ЭЛИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Вакуумно-плазменное травление,
ионно-лучевая обработка и ионная
имплантация. Измерения и контроль
в вакууме.
Вакуумно-плазменное травление
CD –
диск
Операция вакуумно-плазменного удаления поверхностного слоя (травления) может
применяться как перед нанесением тонких пленок (с целью удаления оксидного слоя,
очистки и активации поверхности), так и для получения требуемого микрорельефа
поверхности. Она включает в себя:
- загрузку подложек в вакуумную (рабочую) камеру;
- откачку камеры (для установок периодического действия) и напуск рабочего газа;
- включение источника травления;
- контроль процесса окончания травления;
- разгерметизацию рабочей камеры (для установок периодического действия) и выгрузку
обработанных изделий.
С помощью вакуумно-плазменного травления можно обрабатывать полупроводниковые
материалы, металлы, диэлектрики, оксиды, нитриды, карбиды, алмаз, камни,
высокомолекулярные соединения и т.д., причем как в монолитном, так и в
тонкопленочном виде. В качестве инструмента травления используются: газоразрядная
плазма (инертные и химически активные газы); ионный луч (Ar+, Kr+, Cl+, F+ и др.);
атомный и молекулярный пучок (Ar, Kr, Cl2, F2, O2, H2 и др.). Глубина травления может
составлять от 0,05 до нескольких микрометров, а минимальная ширина линии травлении
0,1 - 0,5 мкм.
Схема современной СБИС в разрезе
Изображение канавок шириной 0,16 мкм и
глубиной 0,55 мкм
В зависимости от вида обрабатываемого материала, требований по точности размеров
микроструктур и производительности оборудования применяются различные способы
вакуумно-плазменного травления (см. таблицу).
При использовании шлюзовых загрузочных систем главным резервом повышения
производительности оборудования является скорость травления, которая в зависимости от
применяемого способа может колебаться от 0,01 до 500 нм/с.
Выбор способа травления заключается в определении приоритетных характеристик:
наименьшей селективностью травления и наименьшей погрешностью размеров обработки
обладает ионное травление ("ИТ"); наибольшую скорость травления и наименьший
нарушенный слой обрабатываемой поверхности можно получить при химическом травлении
("ХТ"); наилучшим сочетанием точности обработки и производительности оборудования
обладает ионно-химическое травление ("ИХТ").
6.Классификация методов вакуумно-плазменного травления
Ионно-плазменное травление (ИПТ)
Ионное
травление
(ИТ)
+
+
+ Ar+, Kr+
Ионно-лучевое травление (ИЛТ)
h
0
Атомно-лучевое травление (АЛТ)
Реактивное ионно-плазменное
травление (РИПТ)
+
+
+ Cl+, F+, O+,H+
Ионнохимическое Реактивное ионно-лучевое
травление
травление (РИЛТ)
(ИХТ)
Реактивное атомно-лучевое
травление (РАЛТ)
Газовое травление (ГТ)
Химическое
травление
Радикальное травление (РТ)
(ХТ)
Плазмо-химическое
травление (ПХТ)
1/2 h
Cl, F, CF4, O2, H2
h
3
2
1
1 – подложка; 2 – слой толщиной h; 3 – маска; - погрешность травления.
При ионном травлении ("ИТ") скорость травления (физического распыления материала) равна:
V ИТ
ji SM
м/с, где ji – плотность ионного тока, А/м2; S – коэффициент распыления, атом/ион; M –
q e N A молекулярная масса, кг/кмоль; qe - заряд электрона, Кл; NA - число Авогадро,
молекул/кмоль; - плотность материала, кг/м3
При химическом травлении ("ХТ") скорость травления (спонтанной химической реакции) равна:
V ХТ
q хач хр y хр M м/с, где qхач – плотность потока химически активных частиц (ХАЧ) на поверхность
q хач
хр
NA
p
'
хач
NA
материала, ХАЧ/(м2.с); хр - вероятность спонтанной химической реакции; yхр коэффициент выхода материала в результате химической реакции, атом/ХАЧ (для
реакции Si + 4F SiF4 yхр= 0,25 атом/ХАЧ). Величина qхач равна:
где - парциальное давление ХАЧ, Па; k - постоянная Больцмана, Дж/К; T -
2MkT температура стенок вакуумной камеры, К. Величина хр равна:
E акт
С хр exp
где Схр – предэкспоненциальный множитель, не зависящий от температуры;
kT Eакт - энергия активации спонтанной химической реакции, Дж.
В технологии микроэлектроники типичными химическими реакциями на подложке являются:
Si + 4F SiF4;
SiO2 + 4F SiF4 + O2; Si3N4 + 12F 3SiF4 + 2N2 и т.п.
При ионно-химическом травлении ("ИХТ") скорость травления определяется как сумма VИХТ =
VИТ + VХТ.
Селективность травления, т.е. возможность обрабатывать различные материалы, зависит от
эффекта, лежащего в основе удаления материала с обрабатываемой поверхности.
Погрешность травления, т.е. отклонение получаемых размеров от размеров маски, зависит от
показателей изотропности травления.
7. Характеристики методов вакуумно-плазменного травления
Характери
стика
Р, Па
Lmin, мкм
L, мкм
С
НС
ИПТ
ИЛТ
-1
АЛТ
-3
РИПТ
-3
-1
РИЛТ
-2
РАЛТ
-2
ГТ
РТ
ПХТ
10 10
0,3
0,1
10 –
-2
10
0,1
0,05
10 -2
10
0,1
0,05
10 2
10
1,0
0,5
10 -1
10
0,8
0,3
10 -1
10
0,8
0,3
10 2
10
3,0
1,0
1,0 2
10
3,0
1,0
10 2
10
2,0
1,0
S
L
S
L
S
L
M
M
M
M
M
M
L
S
L
S
L
S
P – рабочее давление; Lmin - минимальный размер; L - погрешность травления;
С – селективность; НС – нарушенный слой; S – малый; M – средний; L – большой;
+
+
При ионном травлении погрешность размеров обработки
может появиться при неправильно выбранной толщине
маски. Если толщина маски намного больше толщины
вытравливаемого слоя, то распыляемые атомы
осаждаются на боковые стенки маски и изменяют ее
размеры (длину, ширину или диаметр окна). При этом
соответствующие размеры обрабатываемого слоя
уменьшаются. Если толщина маски меньше или равна
толщине обрабатываемого слоя, то материал маски может
стравиться быстрее, чем материал слоя и его размеры
могут стать больше требуемых.
+
lm
маска
Vt
ls
слой
изделие
а)
маска
слой
ls
изделие
б)
Рис.27 Схема формирования погрешности ионного (а)
и ионно-химического (б) травления
CCl4, Uсм=50 В, р=2,5 – 5 мТорр,
CCl4, Uсм=150 В, р=2,5 – 5 мТорр,
α=20 – 40 град.
α=2 – 10 град.
ИТ
ХТ
Оптимальная толщина маски при ионном травлении рассчитывается по следующей методике:
- максимальное время травления маски t1 толщиной lm без погрешности равно:
t1
lm
l Cos
m
Vm ( )
Vm (0)
где Vm()=Vm(0)/Cos – скорость травления маски под углом , возникающим в
результате более интенсивного распыления скругленных кромок маски (Рис.27 а);
Vm(0) – скорость травления маски при = 0;
- время травления слоя t на заданную глубину ls равно:
ls
t
V s ( 0)
где Vs(0) – скорость травления слоя при = 0;
- скорость бокового травления маски Vt равна:
- погрешность травления равна:
Vm ( )
Vt
Sin
Vt (t t1 )
- оптимальная толщина маски равна (при =0):
l
опт
m
l s V m ( 0)
l
m
SinCosVs (0) Sin
l sVm (0)
Cos Vs (0)
К материалам маски при ионном травлении предъявляются следующие требования: высокая разрешающая
способность; термостойкость; минимальная скорость травления по отношению к скорости травления слоя.
Применяются маски из фольги (трафареты) с минимальным размером рисунка 30 – 50 мкм и тонкопленочные
(контактные) маски с минимальным размером рисунка 0,1 – 0,5 мкм. Тонкопленочные маски изготавливают из:
- органических материалов: фото-, электроно-, ионо- и рентгенорезистов, которые могут работать при T< 473 К
(критическая плотность мощности ионного тока на мишени: 0,05 Вт/см2 без охлаждения мишени, 0,5-1 Вт/см2 с
водяным охлаждением);
- металлов: Ti, Cr, Mn, V, Mo, Ta и Al, которые выдерживают температуру 620 – 670 К и скорость травления
которых резко уменьшается при напуске кислорода;
- графита, имеющего самый низкий коэффициент распыления в чистом аргоне и выдерживающего большие
плотности мощности ионного тока на мишени.
ИХТ двумя методами:
δ
Vит
h
Vхт
Диодный на постоянной токе и АИИ; Магнетронный и АИИ
Vихт = Vит + Vхт ;
Vит =f(jи),
h – глубина; δ – погрешность травления
Vит.маг./ Vит.аии = jи.маг./jи.аии = 2000/10 = 200
Vхт.маг./ Vхт.аии = pхач.маг./pхач.аии = 0,1/0,1 = 1
δмаг./δАИИ = 1/200
Vхт=f(pхач);
Схема установки 5200 Oxide Etch Centura System
Внешний вид установки 5200 Oxide
Etch Centura System
Внешний вид установки Нанофаб-100
НТ-МДТ (г. Зеленоград)
Установка 5200 Oxide Etch Centura System позволяет проводить операцию анизотропного травления слоев
поликристаллического кремния с последующим удалением фоторезиста и изотропного травления
диэлектрических и фоторезистивных слоев. Установка состоит из следующих основных
функциональных систем:
- системы травления, состоящей из рабочей камеры и расположенных внутри нее или присоединенных к ней
снаружи электродов, экранов, подложкодержателей и автономных источников стимулирующих
воздействий и химически активных частиц;
- газовой системы, служащей для подачи требуемого потока газа (пара) или газовой смеси в рабочую камеру и
автономные источники стимулирующих воздействий и химически активных частиц и состоящей из
нескольких каналов, в состав которых входят фильтры, трубы, испарители, вентили, клапана,
измерители и регуляторы расхода газа, коллекторы и стабилизаторы давления;
- вакуумной системы, служащей для обеспечения требуемых остаточных и рабочих давлений в рабочей и
шлюзовой камерах, автономных источниках стимулирующих воздействий и химически активных частиц,
и состоящей из откаченных коллекторов или отверстий, труб, клапанов, измерителей и регуляторов
давлений и скоростей откачки, азотной ловушки, системы ее регенерации, вакуумных насосов, фильтров
или станций для очистки насосного масла, скрубберов или нейтрализаторов выхлопных газов;
- системы возбуждения и поддержания плазмы разряда в рабочей камере, а также других стимулирующих
воздействий в автономных источниках, состоящей из генераторов и источников электрических и
магнитных полей, кабелей или волноводов, измерителей и регуляторов подводимой мощности,
согласующих устройств;
- системы загрузки-выгрузки пластин, транспортирования и позиционирования их внутри установки,
состоящей из передающей и приемной кассет, устройств загрузки и перемещения пластин, шлюзовой
камеры, подложкодержателей и прижимных устройств, датчиков положения пластин на различных
позициях;
- системы термостатирования испарителей, участков газовых каналов, электродов, подложкодержателей и
стенок камер, служащей для измерения и регулирования их температуры и состоящей из термостатов,
труб, хладо- и теплоагентов, устройств их перекачки, подачи и распределения, измерителей и
регуляторов температуры;
- системы контроля момента окончания процесса травления функционального слоя (времени травления),
состоящей из индикаторов на основе оптического эмиссионно-спектрального, лазерного
интерферометрического или масс‑спектрометрического методов, оптических и электронных устройств, а
также специализированных микропроцессоров для обработки полученных сигналов по требуемому
алгоритму (наиболее простых случаях для обработки сигналов может быть использована управляющая
установкой ЭВМ);
- системы управления, служащей для управления перечисленными выше системами контроля режимов их
работы и исправности входящих в них устройств, и состоящей из управляющей ЭВМ с программным
УСТАНОВКА С ЭЦР ПЛАЗМОЙ:
Низкотемпературное осаждение
Прецизионное травление
Рост эпитаксиальных структур III-V
Диаметр подложек 150 мм
Электростатический прижим
Охлаждение через гелиевую подушку
Компьютерное управление
Параметры ЭЦР источника:
Плотность плазмы – 1E12 см-3
Давление – 1E-3 Тор
Мощность – 1.5 кВт
Вакуумная установка для формирования в едином вакуумном цикле микрорельефа и ТСП.
Ионное травление микрокарманов осуществляется через маску автономным источником
ионов, а нанесение ТСП – высокочастотным магнетронным распылительным устройством.
Подготовка
поверхност
и
Травление
микрокармано
в
Ионная очистка и
полировка
поверхности
Активация
поверхност
и
Нанесение
покрытия
Рис.4. Технологический маршрут формирования покрытия.
1
dотв
í à ÃÑ
17
Ar
Lпов
Ra
À ÈÈ
Ar
3
hк
dотв
4
18
Ì
5
26
6
твердосмазочное покрытие
7
подложка
Рис.3. Микрокарманы для дополнительной
смазки: – площадь поверхности покрытия в
паре трения (Lпов, Bпов – протяженность и
ширина поверхности),
– суммарная
площадь микрокарманов, –
глубина
карманов.
8
ÃÑ
V5
15
9
19
14
V6
V4
V3
ÐÐ Ã
VF1
ÑÓ
ÐÐÃ
30
Ô
Ô
29
ÐÄ
ÐÄ
28
V2
V1
20
1; 13
27
P
P
N 2
Ar
12
Â×
25
21
22
23
24
10
11
Рис.28 Схема и внешний вид вакуумной установки для нанесения тонких пленок:
1 – магистраль напуска рабочего газа; 2 – ионно-лучевой источник; 3 – держатель
образца; 4 – муфта; 5 – привод; 6, 15 – вводы движения в вакуум; 7 – вакуумная камера; 8
– мишень; 9 – магнетрон; 10 – регулятор давления газа; 11 – баллоны с рабочими газами;
12 – регулятор расхода газа; 13, 19 - датчики давления; 14 – привод заслонки; 16 –
заслонка; 17 – катод-нейтрализатор; 18 – привод подъема вакуумной камеры; 20, 23 –
клапаны; 21, 24 – вакуумные насосы; 23 – форвакуумный баллон; 25 – блок питания
магнетрона; 26 – система охлаждения вакуумной камеры
Ионно-лучевая обработка и ионная имплантация
1
2
3
1
+
3
Ионно-лучевая обработка применяется для формирования
микрорельефа (рис.29 а), очистки, полировки и активации
поверхностей (рис.29 б,в), нанесения тонких пленок в
вакууме с ионно-лучевым ассистированием (рис.29 г),
распылением (рис.29 д) и осаждением (рис.29 е), а также
для модификации и легирования поверхностных слоев
деталей с помощью имплантации ионов из сепарированных
пучков (Рис.29 ж).
+
+
Ar, CxFy,
CxCly
+
Ar, O2
а)
1
б)
3
1
+
+
+
Ar, O2,
CxFy
+
3
Ar
в)
г)
1 3
1
о о о о
+
+
+
Ar, O2,
N2
+
5
CxHy
д)
оооооо
е)
3
4
Требования к источникам ионов: токи пучка – сотни мА;
плотности тока – несколько мА/см2; энергия ионов – 0,05 –
5 кэВ; материал ионов – инертные газы и химически
активные (фтор- и хлорсодержащие) соединения,
углеводороды, кислород, азот и др.; форма сечения пучка –
кольцевая (диаметр пучка от 50 до 500 мм ),
прямоугольная (длина до 3 м), сходящаяся или
расходящаяся. Наиболее полно этим требованиям
отвечают источники ионов с холодным катодом,
формирующие пучки ионов в скрещенных электрическом и
магнитном полях. Источники ионов с горячим катодом
практически не пригодны для формирования химически
активных пучков ионов.
В технологии ионной имплантации (Рис.29 ж) используются
сепарированные моноизотопные пучки ионов B, P, As, Sb и
др. Сравнительно низкая температура обработки
материалов, достаточно точный контроль глубины и
профиля распределения примеси, возможность
+
1 6
7
8
3
автоматизации процесса способствует расширению
PH3, PCl3,
применения технологии ионной имплантации в различных
BF3, B2H6
ж)
областях современного производства. В микроэлектронике
ионная имплантация применяется при изготовлении
Рис.29 Варианты ионно-лучевой обработки: 1 – источник ионов; 2 – маска; 3 – изделие;
4 – испаритель; 5 – мишень; 6 – масс-сепаратор; 7 – система ускорения ионов; полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
8 – система сканирования
(ИС).
Rp, мкм
B
P
As
Sb
0,1
C, см-3
Ei=50 кэВ
200 кэВ
1020
Ei=400 кэВ
0,01
0,001
1018
10
100
а
Ei, кэВ
0
0,25
0,5
б
Рис. 4.8
0,75 x, мкм
Основными материалами мишени при производстве ИС являются кремний и арсенид галлия, имплантируются
фосфор, бор, мышьяк, сурьма и др., а в качестве материала маски используются алюминий, золото, платина,
титан, диоксид кремния, нитрид кремния, фоторезисты. Ионная имплантация позволяет управлять дозами
облучения от 1Е10 до 1Е18 ион/см2 и обеспечивает неоднородность распределения примеси на площади 320
см2 не более 1 - 2 %. С увеличением степени интеграции и рабочей частоты полупроводниковых приборов и
ИС уменьшаются как горизонтальные, так и вертикальные размеры элементов. Например, толщина базы и
эмиттера в активной области биполярного транзистора могут быть порядка 0,1 мкм, а геометрические размеры
легированной области не превышают 1 – 2 мкм. При изготовлении полевых транзисторов ионной
имплантацией получают самосовмещенный затвор (Рис.30), когда полностью совпадают границы областей
«исток-затвор» и «сток-затвор», чего нельзя выполнить с помощью высокотемпературной диффузии.
+
исток
+
+
+
затвор
+
+
+
сток
Рис.30 Схема получения самосовмещенного транзистора
Радиационные дефекты кристаллической решетки и аморфные участки (при больших дозах легирования)
устраняются отжигом при Т=800 – 1200 К, при этом происходит перемещение электрически неактивных ионов в
узлы кристаллической решетки.
Легирование материалов атомами отдачи – перемещение на несколько нанометров поверхностных атомов при
взаимодействии с ними ускоренных ионов и создание сверхтонких легированных слоев. Например, если на
поверхность кремния нанести тонкую пленку алюминия, а затем бомбардировать ее ионами Si+, Al+ или ионами
инертных газов, то атомы алюминия из металлической пленки перемещаются в глубь кремния и образуют слой
с максимальной концентрацией атомов у границы кремний-алюминий и спадающей по гиперболе до глубины 5 –
10 нм. При этом удается получить выход атомов отдачи до 10 на один внедренный ион.
Ионная имплантация в металлы и диэлектрики позволяет в широких пределах изменять их свойства. Удается,
например, сплавлять металлы, не смешиваемые в жидком состоянии: так, молибден в алюминии практически не
растворим, а в результате ионной имплантации в поверхностном слое алюминия образуется сплав, содержащий
25% молибдена. При этом повышается стойкость алюминия к питтинговой коррозии. С помощью ионной
имплантации получены пересыщенные твердые растворы, метастабильные интерметаллические соединения,
равновесные сплавы и аморфные фазы.
В современной технологии изготовления ИС используются более 9 режимов ионной имплантации (Рис.31):
для МДП-транзисторов (а): 1 – управление зарядом в пассивирующем оксиде, 2 – управление пороговым
напряжением, 3 – получение резистора, 4 – получение кармана КМОП-транзистора, 5 – самосовмещение, 6 –
сглаживание; для биполярных транзисторов (б): 7 – легирование базы, 8 – омический контакт, 9 – получение
эмиттера в скрытом слое.
160
140
Ei, кэВ
160
1
Ei, кэВ
140
120
120
100
100
7
80
2
80
4
60
5
60
9
3
40
6
D, см-2
20
1011 1012 1013 1014 1015 1016
а)
40
20
8
1011
D, см-2
1012 1013 1014 1015 1016
б)
Рис.31 Основные режимы ионной имплантации: энергия пучка Ei и доза легирования D
Ионная имплантация в металлы применяется для изменения их поверхностных свойств: увеличения
твердости, износостойкости, коррозионной и радиационной стойкости, увеличения сопротивления
усталостному разрушению, уменьшения коэффициента трения, управления химическими, оптическими и
другими свойствами. Ионная имплантация позволяет упрочнять поверхностные слои металлов и сплавов
путем перевода их в аморфное состояние. Аморфизация поверхности различных металлов (Al, Co, Ni, Fe и
др.) достигается при имплантации в них ионов металлоидов (B+, P+, As+) или при бомбардировке ионами W+,
Ta+, Au+ сталей, в том числе коррозионно-стойких. Для сопротивления изнашиванию наиболее часто
используется имплантация ионов N+, B+, C+, Ti+, после чего долговечность деталей или инструмента
увеличивается в 2 – 10 раз. В полимерных материалах ионное легирование позволяет менять
электропроводность, которая может возрастать до 14 порядков, структуру и химический состав. Увеличение
проводимости связано с перестройкой молекулярной структуры, разрывом связей C-H и появлением
избыточного углерода. Имплантируются ионы C+, O+, N+, Ar+ с энергией приблизительно 15 кэВ.
Оборудование ионной имплантации (Рис.33) включает в себя: ионный источник, экстрагирующую и
фокусирующую ионную оптику, ускоряющую систему, масс-сепаратор, устройство сканирования ионного пучка,
источники питания, приемную камеру, вакуумную систему, устройства контроля и управления технологическим
процессом. Оно характеризуется диапазоном энергии ионов от десятков кэВ до нескольких МэВ и плотностью
ионного тока от 1Е10 до 1Е19 ион/см2.
Источники ионов: с горячим, холодным и полым
2
3
4
5
6
катодом; дуоплазмотроны; источники с ВЧ и СВЧ
возбуждением; с поверхностной ионизацией. Для
получения многозарядных (двух или трехзарядных)
ионов используются дуговой источник с катодом
косвенного накала.
Ускоритель ионов предназначен для сообщения ионам
необходимой энергии (E=qezUу, где qe – заряд
электрона, z – кратность ионизации, Uу – ускоряющее
Рис.33 Структурная схема установки ионной имплантации: 1 – источник ионов; напряжение) и фокусировки пучка при его движении
2 – масс-сепаратор; 3 – система ускорения; 4 – система сканирования;
вдоль ускорителя. Он может располагаться до или
5 – камера дрейфа ионов; 6 – приемная камера; 7 – вакуумная система
после масс-сепаратора.
Масс-сепаратор применяется для отделения имплантируемых ионов от других
веществ, присутствующих при формировании пучка в источнике ионов, т.е. для
создания моноизотопного пучка ионов. Принцип его действия основан на различии
радиуса R отклонения ускоренных электрическим потенциалом U ионов с разной
массой m и зарядом zq в магнитном поле с индукцией B (в вакууме B=H).
1
7
7
7
1 2mU
R
B
zq
Устройство сканирования ионного пучка направляет сфокусированный ионный луч в
нужное место мишени по заданной программе. В оборудовании ионной имплантации
применяются три способа сканирования: механическое, электростатическое и
комбинированное. При электростатическом сканировании ускоренный потенциалом U
ионный луч отклоняется от направления своего движения потенциалом Ur отклоняющих
электродов длиной l и расстоянием между ними d на угол .
Ur l
tg
U 2d
Отклонение ионного луча на поверхности мишени равно y= L tg, где L – расстояние от отклоняющей системы
до мишени. Система сканирования должна обеспечивать однородность легирования поверхности, поэтому
необходимо учитывать наклон мишени к направлению движения ионного пучка, неравномерность скорости
сканирования луча при различных углах , диаметр или стороны сечения ионного пучка, неравномерность
плотности ионного тока по сечению пучка.
Приемная камера служит для загрузки, фиксации, перемещения во время легирования и выгрузки
обрабатываемых изделий.
Отклоняющая система
l
Ei = qU
Ur
tg
d
L
Ur l
U 2d
Приемная камера
установки ионной
имплантации «Везувий12» с электростатическим
сканированием
d
l
L
Комбинированное сканирование
+Ur
Механическое сканирование
- Ur