Установка реактивного ионного травления (Раздаточные материалы)

ÍÎÂÛÅ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈОдна из важнейших технологических операций приЕ.Берлин, Н.Морозовский, Л.Сейдманизготовлении современных полупроводниковыхприборов с минимальными размерами элементов0,1 мкм и менее – прецизионное вытравливаниесформированного литографией рисунка. Для этогоскорость травления в направлении, перпендику#лярном поверхности, должна быть максимальной,а в боковом направлении – минимальной. Но ани#зотропное травление некоторых специальных мате#риалов (нитрида кремния, двуокиси кремния, нит#рида галлия, арсенида галлия и т.п.) с помощьютрадиционных химических процессов – задачапрактически неразрешимая. С ней может справить#ся ионное травление. Но из#за высокой энергии ио#нов (порядка 500–1500 эВ) глубина нарушенногослоя в полупроводнике достигает 20 нм, что резкоухудшает параметры полупроводникового прибора.Лучшие результаты обеспечивает реактивное ион#ное травление. Поэтому несомненный интереспредставляет созданная в НПП "Тирс" установкареактивного ионного травления, отвечающая ос#новным требованиям технологии производстваполупроводниковых приборов, т.е.

позволяющаятравить необходимые материалы как с высокойскоростью, так и с максимальной анизотропией.Конструкция установки. При реактивном ионном травленииповерхность материала подложки бомбардируется направленнымпотоком ионов и ненаправленным потоком радикалов, образующихся в результате диссоциации технологического газа в плазме [1].Энергия ионов при этом не превышает 50–200 эВ, что в большинстве случаев безопасно для кристаллической решетки полупроводника.Необходимая высокая скорость травления достигается благодаря химическому взаимодействию активированных частиц технологического газа с материалом подложки, в результате чего образуются летучие продукты, удаляемые откачными средствами. В рассматриваемом устройстве новой конструкции – так называемом "источнике ионов высокой плотности" [2] эти потоки формируются в индукционномВЧплазменном разряде, известном как "трансформаторносвязанная плазма" [3–6].ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 2/2003Установка реактивного ионного травления выполнена в виде двухотдельных модулей: рабочей камеры с вакуумным постом и стойкипитания и управления.Вакуумная (рабочая) камера содержит: водоохлаждаемыйстолик диаметром 160 мм, на котором размещаются обрабатываемые подложки диаметром до 150 мм; излучатель ВЧмощности(антенну), обеспечивающий равномерную обработку подложек; устройство лазерного контроля глубины травления, смонтированное наспециальном каркасе и подключенное к блоку управления с выходомна самописец; размещенную в плоскости столика за пределами вакуумного объема на специальных кронштейнах электромагнитную систему, состоящую из двух электромагнитных катушек с сердечником идвух плоскопараллельных магнитопроводов (рис.1).Столик крепится на верхней крышке вакуумной камеры, через которую проходят электрические выводы и вывод зонда Ленгмюра,предназначенного для контроля плотности ионного тока.

Антеннапредставляет собой цилиндр внешним диаметром 220 мм и высотой50 мм. Для нее предусмотрены коаксиальный герметичный подводВЧмощности и вводы водяного охлаждения. Корпус антенны, отделяющий ее от плазмы, сделан из кварца толщиной 4 мм. Внутри корпуса расположены четыре спиральные катушки, витки которых выполнены из плоской меди толщиной 2 мм. Особенность конструкции антенны – вложение спиралей друг в друга, т.е. совмещение их в одномобъеме. Это позволило уменьшить габариты антенны и сконцентрировать излучаемую ею мощность.

Поэтому при сравнительно невысоких значениях ВЧмощности удалось получить высокую концентрациюплазмы. Антенна смонтирована на отдельном фланце и располагается соосно с рабочим столиком на расстоянии 90 мм от обрабатываемой подложки. На этом же фланце вне камеры монтируется специальное устройство согласования антенны с генератором.Назначение электромагнитной системы – создание в случае необходимости в рабочей зоне магнитного поля, например при работе ссильно диссоциирующими газами, когда зажигание плазмы в камеревызывает резкое изменение давления и требуется "досогласовывать"ВЧмощность с плазмой.

Заранее созданное магнитное поле напряженностью всего 10–15 Гс существенно упрощает процесс такого согласования. Потребляемый системой ток регулируется от нуля до 3 А.Вакуумная система установки подсоединена к вакуумной камеречерез электромеханический затвор ЗВЭ160. В нее входят форвакуумный насос 2НВР16DSP, диффузионный насос Н160 со скоростьюоткачки 0,7 м3/с и заливная азотная ловушка c диаметром условногопрохода 160 мм. Ловушка с жидким азотом позволяет существенноснизить влияние на процесс травления водяных паров, попадающихв рабочую камеру из остаточных газов. Она также конденсирует летучие продукты реакции травления и большинство применяемых рабочих газов, практически полностью предотвращая их попадание в диффузионный насос.

Дроссельная заслонка в патрубке, соединяющемвакуумную камеру с откачной системой, позволяет плавно регу54лировать скорость откачки камеры: иногда для облегчения зажигания • магистраль сухого азота, используемого для двухтрехкратной очиплазмы при предельно низких рабочих давлениях необходимо уменьстки камеры от остатков технологических газов и в качестве газошать эффективную скорость откачки и, тем самым, увеличивать давбалласта;ление рабочих газов в камере.

После зажигания заслонка снова от • линия слива охлаждающей воды;крывается. Масло в обоих насосах меняется одновременно через два • магистраль вытяжки выхлопа форвакуумного насоса.месяца двухсменной работы (срок, в течение которого накапливаетсяРабота установки. После установления в камере требуемого подостаточно большой объем токсичных газов и продуктов травления).

технологии остаточного давления (реально достижимое не хужеВсе газовые магистрали установки выполнены из нержавеющей 6·104 Па) в нее напускают технологические газы. Чем ниже их рабостали. Система управления газонапуском находится на лицевой пане чее давление, тем ниже скорость травления, но выше его анизотроли вакуумного поста в удобном для оператора месте.пия. Поэтому для прецизионного травления рабочее давление выбиГазовая система установки состоит из трехканального устройства рается равным примерно 6·102 Па, а для ускоренного травления –управления газонапуском и трех каналов газонапуска на базе расхо 4·101 Па. Затем включается ВЧгенератор в режиме стабилизировандомера РРГ9 с электромагнитными запорными клапанами.

Расход ной мощности.рабочего газа регулируется от 0 до 0,1 Вт. Пересчет показаний расИзмерения параметров плазмы показали, что плотность ионногоходомера в вольтах в поток соответствующих газов, выраженный в тока практически линейно зависит от ВЧмощности, подводимой к анваттах, осуществляется путем умножения показаний на градуировоч тенне (рис.2).

А от плотности этого тока, в свою очередь, непосредстный коэффициент, свой для каждого газа: аргона, кислорода, шести венно зависит плотность плазмы, что и позволяет оценить ее по графтористой серы и четыреххлористого кремния.фикам, приведенным на рис.2. Согласно оценочному расчету, приСтойка питания и управления располагается вплотную к ваку мощности 800 Вт концентрация плазмы превышает 1·1012 см3. Кроумному посту. Она состоит из блока управления вакуумной системой, ме того, из рис.2 следует, что значение плотности ионного тока увеВЧ и НЧгенераторов, многоканального вакуумметра БПДВ, источни личивается с ростом давления технологического газа (пропорциоков питания электромагнитов и лазера. Ее мощность не превышает 7 нального потоку).кВА.

Сверху на стойке крепится ВЧгенератор УВ1 на частоту 13,56Без подачи на столик ВЧ или НЧмощности его потенциал отноМГц, выходная мощность которого регулируется в диапазоне от нуля сительно плазмы составляет всего несколько вольт. Этот потенциал,до 1000 Вт. В этот генератор, предназначенный для питания антенны, определяющий энергию ионов, бомбардирующих поверхность столивстроено устройство управления схемой согласования мощности ан ка, возрастает при подаче на него мощности ВЧ или НЧгенератора.тенны с плазмой. Над ВЧгенератором расположен НЧгенератор, с Максимальное значение этой мощности зависит от стойкости испольвыхода которого снимается сигнал смещения рабочего столика в виде зуемых фото или электронорезистов. В проводимых экспериментахмеандра.

Частота НЧгенератора100 кГц, поэтому ему не требуется согласующего устройства. Вгенераторе предусмотрена возможность измерения напряженияавтосмещения столика. Он такжеиндицирует ионный ток в цепи генератора и амплитудное значение НЧнапряжения. Для обеспечения последующей модернизации установки вместо НЧгенератора для питания рабочего столика на стойке может быть установлен второй генератор типа УВ1.При этом на кожухе согласующего устройства антенны следуетустановить отдельный прибор измерения автосмещения столика,а само согласующее устройстворасположить в нижней задней части рабочей камеры и соединитьего ВЧкабелем с рабочим столиком и ВЧгенератором, подающим смещение на столик.Кроме электропроводки к установке подводятся:• линии подачи охлаждающейводы с температурой от 10 до25°С под давлением от 3·105до 5·105 Па;• линия технологических газов сдавлением 105–1,5·105 Па;Ðèñ.1.

Êîíñòðóêöèÿ âàêóóìíîé êàìåðû55ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 2/2003ÍÎÂÛÅ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈУстановка была использована также для травления выращенных насапфировой подложке эпитаксиальных структур нитрида галлия припроизводстве светодиодов синего излучения. Процесс проводили вплазме смеси газов, содержащих хлористые соединения при оченьнизких рабочих давлениях (менее 0,1 Па). Мощность в антенне не превышала 400 Вт, смещение при использовании НЧгенератора – 200 В.Глубина травления составляла 1,4 мкм, скорость травления – не менее 0,12 мкм/мин.

Точность прекращения процесса травления по достижении заданной глубины была не хуже 100 нм (при использованиилазерного измерителя). Здесь проявилось одно из главных достоинствустановки – малые радиационные повреждения приповерхностныхслоев нитрида галлия благодаря низкой энергии ионов. В результате кпротравленным областям получены контакты хорошего качества.Ðèñ.2. Çàâèñèìîñòü ïëîòíîñòè èîííîãî òîêà íà çîíäå îò ïîäàâàåìîéПри травлении монокристаллического кремния на установкеÂ×-ìîùíîñòè ïðè ôèêñèðîâàííûõ çíà÷åíèÿõ ðàñõîäà ãàçà"Эра3М" скорость травления при давлении элегаза 0,5 Па и мощноточное значение мощности (от 70 до 300 Вт в случае ВЧгенератора) сти антенны 750 Вт достигала 3 мкм/мин.

В том же процессе скоростьустанавливали так, чтобы потенциал автосмещения был равен травления термически выращенной двуокиси кремния была в пять раз150–200 В. В этом диапазоне потенциала скорость травления окисла ниже. При травлении такой же пленки, но с маской из обычного фокремния составляла 0,4 мкм/мин, кремния – 1 мкм/мин и нитрида торезиста, с использованием гелиевого теплоотвода скоростьгаллия – 0,12 мкм/мин (естественно, в различных технологических составила 0,4 мкм/мин при очень высоком разрешении. Селективность по поликремнию составила 1/3, что при равномерности травлесредах и при различных давлениях).Применение установки.