НТУУ “КПИ” РТФ

Доклад

тема: “Травление п/п ИМС”

Выполнил:

студент 2-го курса

группы РТ-22

Кираль С. О.

Kиев 2004

Введение

Одним из определяющих технологических процессов в микроэлектронике в течение более 40 лет продолжает оставаться литография. Литография или микролитография, а сейчас может быть уместно, говорить о нанолитографии, предназначена для создания топологического рисунка на поверхности монокристаллической кремниевой пластины. Базовый литографический процесс представлен на рис. 1 и включает в себя, по крайней мере, 10 ступеней. Темой нашей лекции будут только два этапа, связанные с непосредственным переносом изображения маски на поверхность полупроводниковой структуры (ступени 8 и 9).

	1. подготовка поверхности (промывка и сушка)
	2. нанесение резиста (тонкая пленка полимера наносится ценрифугированием)
	3. сушка (удаление растворителя и перевод резиста в твердую растворимую фазу)
	4. совмещение фотошаблона и экспонирование (положительный резист под действием света переходит в нерастворимую фазу)
	5. проявление резиста (промывка в растворителе, удаляющем неэкспонированный резист)
	6. стабилизирующий отжиг (удаление остатков растворителя)
	7. контроль и исправление дефектов
	8. травление (непосредственный перенос рисунка маски на поверхность полупроводниковой структуры)
	9. удаление фоторезиста
	10. финишный контроль
Рис. 1 10 ступеней литографического процесса

Долгие годы для проведения травления использовались различные влажные химические процессы (термин влажные подразумевает использование для травления полупроводниковых структур водных и безводных растворов химически активных компонентов). Однако необходимость непрерывного повышения степени интеграции и информационной емкости микросхем привело к тому, что влажные процессы не могли обеспечить необходимого разрешения.
Для демонстрации этого утверждения рассмотрим один из элементов таких широко применяемых микросхем как динамическую память с произвольным доступом (DRAM).

Благодаря тому, что новые поколения компьютеров требуют все большей и большей емкости память, а также тому, что в составе этих микросхем используются огромное количество однотипных элементов, эти микросхемы обладают наивысшей степенью интеграции

Рис. 2 ячейка памяти с trench конденсатором

На рис. 2 показана одна из ячеек памяти DRAM чипа разработанного фирмой IBM. В состав ячейки входят МОП транзистор и конденсатор для хранения информационного заряда. В данном случае конденсатор имеет конфигурацию так называемого траншейного (trench) конденсатора. Он имеет ширину 0,25 мкм и технология его изготовления включает несколько литографических операций с разрешением 0,15 мкм. Всего же для изготовления такой микросхемы необходимо более 20 литографических операций с травлением самых различных материалов: кремния, диоксида кремния двух типов, поликремния, алюминия или меди, вольфрама.

Влажные процессы травления имеют очень высокую селективность и с успехом ис-пользуются при изготовлении микросхем с размерами микронного масштаба. Однако при травлении линий с субмикронным разрешением и одновременно с высоким отношением высоты линии к ее ширине влажные процессы перестают работать. Можно выделить следующие причины, лимитирующие применение влажных процессов.
1. Размер рисунка не может быть меньше 2 мкм.
2. Влажное травление – изотропный процесс, что приводит к формированию рисунка с наклонными стенками.
3. Влажное травление требует многоступенчатой промывки и сушки.
4. Используемые химикаты, как правило, сильноядовиты и токсичны.
5. Влажные процессы вносят дополнительные загрязнения.
Все это привело к тому, что вначале 70 годов основным технологическим процессом травления стали различные формы плазменной обработки.
Обычно выделяют две разновидности плазменных процессов травления – непосредственно плазменные и ионнолучевые. Под плазменными понимаются процессы, в которых обрабатываемая подложка или ее держатель являются в той или иной мере элементами плазменного реактора и участвуют в ионизации рабочего газа. Так как удаляемые травлением слои, как правило, имеют высокое сопротивление (изоляторы или полупроводники), то для исключения зарядки поверхности используют высокочастотный разряд. В ионнолучевых процессах обработка подложек происходит потоком ионов или нейтральных частиц, образованных в автономном источнике.
На рис. 3 представлена классификация процессов, используемых в микроэлектронике для травления полупроводниковых структур.

Плазменное травление

В плазменном травлении, которое иногда называют физическим травлением, реализуется хорошо известный и широко применяемый (например, для осаждения тонких пленок) процесс катодного распыления подложки ионами инертного газа. Однако эта техника не получила широкого применения по причине низкой селективности процесса.
Высокая селективность достигается в реактивном плазменном процессе. Суть этой техники достаточно прозрачна. Различные формы разряда формируют в плазмообразующем газе химически активные частицы, которые, взаимодействуя с поверхностью полупроводника или металла, образуют легко летучие химические соединения, удаляемые вакуумной системой.

Рис. 3 классификация процессов травления в литографии

Первыми были разработаны реакторы цилиндрического типа (barrel etcher). В подобных реакторах обрабатываемые подложки помещаются в центре вакуумной камеры, а ВЧН-разряд создается внешней катушкой (см. рис.4).

Таблица 1. Материалы для которых необходимы процессы травления

Материал	Применение
Моно Si	Базовые кристаллы
Термическая SiO2	Маска при травлении Si
Химически осажденная SiO2	Подзатворный диэлектрик, изоляция между слоями
Si3N4	Маска в некоторых операциях травления, диэлектрик в структурах с накоплением заряда
Al, Cu, W	Металлизация
Сr	Фотошаблоны
Та, Ti, Mo	Подслой
Та2O5	Диэлектрик в структурах с накоплением заряда
TiN	Подслой

В таких реакторах ионы движутся не перпендикулярно к подложке, что приводит к изотропному травлению и формированию рисунка с наклонными стенками. Другим недостатком цилиндрических реакторов является то, что в подобных системах ионы приобретают достаточно высокую энергию. Это приводит к созданию различного рода радиационных дефектов в полупроводниковых структурах. Для снижения плотности дефектов в цилиндрических реакторах вводится дополнительная экранирую-щая сетка, которая изолирует зону разряда от обрабатываемых пластин (см. рис. 5). В этом случае реализуется так называемое радикальное травление – происходит химическое взаимодействие поверхностных слоев с электрически нейтральными реактивными свободными радикалами, всегда присутствующими в плазме используемых реактивных газов.
Цилиндрические реакторы широко применяются для создания микроструктур с низкой и средней степенью интеграции, когда размер топологических линий не превышает 1-2 мкм.

Рис. 4 цилиндрический плазменный реактор	Рис. 5 плазменный цилиндрический реактор с защитной сеткой

Для прецизионного травления былиразработаны планарные реакторы. Схема такого реактора представлена на рис.6. Полупроводниковая подложка располагается на плоском ВЧ электроде. Над ней размещается плоский заземленный электрод, который, как правило, снабжен сложной зонтичной системой подачи реактивного газа для увеличения однородности травления. В таких системах достигается предельная на сегодняшний день анизотропность травления, так как ионы движутся практически перпендикулярно к поверхности подложки. Для увеличения анизотропии травления в таких системах используют дополнительное смещение подложки постоянным напряжением. Производительность таких систем определяется плотностью плазмы и, следовательно, рабочим давлением. Стремление к снижению различных загрязнений требует работы при низких давлениях, это в свою очередь увеличивает длину свободного пробега электронов и снижает плотность ионов в плазме. Компромиссные рабочие режимы достигаются при давлениях в десятки миллиТорр.
Увеличение производительности планарных реакторов требует применения более сложных плазменных систем, в которых используются различные приемы увеличения плотности плазмы. В первую очередь разрабатывались реакторы, в которых для увеличения длины свободного пробега электронов вводится параллельное подложке магнитное поле. Такой тип разряда известен как разряд Пеннинга, магнетронный разряд или разряд в скрещенных электрических и магнитных полях. Действие силы Лоренца приводит к сложному криволи-нейному движению электронов вблизи рабочей поверхности, что увеличивает число актов ионизации и приводит к формированию плотного плазменного поля вблизи поверхности подложки.

Отметим, что применение таких систем для создания субмикронных рисунков выдвигает очень высокие требования к однородности магнитного поля.
Разработка новых плазменных систем для травления микроструктур продолжается по самым различным направлениям. Для получения плазмы высокой плотности, но горящей при низком давлении используется системы с СВЧ возбуждением разряда. При этом часто создаются сложные системы электрических и магнитных полей позволяющие реализовать режимы электронного циклотронного резонанса, возбуждения геликоидальных волн и т.д.

В настоящее время наиболее перспективным считаются системы, которые получили название реакторы с индуктивно-возбуждаемой плазмой (inductively coupled plasma, ICP etcher). Высокую анизотропию травления можно достичь в системах, когда ионы атакуют поверхность травления, двигаясь по перпендикулярным к ней направлениям. Такой режим легко реализуется в плазменных система с конденсаторным расположением электродов (Е-разряд), т.е. в обычных планарных реакторах (рис. 6).