Особенности ионного травления
• универсальность, то есть возможность очищать от загрязнений любого вида и травить поверхности любых материалов;
• низкая избирательность травления различных материалов из-за чисто физического механизма процесса распыления. Это затрудняет локальную обработку, так как материал контактной маски тоже травится (распыляется), а с другой стороны — позволяет применять ионное травление для обработки многослойных пленок с несовместимыми с точки зрения жидкостного травления свойствами слоев.
Достоинства ионного травления:
• преимущественное травление в направлении нормали к поверхности, что обеспечивает хорошие результаты при локальной обработке, так как практически отсутствует боковая составляющая скорости травления;
• безынерционность, процесс травления прекращается сразу же после снятия с образцов потенциала.
Недостатки ионного травления:
• низкие скорости травления (0,1–1 нм/с);
• значительные радиационные и тепловые воздействия, вызывающие разрушения контактных масок, деградацию электрофизических параметров структур и необходимость охлаждения образцов при травлении.
(15 слайд)
Реактивное ионное травление (РИТ) (называемое также ионно-химическим) по механизму процесса является комбинированным методом. Удаление обрабатываемого материала происходит в результате его распыления ускоренными ионами и образования легколетучих соединений при взаимодействии с химически активными частицами плазмы. От плазмохимического травления оно отличается тем, что энергия ионов больше и достаточна для распыления, а от ионного травления — тем, что используется не инертная, а содержащая химически активные частицы плазма.
Оборудование для реактивного ионно-плазменного травления аналогично установкам ионно-плазменного травления. Пластины располагают на электроде, не изолированном от нижнего электрода (рис. 8). Реактивное ионно-лучевое травление выполняют в вакуумных установках, аналогичных установкам для ионно-лучевого травления (рис. 8).
Благодаря химическим реакциям РИТ (и плазменное, и лучевое) обладает по сравнению с ИЛТ бóльшими скоростями (в 3–15 раз) и избирательностью травления (в 2–10 раз), а по сравнению с ПХТ меньшими скоростью травления (в 2–3 раза) и боковой составляющей скорости при локальном травлении. Для уменьшения радиационных дефектов обрабатываемых образцов процессы травления проводят в режимах, обеспечивающих превышение скорости удаления слоев за счет химических реакций над скоростями распространения дефектов, образующихся вследствие ионной бомбардировки.
(16 слайд)
В процессах сухого травления можно выделить несколько основных стадий, а именно:
- доставка молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда;
- переход молекул рабочего газа в газовом разряде в энергетические и химически активные частицы;
- доставка энергетических и химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала;
- взаимодействие энергетических и химически активных частиц с поверхностью обрабатываемого материала;
- отвод продуктов взаимодействия от поверхности обрабатываемого материала.
(17 слайд)
Плазмохимическое травление (ПХТ), как и ионное, проводят в вакуумных установках и также используют плазму газового разряда. ПХТ (в отличие от чисто физического распыления при ионном травлении) имеет химическую природу. Оно основано на использовании обладающих большой реакционной способностью химически активных частиц, получаемых в плазме газового разряда.
Плазмохимическое травление может протекать при хаотическом воздействии активных частиц (рис. 9а), но лучше, чтобы они имели направленное движение, при котором процесс становится анизотропным (рис. 9б) и практически не возникает клин травления. Для этого давление в реакторе должно быть не более 10 Па. При этом в рабочий газ добавляют небольшое количество водорода.
В зависимости от конструкции установок различают плазменное и радикальное плазмохимическое травление.
(18 слайд)
Плазменное травление осуществляют непосредственно в плазме ГТ, то есть с участием всех химически активных частиц, как с большим, так и с малым временем жизни. В камерах диодного типа (рис. 12) пластины кремния помещают на нижнем медленно вращающемся электроде. Пластины электрически изолированы от электрода, чтобы исключить ионную бомбардировку.
Радикальное плазмохимическое травление проводят в области вакуумной камеры, отделенной от плазмы газового разряда перфорированным металлическим экраном (рис. 13) или магнитными электрическими полями. ВЧ-плазма возбуждается между цилиндрическими поверхностями рабочей камеры и экрана. Травление осуществляется только нейтральными электрически активными частицами с большим временем жизни, проникающими из плазмы в зону расположения пластин.
Процессы плазмохимического травления могут обеспечить обработку поликремниевых структур, а также удаление масок с фоторезистов. Процессы ПХТ (особенно РТ) обладают наибольшей селективностью и оказывают незначительное тепловое и радиационное воздействие на обрабатываемые структуры по сравнению с процессами ИТ и ИХТ. Это позволяет осуществлять травление толстых слоев материалов (до 10 мкм) через тонкие "незадубленные" резисты. Низкий показатель анизотропии не позволяет с помощью процессов ПХТ получать статические неоднородности субмикронных размеров в слоях рабочих материалов толщиной более 0,3 мкм. Поэтому процессы ПХТ используются в основном для изготовления тонких (0,1 – 0,2 мкм) неорганических масок для процессов ИТ и ИХТ.
(19 слайд)
Технологический процесс травления характеризуется определенными параметрами, такими как скорость травления, анизотропность, селективность травления, равномерность, предельно разрешенный размер, текстура поверхности и др.
С увеличением прикладываемой мощности скорость травления, как правило, возрастает. Однако, интенсивное рассеяние энергии в виде теплоты и разогрев подложек могут привести к нежелательным последствиям, например к подгоранию фоторезистивной маски и потере селективности травления. Оптимальный диапазон частот прикладываемой мощности составляет от 10 кГц до 30 МГц.
Температура подложек влияет главным образом на скорость химических реакций. Как правило, увеличение температуры приводит к увеличению скорости травления, но возможны исключения, так как за счет интенсивной десорбции травящих компонентов возможно уменьшение скорости травления с ростом температуры. Уменьшение температуры также оказывает влияние на селективность травления. При высокой температуре скорости процессов, протекающих с разной энергией активации, выравниваются и, как следствие, с ростом температуры и ростом скоростей травления селективность травления снижается. Для обеспечения однородности и воспроизводимости скоростей травления необходим контроль температуры подложек.
(20 слайд)
В настоящее время для формирования канавок в кремнии используется несколько технологических процессов. Наиболее применимы два процесса глубинного травления кремния с высоким аспектным соотношением (отношение глубины к ширине канавки более 10): процесс с переменной модуляцией газа, известный в литературе как Bosch-процесс и процесс, проводимый при низких температурах – криогенный процесс.
В Bosch-процессе для травления кремния применяется плазма фтора, объединенная с плазмой фторуглерода для пассивации боковых стенок и улучшения селективности относительно маски. Исходным газом, который используется для создания потоков радикалов фтора высокой плотности, обеспечивающих травление кремния с очень высокой скоростью, является гексафторид серы (SF6) либо трифторид азота (NF3).
Формирование профиля с определенным аспектным отношением реализуется в две стадии: травление кремния и пассивирующего слоя; пассивация.
Стадия травления с использованием SF6 в качестве исходного газа состоит из трех этапов:
1) расщепление молекулы SF6 с образованием свободных радикалов фтора:
SF6 + e- → SFx + F+(*) + 2e-
2) травление полимера (CF2)nрадикалами фтора с образованием летучего соединения CxFy:
nCF2 + F* → CxFy (газ)
3) после удаления полимера радикалы фтора травят кремний, который удаляется как летучий SiF4:
Si + 4F* → SiF4 (газ)
(21 слайд)
Bosch-процесс малочувствителен к природе фоторезиста, что позволяет не сильно структурировать резист до травления. Фактически, лучше избегать обработки фоторезиста при высокой температуре, так как при этом может измениться его профиль, что приведет к искажению размеров травимой структуры. В ряде случаев можно использовать стабилизацию фоторезиста глубоким ультрафиолетом.
Скорость травления кремния в Bosch-процессе достигает 20 мкм/мин, селективность относительно фоторезиста – 75, относительно SiO2 – 200. Технические сложности процесса заключаются не только в модуляционной подаче различных газов, но и в достижении высокого уровня согласования разряда различного состава в очень короткие промежутки времени.
(22 слайд)
В криогенном процессе для травления кремния используется SF6 (для создания радикалов фтора) и О2. Для пассивации боковой стенки и защиты маски служит формирующийся в ходе травления слой оксифторида кремния (SiOxFy). При этом взаимодействие радикалов фтора с таким блокирующим слоем либо с самим кремнием при криогенных температурах снижается на порядок. Ионная бомбардировка способствует постоянному удалению этого слоя, а поток радикалов фтора взаимодействует со свободной поверхностью кремния, благодаря чему скорость травления возрастает. Кремний удаляется в виде летучего соединения SiF4.
Низкая температура способствует уменьшению скорости травления материала маски (фоторезист или SiO2).
Криогенный процесс сильно чувствителен к температуре пластины – даже незначительное изменение температуры может привести к уходу размеров и изменению профиля. Для улучшения однородности травления по пластине необходимо обеспечить однородность температуры по пластине.
Температура электрода не должна быть ниже 130 оС, поскольку более низкие температуры приведут к конденсации SF6 на пластине.
Криогенный процесс можно назвать чистым, при его протекании не образуется полимер, осаждающийся на поверхности камеры. Если мощность индуктора недостаточна, то возможны небольшие отложения серы в насосных линиях, но в целом любая образующаяся сера будет реагировать с кислородом и удаляться в виде SO2. Таким образом, камера для этого процесса не нуждается в очистке.
Еще одно достоинство криогенного процесса – отсутствие необходимости в высокопроизводительных турбомолекулярных насосах и скоростных регуляторах расхода газа (РРГ).
Основным недостатком этих двух методов является проблема шероховатости боковых стенок. Однако для целей микромеханики эти методы подходят и позволяют создавать рельеф в кремнии или материалах А3В5 высотой до 400 мкм и даже более.
(23 слайд)
Есть у технологии плазменного травления и свои недостатки:
- низкая избирательность травления
- повреждение поверхности микросхем фотонами или частицами плазмы
- возможное присутствие на подложке мелких нежелательных частиц. Жидкостное химическое травление менее чувствительно к таким загрязнениям.
(24 слайд)
Жидкостные методы очистки не всегда позволяют получать поверхность, свободную от органических растворителей, химических реагентов, пленок сложного состава, не взаимодействующих с растворителями.
Плазменное травление по сравнению с жидкостным химическим дает небольшое преимущество по надежности и выходу годных микросхем с большими технологическими проектными нормами (6-8 мкм). Но при более жестких нормах (2-4 мкм) эти методы даже нельзя сравнивать. Плазменное травление позволяет изготавливать приборы и структуры, которые находятся за пределами возможностей методов жидкостного химического травления.
Основными преимуществами сухих методов обработки при фотолитографии являются возможности удаления фоторезистивной маски после травления в едином технологическом цикле, очистка подложек от остатков фоторезиста и других загрязнений, а также слабая зависимость процесса его удаления от предшествующих режимов термообработки. Кроме того, сухие методы обеспечивают высокую чистоту подложек и не токсичны.