108901 (707798), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

.

Рис. 11. Зависимость скорости травления dM/dt от величины 1000/Т при травлении Si в HNO₃/HF.

Рис. 12. Зависимость произведения вязкости на скорость травления (dM/dt) от температуры ля травления Si при использовании ледяной уксусной кислоты в качестве загустителя.

При изотропном травлении кремния используются маски из нетравящихся металлов Si₃N₄ или SiO₂ (иногда для неглубокого травления). Резист используется редко, так как HFHNO₃ быстро проникает через пленку. Для травления кремния использовались также щелочные травители

Si + 2OH^- + H₂O SiO₂ + 2H₂ (35)

Этилендиамин, гидразин и OH^- действуют как окислители, а пирокатехин и спирты - как комплексообразующие агенты для SiO₃⁺. Кроме того, водород может замедлить травление поликремния. Для удаления H₂ с поверхности добавляют ПАВ.

Рис. 13. преимущественное травление кремния вдоль

кристаллографических направлений и .

Щелочные реагенты являются в основном анизотропными травителями с преимущественным воздействием на кристаллографические плоскости с малыми индексами. Плотность свободных связей (дефектов, обусловленных свободными незавершенными связями граничной кристаллической плоскости) для этих плоскостей находится в соотношении 1.00 : 0.71 : 0.58. Причина выбора (100) - ориентированного среза кремния для анизотропного травления заключается в том, что это единственная из основных плоскостей, в которой плоскости (110), (111), (100) и (211) пересекаются с регулярной симметрией. Поэтому эта ориентация наиболее предпочтительна при травлении глубоких канавок в кремнии. Следует отметить, что геометрия поверхности, создаваемой изотропным травлением, будет зависеть от геометрии первоначальной поверхности, так как выпуклые поверхности ограничивают быстро травящиеся плоскости, а медленно травящиеся плоскости останавливаются на вогнутой поверхности. В направлении скорость травления в 100 раз выше, чем в направлении . На рис. 13 показан пример преимущественного травления 54^о- ой канавки в пересечении 110/100/111 смесью KOH изопропанола при 85^оС. KOH и изопропанол являются травителями с соотношением скоростей травления 55:1 для направлений и .

При добавлении к травителю спиртов, которые адсорбируются преимущественно на плоскости (111), можно осуществить анизотропное травление в других направлениях. Скорость травления лимитируется диффузией с энергией активации 4 ккал/моль, так как щелочь должна диффундировать сквозь барьер из комплексов кремния.

Рис. 14. Анизотропное (а) и изотропное (б) жидкостное

травление эпитаксиального кремния.

Другой травитель для моно- и поликристаллического кремния состоит из этилендиамина и пирокатехина и имеет энергию активации 8 ккал/моль:

2NH₂(CH₂)₂NH₂+Si+3(OH)₂

2H₂+Si(O₂)₃+2NH₂(CH₂)₃NH₃ (36)

При добавлении к реагентам 1000 ppm (1 ppm=1часть на миллион) ароматического пиразина достигалось увеличение энергии активации до 11 ккал/моль и селективности травления плоскостей (100) и (111) с 10 до 20. Травление кремния применяется также с диагностическими целями для выявления точечных проколов SiO₂. Кремний, легированный бором, травится медленнее нелегированного кремния.

Рис. 15. Зависимость угла травления поликремния от содержания воды в травителе KOH/спирт/Н₂О.

Эффективность сглаживания поверхности поликремния в смеси KOH и спирта зависит от содержания воды в травителе. В безводных спиртах получаются изотропные профили. Степень анизотропии определяется содержанием воды в травители (рис. 15). Изотропные травители для кремния перечислены в табл. 6. Краткие сведения об анизотропных травителях для кремния приведены в табл. 7.

Т аблица 5. Изотропное и анизотропное травление кремния.

1) d- глубина травления. 2) HNO₃ (65%)/HF(40%)/NaNO₂=95/5 мл/г.

3) HNO₃(65%)/H₂O/HF(40%)=100/40/6мл. 4) KOH/H₂O/n-пропанол=15г/50/15 мл.

Таблица 6. Изотропные травители для кремния.

Таблица 7. Анизотропные травители для кремния.

Травление многослойных структур.

Травление различных слоев многослойной структуры проводится в одном травителе простого или сложного состава. Желательно пользоваться однокомпонентным травителем. Основная проблема заключается в выборе травителя, обеспечивающего одинаковую скорость травления всех слоев, что предотвращает образование “елочного” профиля. Наиболее интенсивно изучалось травление сандвича Si₃N₄/SiO₂, равенство скоростей травления которого требуется для получения окон с гладкими наклонными стенками. Пленки Si₃N₄ травятся лишь в HF или в кипящей H₃PO₄ при 180^оС. В столь жестких условиях ни один из органических резистов не выдерживает. Травление Si₃N₄ в HF происходит по тому же закону, который определил Джадж для травления SiO₂:

Cкорость травления=А(HF)+B(HF₂^-)+C (37)

Керн и Деккерт всесторонне рассмотрели травление Si₃N₄. В HF модно получить равные, но небольшие - около 10 нм/мин - скорости травления Si₃N₄ и SiO₂: 1) подбором температуры и 2) соотношения HF/HF₂^-. Скорость травления оксида можно снизить до 10 нм/мин, разбавляя 10%-ную плавиковую кислоту. При низкой концентрации HF растворение SiO₂ лимитируется не скоростью реакции, а диффузией (4 ккал/моль). Подбирая температуру смеси фосфорной или фторборной кислот, можно довести скорости травления SiO₂ и Si₃N₄ до 10 нм/мин. Фосфорная кислота, однако, разрушает нижележащие слои Si и Al, что может быть уменьшено добавлением серной кислоты. Добавка диолефинов также предотвращает разрушение нижележащего слоя Al.

Рис.16. Травление сандвича Si₃N₄/SiO₂: а-большая скорость травления SiO₂; б-изотропное травление с одинаковыми скоростями.

Более высокие, но равные скорости травления были получены за счет изменения вязкости травителя при добавлении глицерина или других вязких спиртов (до 50% по массе), замещающих воду. Для смягчения действия HF добавляется также NH₄F. Типичные края профилей травления в Si₃N₄/SiO₂ показаны на рис. 16.

В другом подходе, включающем в себя обратное травление, используется слой вольфрама, нанесенный поверх

SiO₂/ Si₃N₄ и прорисованный через резистную маску. Сначала подтравливается слой оксида, затем удаляется W, и слой Si₃N₄ профилируется через оксидную маску с требуемой топологией. Компромиссным составом для травления сандвича резист / Si₃N₄/ боросиликатное стекло является смесь 70% H₃PO₄, 29% глицерина и 1% HBF₄ при температуре 103^оС. При более высоких концентрациях HBF₄ наблюдается быстрая эрозия резистов KTFR и AZ-1350.

Травление алюминия.

Жидкостное травление металлов включает в себя многие электрохимические процессы. Химическая реакция вызывает протекание тока, причем металл является анодом

M Mⁿ⁺ + ne. (38)

Большинство металлов покрыто естественным окислом. Для удаления этого пассивирующего слоя добавляется вспомогательный травитель.

Известно большое число различных неорганических окислителей. Наиболее простые содержат Н⁺. Основная задача химика-технолога заключается в выборе подходящего окислителя, удовлетворяющего требованиям термодинамики:

F = -nФЕ, (39)

где F - свободная энергия, Е - разность потенциалов окисления и восстановления (табл. 8).

Таблица 8. Металлы и окислители.

Жидкостное травление Al изотропно и сопровождается уходом края профиля травления (рис. 1) на 1-2 мкм. Воспроизводимость размеров при травлении партии пластин составляет 1 мкм. Структуры обычно перетравлены, так как металлические пленки содержат дефекты - зерна, преципитаты, а также подвержены напряжениям.

Металлы при контакте друг с другом изменяют свой электрохимический потенциал [см. формулу (38)] (гальванический эффект), что ускоряет их собственное травление и ведет к сильному подтравливанию нижележащего металлического слоя. Например, слой Al в NaOH стравливается сам по себе за 7 мин. При контакте с Pt/Au его травление оканчивается через 1 мин.

Травители для алюминия.

Травление алюминия проводится в щелочной или кислотной среде. Широко применяется травитель, состоящий из концентрированной H₃PO₄ (76%), ледяной уксусной кислоты (15%), концентрированной азотной кислоты (3%) и воды (5%) по объему. Согласно исследованиям, процесс состоит из двух стадий - формирования Al³⁺ и образования AlPO₄, контролируемых скоростями соответствующих реакций:

Al₂O₃ медленно Al ^-3е_HNO3 Al³⁺ быстро

быстро Пленка медленно Растворимый AlPO₄. (40)

Вода в фосфорной кислоте препятствует растворению Al₂O₃, но она способствует растворению вторичного продукта AlPO₄. Сила тока пропорциональна скорости травления. Если ток приложен к алюминию, то отмечается анизотропия травления.

Энергия активации травления Al в H₃PO₄/HNO₃ равна 13.2 ккал/моль, что предполагает ограничение процесса скоростью растворения Al₂O₃ в H₃PO₄. Выделяемый газ есть смесь Н₂, NO и NO₂. Адсорбция газов на поверхности Al является постоянной проблемой при использовании вязких травителей. Пузырьки способны замедлять травление - под ними образуются островки недотравленного металла, которые могут замыкать близко расположенные проводники.

Рис. 17. Образование пузырьков во время жидкостного травления пленки железоникелевого сплава. Преимущест-венная адсорбция газообразных продуктов на боковой стенке ограничивает боковое подтравливание.

Неожиданным примене-нием адсорбции пузырь-ков явилось ее исполь-зование для сглаживания краев профиля при травлении железонике-левых пленок в HNO₃ (рис. 17). Как только начинается процесс трав-ления, пузырьки окиси азота собираются вдоль боковой кромки. Адсор-бированный промежуточ-ный продукт NO₂ действует как сильный окислитель при травлении металла, и травление в боковом направлении ускоряется. Адсорбция газов на боковой стенке (рис. 17) использовалась также для снижения бокового подтравливания Al при его травлении в Н₃РО₄. Снижение давления в камере травления с 10⁵ до 10³ Па приводило к уменьшению подтравливания с 0.8 до 0.4 мкм. В результате адсорбции мелких пузырьков водорода на боковой стенке на ней образовывался эффективный диффузионный барьер.

Для снижения бокового подтравливания Al с 1.0 до 0. 25 мкм было предложено несколько травителей (табл. 9), содержащих добавки сахарозы (полиспирта) и ПАВ.

Таблица 9. Травители для алюминия.

1) АК - циклокаучук с азидами, резисты типа KTFR; ДХН - новолак с хинондиазидами, резисты типа AZ-1350.

Некачественно травление Al обусловлено несколькими факторами :

1) недопроявленный резист;

2) неравномерность толщины;

3) напряжения в пленках поверх ступенек;

4) гальваническое ускорение травления из-за наличия преципитатов Al-Cu;

5) неравномерность толщины окисла;

6) нестабильность температуры (>1^оС).

Эти факторы приводят к перетравливанию и закорачиванию.

Хром является вторым после алюминия металлом, наиболее часто подвергающимся травлению. Он широко используется при изготовлении фотошаблонов. В качестве травителя используется сульфат церия/HNO₃.

Вследствие индукционного эффекта (формирования верхнего слоя Cr₂O₃) травление пленки нелинейно, и поэтому момент окончания травления не может быть определен по ее начальной толщине.

Электрохимическое травление.

Прикладывая потенциал к металлу, покрытому резистной маской, можно перенести рисунок в материал в более мягких травителях, чем при травлении в химически равновесных условиях. Платина, например, обычно травится в горячей царской водке (HCl/HNO₃), которая снимает большинство резистов. Подавая потенциал 1.0 В, можно травить платину в разбавленной HСl. В технологии предпочтительнее электрохимические процессы, так как для них точнее определяется момент завершения травления (рис. 18), их легко автоматизировать, применяя оборудование для электроосаждения. Подложки являлись анодом в ячейке, к которой прикладывалось напряжение (рис. 18). Ток ячейки быстр

о

Рис. 18. Автоматизация определения окончания процесса путем контроля тока I при электро-химическом травлении.

поднимается до пикового значения вслед-ствие поляризации электролита и затем снижается до стационарного значения I_о. Окончание травления сопровождается фиксированным процентным снижением тока. Контактное сопротивление должно быть низким (<1Омсм), чтобы обес-печить точное регулирование требуемой для травления силы тока. Электрохими-ческое воздействие аналогично реактив-ному ионно-лучевому травлению, поскольку ионы движутся направленно

.

Практические аспекты жидкостного химического травления.

Практические аспекты жидкостного химического травления (ЖХТ) связаны со статическми и динамическими характеристиками этого процесса, а также с его конечными результатами.

Таблица 10. Аспекты ЖХТ.

К трем основным переменным процесса жидкостного травления относятся толщина травимого слоя, температура и время обработки. Перемешивание реагента не играет существенной роли в случае ограничения скорости на стадии химической реакции. Скорость большинства процессов жидкостного травления (HF) ограничена скоростью химической реакции. Типичные флуктуации перечисленных переменных могут привести к перетравливанию. Перетравливание или неполное стравливание фатально не столько из-за большого ухода размеров, сколько из-за того, что оно затрудняет проведение последующих технологических операций, например диффузии. Чем толще удаляемая пленка, тем больше уход размеров вследствие подтравливания и тем больше допуск на этот уход.

Проколы уменьшают выходы годных, причем величина этого уменьшения определяется чувствительностью конкретной схемы к размерам, местоположению и плотности дефектов. Травление переводит точечный дефект в резисте в рисунок на подложке. Если максимальный размер проколов по порядку величины сравним с изменением размеров при ЖХТ (0.4-1.0 мкм), то резко возрастает вероятность образования разрывов в сплошных линиях.

Другие характеристики травления.

Однородному распределению температуры в ванне с реагентом способствует перемешивание. Ультрафильтрация раствора травителя в процессе ЖХТ счищает реагент от остатков резиста и других твердых частиц, способных блокировать травление. Во избежание загрязнений бачок с травителем должен быть закрыт и изолирован от другого оборудования. Необходимо тщательно подбирать совместимые с реагентом материалы элементов установок, иначе неизбежны загрязнения и утечки. Для определения момента окончания травления и оценки величины перетравливания удобно одновременно проводить травление дифракционных решеток или элементов с меньшим характерным размером, чем в основном изображении. Время жизни реагента можно вычислить по стехиометрии химической реакции. Например, для травления 1 моль SiO₂ требуется 6 молей HF. Предположим, что надо обработать 25% площади 100-мм пластины в буферном растворе 2М HF с соотношением компонентов 1:7 соответственно (см. рис. 10). В ванне емкостью 8 литров содержится 16 молей HF.

SiO₂ + 6HF H₂SiF₆ + 2H₂O. (41)

Полагаем падение скорости травления на 20% предельным, что соответствует уменьшению концентрации HF также на 20% (рис.10). Для пленки SiO₂ толщиной t=0.5 мкм и плотностью вычисляем количество удаленных молей SiO₂:

Моли SiO₂ = r² t / SiO₂ =

= 3.14(25 см²) 510^-5 см(2.3 г/см³)/60 (42)

На одну пластину требуется 4.810^-4 молей HF, следовательно, в нашей ванне с учетом 20%-ного падения скорости (это соответствует 3.2 молям HF) можно обработать 25000 подложек. Если производительность установки равна 500 пластин в день, то раствор в танке придется менять раз в 50 дней (если пренебречь потерями материала и загрязнениями).

Заключение.

Травление - критическая стадия литографического процесса. На этой стадии жестко испытываются адгезия, непроницаемость, уровень дефектности и химическая инертность резиста. Стойкость резиста к травлению и его адгезия к подложке являются, возможно, наиболее важными параметрами резистного литографического процесса и в наибольшей степени определяют его успех. Применение резиста с высокой стойкостью к травлению гарантирует минимальное искажение изображения при переносе его в подложку. Практические пределы применимости процесса ЖХТ определяются его разрешением -1.5-2.0 мкм - и уходом размеров при травлении - 0.2-0.5 мкм

.

Список литературы.

1. Травление полупроводников [сборик статей]. Пер. с англ. С. Н. Горина. М.: Мир, 1965.

2. Перри Дж. Справочник Инженера-химика/ Пер. с англ. - Т.2. - М.: Химия, 1969.

3. Полтавцев Ю. Г., Князев А. С. Технология обработки поверхностей в микроэлектронике. - Киев: Тэхника, 1990.

4. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники.[Учеб. для ПТУ: в 10 кн.]. - М: Высш. шк., 1989.

5. Авдеев Е. В., Колтищенков В. М., Пантелеева Т. С. Двумерное топологическое модерирование травления//Электронная промышленность. - 1986.- №4.-С.14-17.

6. Голосов В. В. Электрохимическое травление GaAs. В сб.: Силовые п/п приборы. - Талин : Валгус, 1981.

7. Васильева Н. А., Ерофеева И. Г. Электрохимическое полирование подложек GaAs// Электронная промышленность. -1988.-№8.-С. 39-40.

8. Киреев В. А. Краткий курс физической химии. М.: Химия, 1978.

Характеристики

Список файлов реферата