5. Моделирование сухого травления кремния через маску с помощью плазмы на основе фтора

Рассматривается ионно-лучевое травление кремния через маску при низком давлении с помощью фторуглеродной плазмы. В ходе работы двухмерные профили вытравливаемых тренчей вычисляются с помощью предложенной модели, включающей функциональную зависимость от размера маски, потоков падающих химически активных и неактивных видов плазмы и бомбардирующих ионов. Модель также учитывает процессы адсорбции, гетерогенные реакции, десорбцию, физическое распыление, возбуждение атомов поверхностного слоя и стохастическое смешение монослоев. Особое внимание уделено анизотропии травления, латеральному травлению и элементному составу поверхности тренча. Показано, что формирование защитной плёнки на боковой стенке вытравливаемой канавки увеличивает анизотропию, хотя процесс стохастического смешения приводит к формированию мутированного слоя вблизи поверхностной области. Анализируется толщина мутированного слоя и элементный состав в различных поверхностных областях тренча.

Управляемое распыление с помощью ионного пучка нашло себе широкое применение в изготовление микро- и наноструктур на различных подложках. Для достижения большей эффективности и селективности при травлении особых материалов и их комбинаций, к которым относятся материалы микроэлектроники, реактивные методы применяются с использованием комбинации химических эффектов и соударения ионов с поверхностью. В таком случае получаемая анизотропия от воздействия ионного пучка и химической реакции является синхронной. В процессе формирования тренчей множество элементарных процессов (адсорбция, гетерогенные реакции, десорбция, распыление, диффузия и т.д.), имеющих различную природу, происходят на поверхности. [3] Компьютерное моделирование сухого травления играет важную роль в понимании физики процесса, а также может служить инструментом прогнозирования в случае применения к технологии производства электронных устройств. [4] Дисциплина, занимающаяся данными вопросами известна под названием «Системы автоматизированного проектирования полупроводниковых устройств и технологий» (Semiconductor Devices and Technology Computer Aided Design (SDTCAD)).

Анизотропия, определяемая как отношение скоростей травления в перпендикулярном и параллельном направлениях (относительно поверхности), должна быть абсолютной, то есть с отсутствием латеральной скорости травления, по мере усложнения вытравливаемых структур. Анизотропия может быть получена: (1) за счет увеличения энергии падающих ионов (смещение в 50 В в реакторах РИТ позволяет получить необходимую направленность, но высокая энергия ионов неприемлема в отношении дефектов, вызванных ионным облучением, и даже в случае очень низких энергий ионов (60 эВ) наблюдаются вызванные радиацией дефекты); (2) за счёт уменьшение количества ион-нейтральных столкновений в оболочке плазмы, т.е. за счёт уменьшения используемого давления (при 0.13 Па присутствует менее чем 0.1 средних столкновений на каждый падающий ион); (3) используя сложные химии, обеспечивающие образование пассивационных слоев на боковых стенках, предотвращающих химическое травление материала вдоль вертикальных стенок, однако значительно большая энергия требуется ионам для удаления этого слоя со дна вытравливаемого элемента.

Анизотропия при РИТ часто повышается от процессов образования плёнок, происходящих на боковых стенках получаемых профилей. Данные плёнки, известные как боковые пассивационные слои, снижают или полностью прекращают латеральное воздействие травителя. Боковая пассивация является достаточно общим явлением, наблюдаемым при травлении кремния в плазмах на основе фтора, хлора и брома. В плазме на основе фтора, радикалы и атомы в основном образуются вследствие диссоциации под электронным воздействием, и их парциальные давления в плазме являются величинами одного порядка, однако из-за различия их масс, случайный тепловой поток составляет примерно половину от потока фтора. Более того, коэффициент прилипания атомов , который может быть оценен как единица в условиях плазмы, на поверхности (также как и на поверхности ) выше коэффициента прилипания для радикалов , который меньше чем на поверхности чистого кремния и может быть оценен в несколько десятых. Образование полимера на поверхности в результате адсорбции радикалов , представлено в плазме. Хорошо известно, что геометрия вытравливаемых элементов зависит от отношения в плазме. Латеральное травление кремния может быть устранено и вертикальные профили могут быть получены, если отношение уменьшено (например путем добавления в ).

Количество адсорбированного углерода на поверхности зависит от геометрического положения вытравливаемых элементов. Измерения с помощью Оже спектрометрии показывают, что отношение уменьшается с увеличением глубины изготавливаемого элемента.

В предыдущей работе рассматривалось сухое травление через маску, где двухмерные профили вытравливаемых тренчей были высчитаны как функции размерови геометрии маски, а также параметров ионного потока. Образование нелетучих продуктов на поверхности не было включено. В данной работе включены процессы боковой пассивации как результата адсорбции химически нейтральных образований и возникновении мутированного приповерхностного слоя в процессе стохастического смешивания между монослоями, которое появляется при синхронной поверхностной эрозии и пассивационном образовании. Такой подход более реалистичен и дает возможность получить изменения элементного состава в поверхностных слоях и толщину мутированного слоя в различных точках на поверхности вытравливаемого элемента.

5.1 Модель

Рассматривается травление через маску прямоугольной формы с высотой a и шириной 2b. Скорость травления по оси считается гомогенной. Скорость травления зависит от положения произвольной точки на поверхности . Точка спустя отрезок времени будет занимать положение , где , (, - составляющие нормали к поверхности, (рис. 11) определяется выражением . Зная скорость травления , можно получить зависимость вытравливаемого профиля от времени .

Рис 11. Схема травления пучком ионов с использованием маски

Если образец кремния подвергается воздействию плазмы, содержащей химически активные атомы , то протекает реакция гетерогенного типа . Реакция проходит стадии адсорбции атомов фтора и, следовательно, химическую реакцию. Атомы фтора настолько химически активны, что их время жизни на поверхности в виде атомов пренебрежимо мало в сравнении с временем жизни и . Это позволяет пренебречь присутствием атомов на поверхности при данном подходе. Молекула летучая и легко десорбируется при комнатной температуре. Частота вероятности десорбции , где - среднее время жизни молекулы на поверхности оценивается с помощью закона Аррениуса , где - частота осцилляции атомов в кристалле, а - энергия выхода. Сделаем предположение, что все атомы , попадая на поверхность реагируют с кремнием, образуя молекулы . Скорость реакции характеризуется частотой вероятности реакции , которая определяется согласно закону действующих масс:

(1)

где - константа реакции, - относительный поток падающих атомов фтора, - поток падающих атомов фтора, N - концентрация поверхностных атомов, , и - парциальное давление, объемная концентрация и масса атомов соответственно.

Углерод, в основном, попадает на поверхность в форме радикалов . После возможной диссоциативной адсорбции , углерод адсорбируется в атомарном состоянии.
В данной модели учитывается результирующая адсорбция атомарного углерода. Образование летучих молекул в данной модели не учитывается, так как время жизни адсорбированных атомов F относительно мало, и происходит быстрое образование молекул . Скорость адсорбции атомов углерода пропорционально относительному потоку на поверхность и характеризуется частотой вероятности адсорбции, которая определяется как , где - коэффициент прилипания атома к атому -ого типа на поверхности, а - относительный поток углерода на поверхность.

По мере травления через маску, поток падающих атомов является функцией координат и времени. Двухмерное рассмотрение имеет некоторые особенности, связанные с геометрией маски. Во-первых, выдвигается предположение, что средняя длина свободного пробега падающих на поверхность частиц намного больше характерного размера маски. Это предположение всегда выполняется при рассмотрении травления в плазме низкого давления. Второе предположение заключается в том, что распределение угла отклонения частиц в плазме изотропное, и, что в основном химически активные частицы попадают на поверхность в нейтральном состоянии. Тогда частота вероятностей химической реакции и адсорбции

(2)

Отношение является частью изначального потока атомов, достигающих точки (рис. 1) на поверхности, и предполагается пропорциональным .

В присутствии ионной бомбардировки имеет место процесс физического распыления и возбуждения поверхностных атомов. Возбуждение атомов C и Si на поверхности может быть определено следующими реакции: и , которые характеризуются: (1) частотными вероятностями активации и (где и - константы реакции возбуждения, - относительный ионный поток на поверхности, - поток ионов, - концентрация поверхностных атомов); (2) частотными вероятностями релаксации: и (где - характерное время релаксации). Вероятностная частота активации в случае травления через маску зависит от поверхностной ориентации в произвольной точке. Предполагая, что ионы падают перпендикулярно исходному положению поверхности, частотная вероятность активации будет равна:

(3)

где - проекция единичного вектора на ось .

Частотная вероятность релаксации не зависит от потока падающих атомов и не является функцией координат.

Частотная вероятность распыления для -го типа частиц (где - выход распыления -го типа атомов). В общем, частотная вероятность удаления -го типа атомов состоит из частотных вероятностей распыления и десорбции [3]

(4)

Возбужденные атомы интенсивно реагируют с падающими атомами фтора, имеет место реакция:. Это означает, что 2 типа реакций происходят на поверхности, которые характеризуются (аналогично выражению (1)), частотными вероятностями и . Значения и вычисляются с помощью выражения (2) как:

(5)

Получается, что на поверхности находятся 5 компонентов: , с относительными поверхностными концентрациями, которые должны удовлетворять следующему условию:

.

Скорость травления равна разнице между скоростями десорбции и адсорбции

(6)

где - количество частиц на поверхности, - количество частиц, падающих на поверхность. Предполагая, что невозбужденные атомы Si не удалены, то есть , и возбужденные и существуют только на поверхности, скорость травления с учетом (6) запишется в виде:

(7)

Когда процессы адсорбции и десорбции происходят синхронно, то происходит и стохастическое перемешивание между монослоями. Это значит, что если атом адсорбируется на поверхности, то атом -го слоя превращается в атом -го монослоя, и наоборот, если атом удаляется с поверхности, то атом -го слоя превращается в атом -го монослоя. Таким образом, уравнение баланса для -го компонента в -ом монослое может быть записано как

(8)

Уравнение (8) может быть выражено дифференциальным уравнением в частных производных

(9)

где и ( - толщина одного монослоя). Стационарное решение имеет вид:

(10)

где и - константы интегрирования, определяемые граничными условиями.

Включая упомянутый процесс адсорбции, гетерогенной реакции, десорбции, возбуждения и релаксации поверхностных атомов и стохастическое перемешивание между слоями, поверхностные и приповерхностные концентрации составляющих компонентов как функции времени получаются из следующей системы уравнений баланса:

Зная поверхностные концентрации составляющих решение выражения (11), могут быть получены скорость травления как функция координат и времени (с помощью выражения (7)), а затем и получаемый профиль y=f(x) как функция времени. Состав мутированного слоя вдоль вытравленного профиля может быть получен как функция .

5.2 Результаты и обсуждение

В случае сухого травления через маску, поток падающих реактивных радикалов на поверхность является функцией ограниченного угла (рис. 11). Скорости травления вдоль тренча различаются в зависимости от того, как гетерогенные реакции зависят от потока падающих частиц. Это означает, что несмотря на изотропную природу плазмохимического травления, может быть получена анизотропия, которая зависит от геометрии маски (прежде всего от отношения ). Анизотропия существенно возрастает, когда имеет место ионная бомбардировка дна вытравливаемого элемента. Ионна бомбардировка увеличивает скорость травления вдоль вертикальной оси, но не изменяет скорость по осям и . Полученные профили тренчей (уравнение (11)) в различные моменты времени представлены на рис. 2. Видно, что на начальных стадиях травление в основном зависит от гетерогенных реакций и последующей десорбции летучих продуктов. На более поздних стадиях ионно-возбуждаемый процесс становится более существенным, влияя на травление по оси .

Рис 12. Развитие профиля для выбранного углубления в процессе травления с помощью пучка ионов. Временной интервал . Параметры вычисления следующие:

Латеральное подтравливание является следствием химического травления и сильно зависит от размеров маски. В присутствии потока неактивных частиц происходит пассивация боковых стенок, что приводит к уменьшению подтравливания. Это продемонстрировано на рисунке 13, на котором изображены вычисленные профили вытравливаемых канавок при различных отношениях . Наблюдается уменьшение подтравливания с увеличением отношения .

Рис 13. Развитие профиля выбранного углубления при фиксированном времени и различными пропорциями параметров . Параметры вычисления следующие:

При синхронном травлении и осаждении, происходящем на поверхности, возникает стохастическое перемешивание между слоями. Это вызывает образование мутированного слоя в приповерхностном слое тренча с отличным от кристалла составом. Как следует из выражений (8)-(10), толщина данного слоя зависит от разности между скоростями распыления и осаждения. В случае травления через маску, толщина мутированного слоя выше в тех поверхностных областях, где скорость распыления относительно мала, то есть на боковых стенках. Поток падающих атомов (как реактивных так и нереактивных) на поверхность уменьшается с увеличением глубины вытравленного элемента с уменьшением угла (рис. 11).

По этой же причине, при фиксированной глубине тренча, концентрация нереактивных атомов уменьшается с увеличением отношения . Посчитанная поверхностная концентрация углерода в разных точках поверхности канавки изображена на рисунке 4 как функция отношения .

Рис 14. Зависимость углерода от карбона проявляется при концентрации отношений в различных произвольных точках на поверхности выбранного углубления. Параметры для вычисления следующие:

Рис 15. Профили глубины состава в измеренных слоях концентраций одинаковых (родственных) атомов кремния и углерода в различных произвольных точках на поверхности выбранного углубления для постоянного времени и различных параметров отношений .

(а) ; (b) .

Параметры для вычисления следующие:

Глубина профилей состава из входящих компонент в различных точках поверхности, вычисленная с помощью (11), показана на рис. 15 для различных . Как видно, толщина мутированного слоя и вариации состава более выражены в областях боковых стенок и увеличиваются с уменьшением . Для фиксированного значения толщина измененного слоя выше в областях тренча с большим наблюдаемым подтравливанием. На дне тренча изменение состава незначительно. Это связано с относительно более высоким значением скорости распыления, вызванного ионной бомбардировкой. Однако, в реальности, толщина мутированного слоя на дне вытравливаемого элемента может быть увеличена из-за радиационной диффузии, не рассмотренной в представленной модели.

Заключение

Реактивное ионное травление является эффективным средством точного и селективного переноса топологического рисунка с размерами до субмикронного диапазона. Причем максимальное разрешение процесса еще не достигнуто из-за невозможности получения на маске необходимых малых размеров различными методами литографии. Из этого не следует, что с помощью РИТ можно воспроизвести рельеф с вертикальными стенками и обеспечить полную сохраняемость критических размеров через маски, полученные любым литографическим способом. Профиль резистивной маски и ее термическая и плазмохимическая стойкость (так же, как и примеси, условия на поверхности камеры, незначительные изменения состава обрабатываемого материала и т. д.) в существенной мере определяют точность и надежность процесса РИТ.

Как показано в данной работе, РИТ обеспечивает возможность получения различных топологических рисунков и структур, создание которых невозможно с помощью жидкостных или других изотропных и неселективных методов травления. Реактивное ионное травление широко используется менее пяти лет, и еще многие проблемы ждут своего полного решения. Это такие проблемы, как внесение загрязнений, радиационные повреждения, воспроизводимость при высокой производительности и др. Сложные взаимодействия между компонентами плазмы, процессы на поверхности твердого тела, роль электрических полей, газовая кинетика -- все эти вопросы требуют дальнейшего изучения и разработки количественных оценок. Можно с уверенностью утверждать, что РИТ в значительной степени расширило возможности создания приборов и использования различных материалов, и этот процесс будет продолжаться по мере распространения оборудования реактивного ионного травления.

Список используемой литературы

1. N. G. Elinspruch, D. M. Brown "VLSI Electronics Mircostructure Science". Москва "Мир" 1987; стр 253-293.

2. Coburn J. W., Winters H. F., J. Appl. Phys., 50(5), 3180 (1979).

3. Coburn J. W., Winters H. F., Chuang T. J., J. Appl. Phys., 48, 3532 (1977).

4. R KnizikeviEius,” A Galdikas,“fb A Grigonis,” L PraneviEiusb and 2 Rutk~nien~,” “Physics Department, Kaunas University of Technology, 73 DonelaiEio St., LT-3006 Kaunas, Lithuania; Physics Department, Vytautas Magnus University, 28 Daukanto St., LT-3000 Kaunas, Lithuania

5. Gottscho, R. A., Jurgensen, C. W. and Vitkavage, D. J., J. Vuc. Sci.Technol., 1992, BlO(S), 2133.

Размещено на Allbest.ru