Travlenie (Травление п/п ИМС), страница 2

Рис. 6 схема типичной конструкции планарного реактора

Однако более плотную плазму проще получить в индуктивно возбуждаемом разряде (Н-разряд). Разработчики технологического оборудования попытались совместить в одной системе оба типа разряда, что привело к соз-данию систем, схема которых представлена на рис. 7. Плазменное поле создается индуктивным ВЧ разрядом, возбуждаемым генератором 1. Частота генератора и конструкция катушки оптимизированы для получения плазмы высокой плотности. Реактивные ионы экстрагируются из плазменного поля ВЧ смещением поодложкодержателя с полупроводниковой пластиной, создаваемым генератором 2. Как правило, частота генератора 2 ниже частоты генератора 1 и она, наряду с амплитудой напряжения, определяет энергию ионов падающих на обрабатываемую пластину. Таким образом, в ICP реакторах возможно раздельное управление плотностью плазмы и энергией реактивных ионов. Отметим, что оптимизация энергии ионов возможна и в обычных планарных ректорах, в которых обычно осуществляется дополнительное смещение подложки источником постоянного напряжения. Меняя величину и полярность этого напряжения можно в определенных пределах изменять энергию ионов.

Обладая целым рядом преимуществ и удовлетворяя практически всем требованиям для прецизионного травления, ICP реакторы фактически являются стандартным оборудованием при производстве микросхем с субмикронным разрешением.

Анализ ключевых аспектов плазменного травления

Скорость травления. Скорость травления определяется многочисленными факторами, главными из которых являются: конфигурация плазменной системы, оптимальный выбор плазмообразующих газов, ВЧ мощность и рабочее давление. Как уже отмечалось выше, наиболее оптимальной является конструкция, обеспечивающая получение плазмы высокой плотности. Использование систем типа ICP реакторов с ВЧ генераторами с мощность от 0,5 до 2 кВт позволяет создать вблизи поверхности подложки плотность ионов от 3*10¹⁰ до 3*10¹² см^-3 . Рабочее давление влияет на скорость изотропность и однородность травления через изменение длины свободного пробега ионов. Высокое давление увиличивает однородность процесса, но приводит к изотропному травлению и снижению величины скорости процесса. Понижение давления улучшает разрешение процесса за счет усиления анизотропии процесса, увеличивает скорость травления, но увеличивает число радиационных повреждений в микроструктурах. В современных системах оптимальное давление лежит в пределах от 0,2 – 50 мТор.

Рис. 7 схема типичной конструкции ICP реактора

Сильное влияние на скорость травления оказывает правильный выбор реактивного газа или смеси газов. Однако подбор оптимальной газовой среды определяется не только производительностью процесса, но и достижением высокой селективности травления. В зависимости от конструкции микроструктуры и следовательно комбинации ее материалов скорости травления могут изменяться от 600 до 2000 A/мин.
Селективность. Селективность определяется через отношение скоростей травления различных пар материалов, входящих в состав микроструктуры. При проведении процесса травления ключевым моментом является оптимальная остановка процесса и отсутствие такого нежелательного явления как перетрав (overeth), заключающийся в травлении нижележащего слоя.. В идеале время травления можно рассчитать, зная толщину удаляемого слоя и скорость травления материала в заданных условиях. Однако на практике всегда присутствую такие негативные явления как неоднородность толщины и состава обрабатываемых слоев. Кроме того, при травлении сложных многоплановых структур проявляются эффекты различия скоростей травления для малых и больших площадей (microloading). Этот эффект присутствует, например при вскрытии контактных окон в сложных структурах. Кроме того, обрабатываемые слои на различных участках схемы могут иметь различные толщины, что так-же приводит к перетраву.
Вторым важным моментом при рассмотрении проблемы селективности есть оптимальное соотношение скорости травления удаляемого слоя и фоторезиста. Сухие плазменные процессы имеют достаточно высокие скорости травления резистов. Особенно сильно эта проблема проявляется при травлении с высоким разрешением, так как в этом случае толщина резиста не может превышать толщины линии, или при получении структур с высоким отношением высоты линии к ее ширине.
Для выбора оптимальной селективности процесса используют следующие приемы и методы
1. Выбор оптимального реактивного газа.
2. Выбор оптимальной скорости травления
3. Снижение концентрации реактивного газа при завершении процесса травления.
4. Введение в систему различных устройств определения окончания процесса (endpoint detector).
Возможность травления структур с высоким отношением высоты линии к ее ширине. Новые конфигурации транзисторных структур с вертикальным расположением активных областей (полевой транзистор с вертикальным каналом, туннельный резонансный транзистор и т.д.) предъявляют новые требования к технологии травления. В частности она должна обеспечивать травление линий, в которых высота в несколько раз превышает ширину линии (lines with high-aspect-ratio features). При этом возникает целый ряд специфичных проблем, главная из которых заключается в неоднородном заряжении микроструктур (aspect ra-tio charging or electron shadowing). Суть этого явления заключается в следующем: плазма обычно заряжена положительно по отношению к стенкам реактора и обрабатываемой по-верхности. Положительные ионы движутся из поля плазмы перпендикулярно к поверхности. Электроны в общем случае не попадают на поверхность пластин.

Рис.8 cхема реактора с магнитной ловушкой для горячих электронов.

Однако в системах с высокой плотностью плазмы, при большом положительном смещении полупроводниковой пластины, наблюдается существенный поток горячих электронов (с энергией до 10000-50000 К) к обрабатываемой поверхности. Так как электроны имеют большую энергию, то это движение носит диффузный и, следовательно, изотропный характер. Электроны захватываются верхними диэлектрическими слоями микроструктуры, что приводит к отрицательному заряжению этих слоев по отношению к слоям, формирующим дно линии. Это приводит к появлению большой разности потенциалов, котрая формирует электрическое поле отталкивающее положительные ионы от дна микрорельефа на стенки линии, что проявляется в боковом перетраве и формировании линий с невертикальными стенками.Предлагаются различные приемы снижения отрицательного заряжения поверхности пластин. Один из них заключается в импульсном возбуждении плазмы высокой плотности. В то время, когда обрабатываемая поверхность поляризуется положительно, возбуждающий плазму импульс выключается. Показано, что за время порядка 10 мкс горячие электроны сбрасывают свою энергию приблизительно до единиц эВ, что существенно снижает эффект заряжения. В ряде разработок используются различные ловушки горячих электронов, двигающихся по направлению к обрабатываемой пластине. Одна из таких конструкций приведена на рис. 9. На горячие электроны при их движении к подложке действует сила Лоренца препятствующая их проникновению к обрабатываемой поверхности.
Отметим, что создание реакторов с высокой плотностью реактивных ионов и холодной электронной компонентой является все же не решенной задачей, и технологи чаще пользуются различными приемами защиты боковых стенок линий, введением различных пассивирующих добавок в плазмообразующие смеси. Так, например, при травлении Si добавка кислорода приводят к тому, что оксидная фаза образующаяся на вертикальных и горизонтальных поверхностях микроструктуры медленнее стравливается с боковых поверхностей.

Рис.9 cхема ионно-лучевого травления

Материалы. Для реализации реактивного травления необходимо обеспечить появление в ходе плазмохимических реакций на поверхности образование легколетучих компонентов, т.е. веществ с низкой температурой плавления и испарения. Такими свойствами обладают фториды, хлориды и некоторые гидратные формы полупроводниковых соединений. Именно поэтому для реактивного травления используются газообразные соединения F, Cl иногда Br. В таблице 2 приведены основные плазмообразующие газы используемые для реактивного травления.
Важной материаловедческой проблемой остается сильная химическая активность реактивной плазмы и химических продуктов процесса травления. Особенно это относится к Cl содержащим газам. Их применение предъявляет высокие требования к коррозионной стойкости конструкционных материалов реактора, нанесение различных пассивирующих покрытий и тщательной процедуры очистки реактора и обрабатываемых изделий от остатков процесса травления. Серьезной проблемой остается химическая стойкость рабочих жидкостей турбомолекулярных и механических насосов. Все это приводит к тому, что существует общее стремление к использованию плазмообразующих газов на основе фторуглеродных соединений (CnFv).
Резист. Одной из ключевых проблем субмикронной литографии является низкая стойкость к плазменным процессам существующих резистов. Представляя собой органические полимерные композиции они легко разрушаются в ходе плазменного травления. Кроме того плазменная обработка сопровождается определенным нагревом обрабатываемой поверхности, что приводит к дополнительной деградации резистивного слоя. При создании структур с высоким отношением высоты линии к ширине толщина резиста не может превышать ширину линии. Это приводит к необходимости использования сложных многослойных резистов, в которых обычные полимерные композиции обеспечивают высокую экспозиционную чувствительность, тогда как другие добавляют необходимую плазмо- и термостойкость. Альтернативный подход заключается в разработке принципиально новых резистов на основе неорганических материалов, которые по своей природе имеют высокую стойкость к плазменным и термическим обработкам.

Таблица 2. Реактивные плазмообразующие газы

Материалы	Используемые газы	Новые газы	Примечания
Si	SF6 + CHF3; CF4+ CHF3; CF4 + O2	C2F6; C3F8	CHF3 – пассивирующий газ
SiO2	CF4; CCl2F2; SF6 + CHF3	C2F6; C3F8
Поли Si	Cl2 или BCl3 + CHF3 или CCl4	HBr + O2	CHF3 или CCl4 -пассивирующие газы
Al	Cl2 ; BCl3	HBr + Cl2	Нет загрязнений C
Si3N4	CCl2F2 ; CHF3	CF4 + H2
W	SF6 + Cl2 + CCl4	.NF3 + Cl2	Не травит ТiW, TiN
TiW	SF6 + Cl2 + O2	SF6
GaAs	CCl2F2	SiCl4 + SF6	Не травит AlGaAs
InP	нет	СH4 + H2