) систем: кремниевая подложка - алюминиевая маска (. Оценить скорость, селективно и анизотропию процесса травления

Введение

Основным преимуществом всех методов, относящихся к категории методов сухого травления, является потенциальная возможность прецизионного травления материала в направлении, перпендикулярном его поверхности, с минимальным уходом критических размеров от значений, заданных фоторезистом или другими маскирующими материалами. Такое преимущественно вертикальное травление называется анизотропным. Хотя этот термин используется не вполне правильно, если иметь в виду его точное значение, здесь он будет применяться при описании всех процессов с высоким отношением скоростей травления по вертикали (вглубь материала) и по горизонтали (вдоль его поверхности). Далее будет показано, что такое анизотропное травление может приводить к созданию элементов не только с вертикальным профилем и что возможность контролируемого бокового подтравливания, или изотропного травления, имеет свои преимущества.

Одним из процессов, наиболее широко используемых для анизотропного травления материалов, является так называемое реактивное ионное травление (РИТ), впервые исследованное в 1974 г.. Общим для тих механизмов является плазма тлеющего разряда, среда, обеспечивающая травление и состоящая из заряженных частиц (положительных и отрицательных ионов, электронов), радикалов и нейтральных атомов и молекул. Радикалы и нейтральные частицы участвуют в химических реакциях на поверхности ленки, образуя летучие продукты или предшествующие им вещества, тогда как положительные ионы, ускоряемые в межэлектродном пространстве, бомбардируют поверхность пластин на катоде, инициируя или завершая процессы образования летучих продуктов и ускоряя удаление материала. Этой общепринятой последовательности процессов самой по себе достаточно, чтобы объяснить использование часто употребляемых синонимов реактивного ионного травления, таких, как реактивное травление распылением, ионно-стимулированное химическое травление, химически стимулированное распыление. Из соображений удобства и единообразия терминологии при описании любого из упомянутых здесь процессов будет использоваться понятие реактивного ионного травления. Следует отметить, что реактивное ионно-лучевое травление (РИЛТ) не включено в эту категорию процессов.

Ниже приведены основные закономерности реактивного ионного травления, рассмотрено влияние параметров процесса, применяемое оборудование и возможности использования процесса для травления различных материалов и структур

1. Общие принципы реактивного ионного травления

1.1 Электрическая схема

Как и в случае других процессов, основанных на использовании плазмы, систему реактивного ионного травления можно рассматривать как электрическую схему и химический реактор, действующие совместно. Плазма тлеющего разряда возбуждается и поддерживается между двумя электродами, одни из которых подключен к высокочастотному источнику питания (частотой, например, ) через емкостную связь и устройство согласования, а другой заземлен.

Рис 1. а) Конструкция с планарными электродами для РИТ; б) Усредненное по времени распределение потенциала в реакторе РИТ

Пластины располагаются на электроде, подключенном к источнику питания. Схема устройства показана на рис. 1.1. Нижний электрод-катод существенно меньше по площади поверхности, чем верхний заземленный электрод-анод, а поскольку стенки камеры также заземлены, отношение площадей анода и катода является довольно большой величиной. Отрицательное постоянное напряжение смещения (обычно ), примерно равное половине амплитудного значения - напряжения, возникает между катодом и плазмой, и положительные ионы, энергия которых зависит от величины напряжения смещения, ускоряются в темпом катодном пространстве в направлении, перпендикулярном поверхности катода. Из-за асимметрии конфигурации электродов отрицательное смещение между анодом и плазмой существенно меньше по величине, чем смещение между катодом и плазмой, поэтому бомбардировке положительными ионами подвергается преимущественно катод, а анод распыляется незначительно. Асимметрия электродов и, следовательно, разница в потенциалах смещения между электродами и плазмой еще более значительна при "гексодной" конфигурации Эта конструкция, называемая по-английски hexode или Hex представляет собой колпаковую систему с подложкодержателем в виде шестигранной призмы. (рис. 1.2).

Дополнительным преимуществом такой конструкции является возможность загрузки намного большего числа пластин, чем в реакторе с параллельными электродами той же площади.

Рис 2. Конструкция "гексодного" типа для РИТ: а) вид сверху; б) вид сбоку

При любых заданных значениях частоты ВЧ - напряжения и любой геометрии электродов энергия ионов может быть увеличена за счет повышения мощности (например, напряжения питания) или снижения давления, когда увеличивается толщина темного катодного пространства, а также снижаются потерн на соударения.

1.2 Химические процессы в тлеющем разряде

Когда частицы плазмы химически инертны, пластины на катоде подвергаются бомбардировке положительными ионами и распыляются, тогда как поверхность анода претерпевает воздействие потоков других заряженных частиц и нейтральных атомов. При введении в разряд реакционноспособных веществ, например фтор- или хлорсодержащих газов, химия разряда становится гораздо более сложной. Процессы столкновения приводят к образованию насыщенных и ненасыщенных радикалов (например, и соответственно из ), молекулярных и атомарных ионов (), свободных атомов (), продуктов взаимодействия с подложкой, продуктов молекулярного взаимодействия, таких, как полимеры. На поверхности пластин некоторые нз этих частиц адсорбируются, происходит химическое взаимодействие, и продукты реакции десорбируются либо вследствие их летучести, либо под действием ионной бомбардировки.

Эксперименты, направленные па выявление роли химических процессов в газе и на поверхности независимо от энергетики частиц и облучения, были описаны в работе [2]. Авторы рассматривают предложенные механизмы травления (см. гл. 6); при обсуждении вопросов применения специальных материалов мы вернемся к упомянутым механизмам. Химические процессы на поверхности и в газовой фазе должны, несомненно, учитываться как один из факторов, определяющих анизотропное травление, поскольку они могут либо усиливать, либо ослаблять аффекты ионной бомбардировки.

Селективность, или отношение скоростей травления пленки и подложки, также определяется взаимодействием ионной бомбардировки, или распыления, с химическими процессами на поверхности. Высокая селективность необходима для сохранения ряда электрических параметров прибора за счет минимального подтравливания подложки. Такое подтравливание становится все более критичным по мере быстрого снижения толщины подзатвориого оксида при уменьшении размеров затвора, а также при усложнении топологии структур (например, за чет многоуровневой металлизации). Высокая селективность позволяет пренебречь изменением скорости травления и другими неоднородностями на поверхности пластины, поскольку полное протравливание пленки в этом случае не сопряжено с избыточным подтравливанием материала подложки при увеличении времени травления. Представление о селективности можно распространить и на маску из фоторезиста или других материалов, рисунок с которой должен быть перенесен в функциональный слой. Важно уменьшить скорость стравливания фоторезиста, чтобы обеспечить его достаточную толщину до окончания травления, а также для сохранения точных критических размеров и вертикального профиля травления там, где это необходимо, так как размеры могут быть искажены из-за бокового подтравливания маски резиста или передачи рельефу обычно невертикального профиля маски. Резист подвергается ионной бомбардировке более длительное время (с учетом времени перетравливания), чем обрабатываемая пленка, а его химический состав обычно делает его более подверженным «действию радикалов и деградации по различным механизмам. Поэтому толщина резиста часто составляет толщины пленки, подлежащей обработке.

Однако толщина резиста и профиль рельефа в нем ограничиваются возможностями оптической литографии, если не прибегать к многослойным резистам.

Как уже было отмечено, преимущества реактивного ионного давления состоят в возможности точно и с высокой селективностью воспроизвести на разнообразных материалах размеры, манные маской. Как будет показано ниже, этот процесс может быть также использован для воспроизведения в пленке профиля резиста или других лежащих на ней материалов с целью создания элементов специальной геометрии за счет контролируемого подтравливания вышележащего материала. Указанный процесс требуется также для равномерного по скорости удаления разнородных материалов при планаризации поверхности, необходимой для литографии с высоким разрешением, улучшения перекрытия рельефа наносимыми покрытиями. Однако анизотропия и селективность травления могут иметь и вредные последствия. Например, такие неоднородности, как микровключения резиста или других материалов, изначально присутствовавшие или внесенные на поверхность, могут служить эффективной маской при анизотропном травлении нижележащего материала, что приводит к получению сильношероховатой поверхности на протравленной подложке. Распыление поверхности камеры и переосаждение на пластины может вызывать загрязнение тяжелыми металлами, что уменьшает время жизни неосновных носителей в кремнии, а при травлении контактных окон в диоксиде кремния может повышать токи утечки соединений.

Условия, обеспечивающие высокую селективность при травлении таких материалов, как диоксид кремния, могут приводить к образованию полимеров, которые в свою очередь могут содержать переосажденные металлические примеси. Такой осадок, если его полностью не удалить, препятствует получению низких контактных сопротивлений и влияет на токи утечки контактов. Фактически все процессы РИТ с использованием галогенозамещенных углеводородов протекают на грани образования таких полимеров. Радиационные эффекты, сопровождающие РИТ, могут привести к захвату заряда, ухудшающему стабильность -приборов. Различные формы радиационных повреждений и загрязнений тяжелыми металлами могут, однако, быть устранены, или их эффект может быть значительно снижен за счет таких мер, как отжиг, соответствующая последовательность травления и генерирование,

2. Параметры процесса

Имеется ряд легко контролируемых параметров процесса, который можно использовать для регулирования его основных характеристик, таких, как скорость травления, селективность, разрешение, профиль рельефа, равномерность травления, К наиболее очевидным факторам, определяющим травление, относятся состав газа, его расход, давление и потребляемая мощность или входное напряжение. Влияние этих и других контролируемых параметров на такие факторы, как энергетика частиц, химические процессы в газовой фазе и на поверхности, электрические характеристики, трудно выделить из-за сложное природы их взаимодействия. Обсуждения, направленные на выяснение характера этих взаимодействий, приведены в некоторых других разделах настоящего издания и в данной главе, где сначала изложены общие закономерности процесса, а затем рассмотрены эффекты, связанные с травлением специальных материалов, с уделением особого внимания роли состава газа травителя.

2.1 Расход газа

Скорость травления зависит от скорости генерации активных частиц, скорости их потребления и скорости удаления продуктов реакции. Избыточный расход газа при постоянном давлении приводит к уменьшению времени пребывания и следовательно, к уменьшению скорости генерации активных частиц ели мощность поддерживается постоянной. В противном случае при сравнительно малых расходах газа обеднение среды в процессе травления также приводит к снижению скорости травления (см., рис. 3).

Рис 3. Скорость травления сплава в зависимости от расхода при двух различных значениях давления.

Скорость травления данной поверхности может быть использована для расчета выхода основного продукта взаимодействия, например тетрафторида кремния, образующегося при травлении кремния. Однако, как было помянуто, заниженные скорости травления могут быть объяснены слишком низким коэффициентом использования вследствие избыточно высокого расхода реагента.

Поскольку использование реагента связано с площадью поверхности, подлежащей травлению, скорость травления может также рассматриваться в связи с так называемым загрузочным эффектом:

, где

-- скорость генерации активных частиц,

-- константа скорости реакции,

ф --время жизни активных частиц в отсутствие подвергаемого травлению материала,

-- площадь поверхности материала, подвергаемого травлению,

-- константа определяемая природой материала и геометрией реактора.

Этот эффект существен в реакторах для групповой обработки, которых эффективная площадь поверхности изменяется в зависимости от числа пластин в процессе или от неоднородности поверхности разных пластин.

Более тонкий подход связан с рассмотрением локальных изменений скорости травления из-за больших различий в распределении экспонированных площадей на одной пластине. Далее, уменьшение площади при приближении к завершению травления может привести к значительному увеличению концентрации активных частиц и возникновению бокового подтравливании и нежелательного перетравливания. Эту проблему иногда удается решить за счет правильного выбора материалов для электродов, которые могут действовать как поглотители активных частиц (см. пункт 3.5).

2.2 Мощность

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. 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. 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 ) 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.

2.3 Давление

В соответствии с определением давление в процессах РИТ ограничено диапазоном , поскольку давление наряду с потребляемой мощностью определяет достигаемую величину энергии ионов. По мере увеличения давления при постоянном расходе газа время удержания и количество столкновений частиц возрастают, а средняя энергия электронов уменьшается. Поскольку энергия электронов определяет скорость генерации активных частиц, скорость травления уменьшается при увеличении давления (см. рис. 4).

Рис 4. Скорость травления сплава в зависимости от давления. Параметры процесса: расход , плотность мощности , смесь в соотношении при .

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 продукт взаимодействия, при уменьшении давления увеличиваются.

2.4 Температура

Температура поверхности, подвергающейся травлению, также влияет на скорость реакции и скорость удаления продуктов. В табл. 1. приведены значения температуры кипения некоторых типичных продуктов реакций травления.

Таблица 1. Температура кипения 1продуктов травления.

Давление паров в зависимости от температуры, могут быть полезны при выборе газа для травления. Можно было бы предположить, что скорость реакций в общем случае зависит от температуры в соответствии с законом Аррениуса, причем энергия активации находится в диапазоне . Однако в процессах РИТ значительная часть энергии поставляется за счет ионной бомбардировки, поэтому расчет энерги! активации на основе температурной зависимости скорости травления может привести к неправильным результатам.

В случае свободно подвешенной пластины диаметром ее нагрев при типичных значениях потребляемой мощности, скорости травления и теплоты реакции взаимодействия может составить . 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 победней обычно поддерживается в диапазоне . Исходя из этого, можно сделать вывод, что для повышения 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.

2.5 Материал электродов

Наиболее очевидным критерием для выбора материала электродов является их химическая и физическая стойкость по отношению к среде процессов РИТ. Из этого не следует, что материал электродов, особенно катода, должен быть инертен, скольку химическое взаимодействие может быть использовано для управления радиальной равномерностью травления загрузочным эффектом при травлении кремния, например на электродах с кремниевым покрытием. Покрытия из углерода, фторопласта или других органических соединений обеспечивают большие поверхности, нейтрализующие атомы мора из фторуглеродной плазмы, используемой при травлении . В то же время химическое взаимодействие или распыление электродов из нержавеющей стали или других металлов может снижать скорость травления, вызывать загрязнения поверхности тяжелыми металлами и другими примесями или создавать локальные маски, приводящие к повышенной шероховатости протравленной поверхности.

Стенки камеры и поверхность электродов не долго остаются в своем первоначальном состоянии, так как пленки нелетучих галоидных соединений, оксидов и даже полимеров, осаждающиеся на них, делают их химически инертными. Ионная бомбардировка в условиях РИТ может вызывать упомянутые ранее нежелательные процессы распыления и переосаждения, и не контролируемые изменения в указанных пленках могут изменить характеристики процесса травления или даже ограничить возможности спектроскопического определения конца процесса.

3. Травление некоторых специальных материалов и структур

3.1 Диоксид кремния

Типичное применение процесса травления диоксида кремния-- это вскрытие контактных окон к нижележащим слоям кремния или поликремния. Поэтому выбор для этого процесса газовых смесей на основе фторсодержащих углеводородов определяется чаще всего возможностью достижения высокой селективности по отношению к кремнию. Показано, что селективность травления по отношению к может быть доведена до за счет введения в (рис. 5). Такое же влияние оказывает добавление или использование вместо . Механизмы, объясняющие высокую селективность, основываются на образовании полимерных или полимероподобных соединений во фторуглеродной плазме при дефиците фтора. Когда такие соединения образуются на поверхности диоксида кремния, их взаимодействие с кислородом оксида, стимулируемое ионной бомбардировкой, приводит к образованию летучих веществ, таких, как , и , и процесс удаления материала продолжается. Если такие же соединения наблюдаются на поверхности кремния или резиста, где нет кислорода, необходимого для перевода их в летучие вещества, то скорость травления этих материалов резко падает. Дефицит фтора, обеспечивающий селективность травления по отношению к , иногда характеризуется отношением углерод/фтор. Это отношение увеличивается при использовании высших предельных фторзамещенных углеводородов, таких, как или , или -- и эto более распространенная ситуация -- при взаимодействии фтора и водорода из используемых газов с образованием . Образование фтористого водорода подтверждено исследованиями масс-спектров газовых потоков из камеры тлеющего разряда в среде водородсодержащих фторзамещенных углеводородов.

Рис 5. Скорости травления , и резистов в зависимости от содержания водорода в плазме . Параметры процесса: расход , давление , плотности мощности .

Следует отметить, что в случаях, когда содержание водорода в плазме слишком велико (например, более для смеси ) или очень большая величина отношения содержания углерода к фтору, образование полимера может подавлять скорость травления до неприемлемо малого уровня.

Для управления процессами образования полимеров при РИТ используются и другие газовые смеси, включая и . Добавление в реакционную смесь не столь эффективно, как введение кислорода, в отношении предотвращения образования полимеров, но при этом возрастает селективность травления по отношению к , возможно, из-за увеличения отношения в плазме. Механизм, объясняющий эффективность применения основывается на образовании летучих цианпроизводных соединений при взаимодействии аммиака с осажденными полимерами, что подтверждено результатами масс-спектроскопических исследований.

Химические процессы в плазме и отношение могут изменяться в зависимости от природы электрода (катода). Фторопласт, углерод или кремний, например, могут потреблять атомы фтора во фторуглеводородном разряде. Влияние материала покрытия электродов на скорости травления и в плазме показано на рис. 6. Кварц и алюминий, являющиеся типичными материалами для покрытия электродов, не вызывают существенного удаления фтора из разряда, что приводит не только к снижению селективности травления по отношению к , но и к повышению скорости травления резиста.

Рис 6. Скорости травления и в плазме в зависимости от давления для разных материалов покрытия.

Чистота материала, используемого для покрытия катода в системах РИТ, также имеет большое значение. Если материал катода не травится химически, то он подвергается физическому распылению и может переосаждаться на поверхность пластин. Наличие примесей тяжелых металлов в процессе вскрытия контактных окон может привести к ухудшению характеристик прибора вследствие утечек. Стенки и заземленные поверхности реакционной камеры не являются существенным источником примесей, поскольку подвергаются бомбардировке сравнительно низкоэнергетичными ионами. В дополнение к примесям, связанным с распылением и переосаждением, РИТ кремния может вызывать радиационные повреждения и ухудшать гладкость его поверхности. Возможность возникновения радиационных повреждений может быть значительно уменьшена, если после вскрытия контактных окон и перед металлизацией произвести отжиг или если уменьшить время экспонирования поверхности кремния в плазме. Другим средством для устранения большинства дефектов, возникающих при РИТ, является выращивание на поверхности кремния тонкого слоя оксида и последующее его удаление в буферном травителе.

С целью дальнейшего уменьшения возможности загрязнения и радиационного повреждения кремния контактные окна иногда вскрывают, сочетая сухое и жидкостное травление. Основную толщину пленки оксида удаляют с помощью РИТ, а оставшиеся -- в буферном травителе. Такая последовательность операции имеет свои недостатки, .поскольку вводится дополнительная операция жидкостного травления, а при сухом травлении определение момента окончания процесса возможно только с помощью лазерной интерферометрии. Кроме того, на этапе жидкостного травления имеется возможность ухода критических размеров вследствие плохого смачивания поверхности в контактных окнах малых размеров или из-за неравномерной толщины оксида, когда требуется длительное перетравливание. Основным достоинством РИТ является возможность точного и анизотропного воспроизведения элементов с малыми размерами для создания плотноупакованных структур. Однако на вертикальных стенках рельефа, обычно получающихся при РИТ, толщина металлических пленок, нанесенных испарением или распылением, значительно уменьшается-- на и более. Кроме того, возникает возможность увеличения напряжений в металле и его растрескивания на прямых углах при входе в контактное окно и на его дне. Поэтому профиль контактного окна желательно иметь наклонным. Угол и форма этого профиля явились предметом многочисленных обсуждений. Оптимальной представляется величина , выбранная исходя из электрических характеристик и соображений экономного использования поверхности, а сглаженные края в верхней части и у дна окна позволяют уменьшить проблемы, связанные с напряжениями и растрескиванием металлических пленок.

Существует несколько методов формирования такой геометрии, и почти все они основаны па эрозии резиста и передаче его профиля в слой оксида. Обычно в этих целях используются смеси , , , . Состав смеси и условия проведения процесса подбирают таким образом, чтобы обеспечить примерно равные скорости вертикального травления оксида и резиста. Перед травлением резист может быть выдержан при температуре, обеспечивающей его размягчение и текучесть, достаточную для скругления профиля. Понятно, что температура и длительность такой обработки должны тщательно контролироваться во избежание заплывов резиста и ухода критических размеров. На рис. 7 показано поперечное сечение контактного окна в оксиде со скругленными краями, полученного через резист, прошедший описанную термообработку.

Рис 7. Микрофотография поперечного сечения контактного окна со скругленными краями, полученного контролируемой эрозией маски из оплавленного резиста.

реактивный ионный травление алюминий

Следует отметить, что газовые смеси и параметры процесса, наиболее эффективные для обеспечения необходимого высокого отношения скоростей травления резиста и оксида, как правило, не обеспечивают хорошей селективности по отношению к кремнию. Поэтому обычно используется двухстадийный процесс. Вторая стадия может состоять в жидкостном травлении оставшихся нескольких десятков нанометров или сводиться к смене газовой смеси с целью снижения содержания активного фтора в плазме, для чего из смеси исключается кислород, применяются вещества с высоким отношением или прибегают к разбавлению смеси инертным газом. При этом уменьшается и скорость травления резиста, что предотвращает уход размеров при травлении оксида толщиной более . Когда травление резиста происходит преимущественно в направлении, перпендикулярном поверхности, как это имеет место при РИТ, профиль протравленного в оксиде рельефа может быть предсказан достаточно точно.

Состав газа играет основную роль, определяя соотношение между вертикальным в боковым травлением резиста, однако и другие факторы могут вносить свой вклад. Например, увеличение давления газа в реакционной камере РИТ повышает частоту соударения частиц, что приводит к снижению энергии ионов и росту концентрации радикалов, ответственных за химическое травление, в результате чего боковое травление резиста может возрасти. Если такое боковое травление резиста может быть воспроизводимым, появляется более точное и надежное средство для управления профилем рельефа в оксиде, так как оно не сопряжено с текучестью резиста, из-за которой критические размеры могут измениться еще до травления.

Контактные окна с наклонным краем могут быть получены и другим способом, состоящим в передаче окну профиля, получаемого в дополнительно нанесенном слое оксида, а не в резисте. При этом контактные окна с вертикальными стенками создаются при помощи РИТ, удаляется фоторезист и вся поверхность равномерно покрывается диоксидом кремния с помощью низкотемпературного газофазного осаждения. Верхний край окна за счет перекрытия слоев оказывается мягко закругленным, и эта форма окна переносится в нижележащий слой реактивным ионным травлением без дополнительной литографии (см. рис. 8). При таком методе получения контактных окон необходимо, конечно, учитывать происходящее изменение размеров окна. Подобные процессы РИТ использовались при травлении оксидов и нитридов в случаях, когда для создания изолирующего или маскирующего слоя был необходим спей--сер--слой верхнего диэлектрика в окне, протравленном в нижнем слое.

Расширяющееся применение многоуровневой металлизации, используемой для сокращения площади кристалла и повышения надежности и выхода годных изделий, выдвинуло новые требования в отношении селективности травления. В этом случае контактные окна вскрываются не до кремния, а до металла нижнего уровня металлизации, в качестве которого используются , , и др. Что касается селективности травления диоксида кремния по отношению к алюминию, то здесь особых трудностей не возникает, если не считать слабого распыления металла, так как алюминий пассивируется во фторсодержащей плазме за счет образования фторида. Этот пассивирующий слой, если его не удалить распылением или какими-либо другими способами, повышает переходное сопротивление контактов между верхним и нижним уровнями металлизации. Тугоплавкие металлы взаимодействуют с фторуглеродной плазмой и другими реагентами, используемыми для травления диоксида кремния, но в целом селективность травления остается приемлемой и превышает . В случае меньшей селективности основная толщина оксида может быть протравлена в нормальных режимах, а оставшаяся часть -- в режимах, обеспечивающих повышенную селективность к нижележащему металлу. Такой подход наиболее приемлем для травления именно диоксида кремния, а не других материалов, поскольку при использовании диоксида эффекты локализованной загрузки или обеднения реагента сказываются сравнительно слабо и травление пленки происходит равномерно по всей площади пластины, а не от края к центру или наоборот.

Рис 8. Микрофотографии, показывающие последовательность получения в контактного окна с пологим профилем нанесением окисла на предварительно протравленное окно с вертикальными стенками

При травлении второго и последующих слоев металлизации необходимо учитывать селективность по отношению к диоксиду кремния, особенно если он получен низкотемпературными методами. Как и при жидкостном травлении, природа оксида определяет скорость его удаления. Однако в большинстве случаев различие скоростей РИТ не столь значительно, как при жидкостном травлении. Например, оксиды, полученные осаждением из газовой фазы при пониженном давлении, термическим окислением в парах воды и низкотемпературным ГФО, имеют скорости травления в диодном реакторе с плоскими электродами, отличающиеся не более чем на 10%. Однако скорости травления оксида, осажденного в плазме, и фосфорно-силикатного стекла по крайней мере вдвое превышают скорость травления упомянутых выше слоев.

Планаризация поверхностного рельефа в системах с многоуровневой металлизацией представляет еще одну сферу применения РИТ диоксида кремния, которая будет рассмотрена в разделе по травлению полимеров, так как производится в присутствии резиста.

3.2 Алюминий и его сплавы

Плазменное травление алюминия и его сплавов с медью и кремнием представляет собой одну из наиболее сложных задач в плазменной технологии. Основные трудности связаны с длительным и часто невоспроизводимым временем до начала травления (индукционным периодом), требуемым для удаления собственного окисла алюминия; ингибирующим эффектом водяных паров из окружающей среды; деградацией и эрозией резиста, приводящими к уходу критических размеров; токсичными или вызывающими коррозию реагентами или продуктами реакции; неполным стравливанием компонентов, входящих в сплавы алюминия.

Чтобы индукционный период сделать коротким и воспроизводимым, необходимо понизить до минимального уровня количество водяных паров в реакционной камере. Основным продуктом взаимодействия алюминия с хлорсодержащей плазмой, используемой обычно для его травления, является хлорид алюминия (). Это летучее и гигроскопичное вещество может конденсироваться на охлажденных поверхностях камеры и поглощать пары воды из атмосферы, напускаемой в камеру при е открывании. При зажигании разряда вода может десорбироваться из хлорида алюминия и при взаимодействии с алюминием на поверхности пластины образовать оксид алюминия в виде порошка или пленки.

Эксперименты показывают, что время до начала травления алюминия может изменяться от секунд до нескольких минут в зависимости от относительной влажности атмосферы, попадающей в камеру при ее открывании. Наилучшим способом исключения попадания атмосферы в камеру является использование загрузочных шлюзов, промываемых азотом или откачиваемых, хотя воспроизводимый по времени индукционный период наблюдался и в системе без шлюзов, но с нагреваемыми в промежутках между процессами электродами и камерой. Для снижения парциального давления воды в камере целесообразно использовать ловушку с жидким азотом между камерой и насосом или криооткачку, обеспечивающие высокое предельное разрежение.

Трихлорид бора () включен в состав реагентов, используемых в РИТ, в определенной степени благодаря своей способности удалять кислород и водяные пары. Содержание водяных паров может быть также снижено предварительной обработкой пластин в плазме водорода, которая, как полагают, ускоряет десорбцию паров с поверхности и переводит их в вещества, легко откачиваемые из системы.

Удаление собственного оксида алюминия может быть ускорено, если увеличить - мощность и как следствие скорость травления в начале процесса. Для распыления также используется предварительная обработка пластин в плазме или инертных газов, например аргона. Воспроизводимое и точное травление трудно достижимо, если индукционный период невоспроизводим.

3.3 Газы, используемые для травления алюминия

Тетрахлорид углерода и трихлорид бора являются основными компонентами газовых смесей, обычно используемых для травления алюминия как в пленарных плазменных реакторах, так и в системах РИТ.

Чистый применяется исключительно в планарных плазменных реакторах. При РИТ его часто разбавляют инертным газом, например аргоном или гелием, с целью снижения деградации резиста и образования полимеров. Что касается трихлорида бора, то он почти никогда не используется в чистом виде, поскольку обеспечивает сравнительно низкую скорость травления (). Как полагают, углерод и борсодержащие частицы, образующиеся в тлеющем разряде в указанных газах, играют роль в восстановлении собственного оксида алюминия, тогда как атомы хлора взаимодействуют с алюминием с образованием летучего хлорида алюминия. Эффективность обоих газов повышается при добавлении хлора или других галогенов в виде , , , которые сами по себе не могут обеспечить воспроизводимое травление алюминия из-за трудностей удаления оксидного слоя. Выбор необходимого расхода газа является весьма критичным фактором, поскольку избыток хлора приводит к изотропному травлению и плохой воспроизводимости размеров, а недостаток -- к обеднению реагента и снижению скорости травления, т. е. в сильной степени будет проявляться загрузочный эффект. Правильный выбор расхода особенно важен для систем групповой обработки, когда не все пластины могут стравливаться с одинаковой скоростью. Добавка к также замедляет травление оксида алюминия и приводит к увеличению индукционного периода.

В состав газовых смесей на основе , которые использовались для травления алюминия, входят , , и . Полагают, что включение в смеси углеродсодержащих газов обеспечивает создание защитного полимерного слоя на боковых стеиках рельефа в алюминии, препятствующего боковому травлению за счет хлор - радикалов. По этой причине , например, почти столь же эффективно обеспечивает анизотропное травление в плазменных режимах, как и при РИТ. Дополнительное преимущество состоит в увеличении концентрации активного хлора. На рис. 9 приведены значения скорости травления алюминия, резиста и в смеси в системе групповой обработки РИТ. Характерные величины скоростей РИТ в составляют этих значений.

Образование защитного слоя на боковой поверхности, остатки кремния, выступы и другие нерегулярности поверхности осажденного алюминия могут мешать полному удалению алюминия и других веществ с боковых поверхностей. Для удаления этих остатков с минимальными потерями критических размеров к процессу, результаты которого отражены на рис. 9, добавляется вторая стадия, когда из смеси удаляется и производится небольшое боковое подтравливание. Для удаления остаточного слоя в зависимости от его состава с успехом использовались либо жидкостное дотравливание, либо обработка в окислительной плазме.

Рис 9. Скорость травления сплава , резиста и в зависимости от мощности при групповой обработке с помощью . Параметры процесса: расход , давление , смесь в соотношении .

Сплавы алюминия с медью представляют особые трудности. Для сухого травления в основном из-за низкой летучести получающегося в реакции хлорида меди. Наибольшие успехи были достигнуты в системе РИТ при очень низком давлении и относительно высокой температуре поверхности пластины. Температура пластины должна обеспечивать и сохранность маски из резиста при обычных скоростях травления, поэтому может понадобиться снизить уровень мощности и, следовательно, скорость травления, чтобы полностью удалить хлорид меди.

3.5 Коррозия после процесса травления

При травлении алюминия в хлорсодержащем газе небольшие количества хлорсодержащих веществ, включая гигроскопичный , остаются на поверхности, обрабатываемой плазмой, и могут быть захвачены слоем фоторезиста. При взаимодействии с влагой атмосферы в результате гидролиза этих веществ образуются небольшие количества соляной кислоты, вызывающей коррозию алюминия.

Для удаления остающихся хлорсодержащих веществ иногда используется промывка в воде или замачивание. Однако эти меры часто оказываются неэффективными для обеспечения долговременной стойкости к коррозии. Обработка в плазме использовалась для перевода хлоридов в менее активные фториды, которые в дальнейшем могли быть удалены в дымящей азотной кислоте, пассивирующей алюминий за счет окисления его поверхности. Для предотвращения коррозии применялась и обработка в бромсодержащей плазме. Плазма на основе метил- и этилбромидов взаимодействует с алюминием и его хлоридом с образованием алкилов алюминия, которые во влажной среде переходят в алканы и пассивирующий оксид алюминия.

Уменьшить коррозию возможно и в случае обработки пластин после травления в плазме других составов, например и , которые часто используют перед обработкой в кислородном разряде, удаляющем полимерные материалы и восстанавливающем защитный слой оксида алюминия. Поскольку фоторезист способен удерживать и поглощать влагу, его следует полностью или частично удалять в реакционной камере перед выносом пластин на атмосферу. Еще одна возможность пассивирования алюминия состоит в его термическом окислении при в среде кислорода при давлении .

При использовании сплавов алюминия с медью проблемы, связанные с коррозией после травления, усложняются. Пара образует гальваническую ячейку, вызывающую электрохимическую коррозию в присутствии влаги. Эти же причины коррозии могут наблюдаться и в системах многоуровневой металлизации, где сплав вольфрам -- титан применяется в качестве стоп-слоя при травлении алюминия. Коррозию обычно можно предотвратить, если прибегнуть к вышеприведенным способам.

4. Оборудование

4.1 Требования, предъявляемые к оборудованию

Схематическое изображение типичной системы РИТ представлено на рис. 10. Электрическая часть включает источник ВЧ-напряжения обычно частотой , средства согласования контура с импедансом плазмы для уменьшения отраженной мощности и средства измерения падающей и отраженной мощности, а также напряжения смещения на электроде, подключенном к источнику питания.

Рис 10. Типичная система РИТ.

Типичная планарная конфигурация реактора для РИТ была модифицирована за счет введения противоэлектрода с независимым питанием, позволяющего разделять ВЧ-мощность между электродами и дающего возможность проводить контролируемое изотропное травление. Получающиеся наклонные стенки протравленного рельефа обеспечивают лучшее перекрытие ступеньки и полную очистку боковых поверхностей рельефа. Промышленная модель этого «гибкого диодного» реактора описана в работе.

В большинстве систем РИТ и плазменных пленарных реакторов подаваемый газовый поток регулируется электронными расходомерами, а распределение газа осуществляется соответствующим образом расположенными разветвленными трубопроводами или через пористые электроды -- распределители. Давление в камере можно регулировать с помощью клапана с изменяемым сечением, связанного сервоприводом с выходом емкостного манометра.

Поскольку время удержания газа существенно для определения скорости травления (см. разд. 3), скорость откачки вакуумной системы имеет принципиальное значение. Поддержание низкого давления при расходах газа, необходимых для РИТ в реакторах как индивидуальной, или поштучной, так и групповой обработки, возможно с помощью насосов Рутса или турбомолекулярных насосов. Загрузочные шлюзы, используемые во многих системах РИТ для исключения попадания атмосферы в камеру травления, также обычно откачиваются механическими насосами, кроме случаев, когда их промывают инертными газами. Водяные пары, если их попадание в камеру не исключается полностью применением шлюзов, могут замедлять определенные процессы травления (например, алюминия) или гидролизовать реакционные газы с образованием кислот и твердых фаз. Так, при гидролизе образуются соляная и борная кислоты; последняя при нормальных условиях представляет собой твердую фазу. Уменьшение влияния водяных паров достигается применением ловушек с жидким азотом или крионасосов, которые, кроме того, конденсируют и летучие продукты реакции травления.

Как и в других плазменных системах, обслуживание откачных средств должно производиться с учетом возможного накапливания в них токсичных газов и продуктов реакций. Выхлоп насосов и газы после продувки ловушек должны направляться в соответствующим образом размещенные вытяжные системы, а с отработанными маслами следует обращаться как с потенциально токсичными жидкостями.

Оборудование должно обеспечивать минимум два, а желательно три варианта плазменной обработки и травления. Для простоты отладки процесса и повышения производительности необходима организация управления с помощью микропроцессора. Использование автоматизированной загрузки пластин также повышает производительность и снижает уровень их загрязнения.

4.2 Выбор оборудования

При выборе оборудования для сухого травления в технологии СБИС следует исходить прежде всего из возможностей, которые оно предоставляет для обработки необходимых материалов и структур с требуемой точностью воспроизведения критических размеров, хорошей равномерностью травления по площади пластины и для разных пластин, высокой селективностью по отношению к резисту и нижележащим материалам, отсутствием осадков, приемлемой скоростью и производительностью. Прилагательные «требуемая», «хорошая», «приемлемая» использованы здесь вместо количественных характеристик, поскольку они основываются на суждениях потребителей, таким образом оценивающих свои потребности и возможности. Количество производителей и типов оборудования для РИТ растет так быстро, что список, представленный в табл. 2, является определенно неполным. Кроме того, оборудование, работающее не в режиме РИТ, описывается в других разделах настоящего издания, и авторы не ставят целью сопоставление всех систем, входящих в категорию оборудования для сухого травления. Однако независимо от принципа действия такое оборудование может быть разделено на два типа различных размеров и разной степени сложности: поштучной (индивидуальной) и групповой обработки.

Таблица 2. Оборудование для реактивного ионного травления.

Исходя из предположения, что при травлении любого специального материала могут быть использованы одни и те же основные химические процессы, можно прийти к заключению преимуществах оборудования поштучной обработки в обеспечении равномерности травления. Так, в этом случае легче разработать и поддерживать равномерное распределение газов, тлеющего разряда и электрического поля для электродов меньшей площади. В системах групповой обработки возможность неравномерного травления иногда можно предотвратить за счет вращения электрода, на котором располагается пластина, но успешность этой меры зависит от природы неравномерности. При индивидуальной обработке точное установление момента окончания травления позволяет автоматически корректировать время травления каждой пластины с тем, чтобы учитывались возможные отклонения толщины обрабатываемого слоя на пластинах партии. В системах групповой обработки такие различия толщины требуют увеличения времени перетравливания, что может привести к повреждению нижележащих слоев или уходу критических размеров даже при высокой селективности.

Как упоминалось выше, потенциально вредный эффект загрязнения камеры за счет запыленности воздуха или атмосферной влаги может быть понижен, если использовать вакуумные или заполненные инертным газом шлюзы вместе с автоматизированными системами загрузки и выгрузки. Оборудование поштучной обработки легче совмещается с такими системами вследствие меньших размеров и простоты манипуляторов для перемещения пластин. Однако, несмотря на отмеченные достоинства устройств индивидуальной обработки, оборудование для групповой обработки также интенсивно развивается. Дополнительным преимуществом автоматической загрузки пластин и изоляции камеры шлюзом является предотвращение контакта оператора с токсичными продуктами или остаточными реагентами процесса травления. В случаях когда такая изоляция не предусмотрена, следует использовать дополнительную промывку камеры газом с последующей откачкой или обработку пластин плазмой инертного или химически активного газа перед их выгрузкой.

От оборудования требуются не только определенные точность травления и другие показатели качества, но и соответствующая производительность. И в этом отношении системы групповой обработки имеют преимущества по сравнению с поштучными. Ни одна из имеющихся на рынке поштучных систем РИТ не обеспечивает превышения скорости травления в системах групповой обработки хотя бы в три раза, тогда как одновременная загрузка последних составляет пластин. Условия проведения процессов в оборудовании индивидуальной обработки, обеспечивающие такое увеличение скорости травления, что оно могло бы конкурировать по производительности с групповыми установками, могут оказаться неприемлемыми для сохранения сплошности применяемых резистов, вызвать уход критических размеров, снижение селективности и повышение плотности радиационных дефектов полупроводника из-за более интенсивной ионной бомбардировки или недостаточное удаление менее летучих продуктов, например хлорида меди при травлении сплавов алюминий --медь. Системы РИТ групповой обработки могут применяться в режимах с умеренными скоростями травления, когда опасность указанных осложнений уменьшается, и обеспечивать таким образом более высокую производительность, особенно при использовании автоматической системы загрузки.

Когда процесс травления необходимо провести в несколько стадий, все пластины в загрузке одновременно проходят требуемую последовательность обработки, в которую входят откачка, стабилизация газовых расходов и т. д. Эти операции могут составлять значительную часть общего времени травления, поэтому продолжительность процесса существенно возрастает, когда такое же количество пластин обрабатывается индивидуально. Некоторые установки индивидуальной обработки оснащаются несколькими камерами и источниками питания, работающими одновременно в целях снижения длительности цикла.

Необходимость разработки процессов травления, отвечающих разнообразным требованиям, предъявляемым технологией микросхем, заставляет во многих случаях отказаться от таких характеристик оборудования, как высокая производительность и сложная автоматизация, чтобы достичь легкости перестройки установки и процесса. Под этим подразумевается ручное управление или легкое изменение программ, возможность изменения межэлектродного расстояния и материалов покрытия электродов, простота доступа к камере и выводам электродов, возможность использования спектроскопических или других методов обнаружения момента окончания процесса, возможность последовательного травления слоя и удаления резиста в смежных камерах, наличие электронных расходомеров, независимо регулируемые давление и температура электродов, наличие дополнительных вводов для диагностических средств. Оборудования, обеспечивающего значительную часть этих возможностей, а также и производительность, достаточную для большинства случаев применения, становится все больше, причем для работы как в режиме РИТ, так и в других режимах.