Принципы и основные характеристики ионно-плазменного травления

Физико-химические основы ионно-плазменного и плазмохимического травления

Ионно-плазмен­ное травление (ИПТ) представляет собой процесс удаления материала или по всей плоскости пластины (очистка) или только по ри­сунку, задаваемому маской.

При ИПТ значи­тельный интерес представляют эффекты подтравливания, селективности, возникающие при распылении материа­ла.

В зависимости от механизма ТП различают два метода трав­ления: физическое распыление и плазмохимическое травление. При использовании первого метода предполагается применение хими­чески инертных ионов (травление протекает за счет физического распыления), при втором—использование химически активных частиц (травление осуществляется за счет образования летучих химических соединений стравливаемого вещества и химических компонент плазмы).

Для ВЧ и СВЧ разрядов основными параметрами плазмы являются плотность n _пл, электронная температура T_e и степень ионизации a_пл плазмы. ВЧ плазма образуется при давлениях 1,33—8 Па, когда n _пл (2—7)∙10¹⁵ м^-3, T_e =8—12 эВ. СВЧ плазма существует при давлениях в 1000 раз меньших, но плотностях заряженных частиц в 100 раз больших, чем ВЧ плазма. Степень ионизации СВЧ плазмы достигает 2 %, а ВЧ — 10^-6 %.

Рис. 1. Схема реактора высокоплотной плазмы.

Блок-схема реактора высокоплотной плазмы ВЧИ разряда представлена на рис.1.

Реактор состоит из двух камер: разрядной и реакционной. Плазма ВЧ индукционного разряда

(f=13,56 МГц, W=1500 Вт), создаваемая в разрядной камере в неоднородном магнитном поле, диффузно распространяется в реакционную камеру. В ней, на расстоянии 20 см от зоны генерации разряда находится Al держатель на котором устанавливается пластина. На держатель с целью управления энергией ионов от отдельного генератора подается ВЧ напряжение (f=13.56 МГц, 600 Вт). Рабочие газы – СНF₃, C₃F₈ и др. подавали в разрядную камеру. Откачка осуществляется турбомолекулярным насосом. Рабочий диапазон давлений - 0.1-1.5 Па. Плотность ионного потока - до 20 мА/см². Энергия ионов 15- 600 эВ.

Разряд при низких давлениях воздуха, создаваемый поверхностной СВЧ волной на внешней поверхности диэлектрической пластины.

Данный тип разряда используется для создания плазмы в сверхзвуковом потоке воздуха при высоких давлениях газа р=100-760 Тор [1-5]. При этом разряд создается на внешней поверхности диэлектрической антенны. Он представляет собой плазменный волновод, по которому распространяется поверхностная волна, поддерживающая ионизацию газа. При этом в широком диапазоне частот можно получать плазменную область значительной протяженности и формы. Особенностью такого разряда являются принципиальная возможность создания сверхбольших размеров плазмы d>300 мм; принципиально сверхвысокая концентрация заряженных частиц, обусловленная тем, что разряд может гореть только при концентрациях электронов n_e больших, чем критическая n_кр концентрации электронов. Критическая концентрация электронов равна 2⋅10¹² см^-3.

Преимуществами данного плазменного реактора по сравнению с используемыми в настоящее время являются высокая, превышающая критическую, концентрация электронов, возможность одновременной обработки нескольких пластин, отсутствие внешнего магнитного поля.

Поверхностный СВЧ разряд создавался с использованием в качестве источника СВЧ энергии импульсного магнетронного генератора сантиметрового диапазона длин волн. Магнетронный генератор мог работать либо в разовом режиме, либо в режиме частых посылок и имел следующие рабочие характеристики: длина волны λ=2,4 см; отдаваемая в тракт импульсная СВЧ мощность W<300 кВт; длительность СВЧ импульса τ=1-100 мкс; скважность в режиме повторяющихся импульсов Q=1000, при этом средняя мощность не превышает 300 Вт. Питание магнетрона осуществлялось импульсным модулятором с частичным разрядом накопительной емкости. Работа импульсного модулятора основана на принципе относительно длительного накопления энергии в течение паузы между импульсами и кратковременной отдачи ее генератору СВЧ во время импульса. СВЧ энергия поступала в разрядную камеру по волноводному тракту прямоугольного сечения 9,5x19 мм².

Введенный в разрядную камеру конец волновода оканчивался диэлектрическими антеннами либо диэлектрической пластиной, на внешней поверхности которых создавался поверхностный СВЧ разряд в широком диапазоне давлений от 10^-3 до 10 Тор.

При низких давлениях, когда длина свободного пробега l _i ве­лика, ионы, ускоряясь полем, перпендикулярным поверхности под­ложки, пересекают плазменное пространст­во без соударений с другими ионами или нейтральными атомами. В этом случае они бомбардируют поверхность по нормалям к ней, осуществляя травление без подтрава (анизотропно). Глубина травления h обыч­но на два порядка меньше, чем ширина d_i ионной оболочки, поэтому последняя прак­тически не искажает траектории движения первичных ионов, но искажает траекторию движения вторичных (отраженных поверх­ностью) ионов. Схема ИПТ представлена на рис. ИПТ.1.

Для получения топологического рисунка ИПТ необходимо, чтобы скорости травления маски и основного ма­териала были различны. Как от­мечалось в ранее, основным параметром скорости травления u_тр является коэффициент распыления К _п:

u_тр =1,6*10⁷ К _п/ n _а, (448 11.1)

где n _а — плотность атомов в материале мишени, м^-3.

Коэффициент К _п зависит от угла падения ионов j _i описывается соотношением

К _п = К _п0 cos j _i

где К _п0 — коэффициент распыления при нормальном падении бом­бардирующих ионов; cos j _i — степень уменьшения плотности тока на мишени при отклонении ионов от нормали.

Принимая во внимание, что К _п0= CS_nf(m_i/m_a) /D Q _субл, получим

К _п = C (S_nf(m_i/m_a)/ D Q _субл)•cosj _i, (449 11.2)

где С — постоянная; S_n — интенсивность ядерного торможения; f(m_i/m_a)

— функция отношения масс падающих ионов и атомов ми­шени (подложки); DQ_субл— поверхностный барьер распыления атомов, приравниваемый к теплоте сублимации распыляемого ве­щества.

Рис. Схема ИПТ: а – р=1,32•10^-2 Па; l_i>d_i; б – р-26,6 Па; l_i<d_i; 1 – плазма, состоящая из ионов +, электронов – и нейтральных атомов n; 2 – ионная оболочка; 3- маска; 4- подложка

Используя зависимость K _п0= f (DQ_субл), можно изменять K _п0 в процессе селективного травления, меняя DQ_субл отдельных мате­риалов за счет их пассивации. Например, введение в плазму химического пассиватора (кислорода) позволяет благодаря образова­нию оксидного слоя на таких металлах, как Al, Cr, Ti и др., резко повысить DQ_субл, оставив эту величину неизменной для Au, Pt, Ag и тем самым увеличив относительные скорости травления.

На рис. ИПТ3, а показана схема прямого рас­сеяния ионов и их реиспарения со стенок маски различной крутиз­ны (b _i ¹ b _i '). Важной характеристикой является функция углового распределения f (j _i). Она определяет характер распыления матери­ала от точки О и столкновения травящей частицы с поверхностью, а также осаждения распыляемого материала на другие точки поверхности. Такое взаимодействие существенно влияет на оконча­тельную топографию поверхностной структуры МРЭУ.

На рис. ИПТ3, б показана схема образования канавок на границе подложка — маска. Поскольку область поверхности, прилегающая к краям маски, бомбардируется ионами под меньшим углом j _i, чем область, удаленная от маски на некоторое расстояние, создаются более бла­гоприятные условия для испарения с поверхности образца, чем в области поверхности, удаленной от края маски. Очевидно, что об­разование канавки или “ступеньки” зависит от преобладания трав­ления или реиспарения. Оно определяется углами j _i, y _i, b _i (рис. ИПТ2, a).

В большинстве используемых для травления систем применяет­ся несфокусированная плазма. Поэтому травлению подвержены как основной материал, так и маска (рис. ИПТ2.6). Анализ профиля краев маски до травления и изменения его в процессе травления ионами в перпендикулярном направлении к поверхности позволяет запи­сать выражения для анизотропии травления подложки (A _п), маски (A _м) и селективности травления подложки относительно маски Se _пм:

A _п = u _тр.п(0°)/ u _тр.п(90°); A _м = u _тр.м(0°)/ u _тр.м(90°); Se _пм = u _тр.п(0°)/ u _тр.м(0°), (450)

где u _тр.п(0°), u _тр.м(0°), u _тр.п(90°), u _тр.м(90°) – скорости травления подложки и маски в нормальном и тангенциальном (боковом) направ­лениях (угол отсчитывается от норма­ли к поверхности).

Рассмотрим пример - случай, когда скорость бокового трав­ления маски меньше, чем скорость бокового травления подложки, т. е.

u _тр.м(90°)< u _тр.п(90°). Тогда Se _пм> A _п/ А _м.

Согласно рис. 11.6, а:

tg a = k_п/d_п = A _п; d_п = h _п/ A _п ; L _п = L _м + 2 h _п/ A _п , (451)

где a — угол травления; h _п — глубина травления подложки; d_п — приращение ширины окна в подложке за счет ее бокового травления; L _п — ширина ок­на в подложке после травления; L _м — ширина окна в маске.

Учитывая соотношения (451) можно оценить анизотропию травления, которая нужна для получения требу­емого разрешения в материале подлож­ки. Допустим, L_м=0,3 мкм. Тогда для

получения примерно такого же размера в подложке на глубине h _п = 0,5 мкм необходимо, чтобы A _п ³30.

На рис. 11.6, б представлен случай, когда Se _пм< A _п/ А _м, что характерно для органических масок фото-, электроне-, рентгене- и ионорезистов, для которых скорость бокового травления маски больше, чем для подложки. Для этого случая:

(452 11.5)

где δ_м — приращение ширины окна в подложке за счет бокового травления маски.

Селективность травления различных материалов достаточно хо­рошо изучена и обеспечивает возможность создания заданной микротопологии.

Отрицательным явлением при травлении является также вто­ричный эффект напыления на боковые стенки маски. Опишем про­стую модель потока распыленного материала, осаждающегося на вертикальные стенки маски, при косинусоидальном распределении распыленных частиц и используя схему, показанную на рис. 11.7.

Поток вещества в точке y:

где I ₀ — плотность потока частиц при j₁ = 0. Для схемы рис. 11.7, а

для схемы рис. 11.7, б

(453)

Зная зависимость скорости травления от угла падения ионов, можно определить значение a=a_c (заданную степень наклона сте­нок), при котором скорости травления и напыления наклонной плоскости равны между собой (точка пересечения кривых скоро­стей травления и напыления на рис. 11.8). Из рисунка видно, что для резиста с низкими стенками скорость роста пленки на верти­кальной стенке (a=90°) равна половине скорости травления по­верхности. Резисты можно использовать в качестве масок при травлении как металлов Al, Cu, Au, так и полупроводников Si, GaAs.

При ИПТ свойства элементов РЭА изменя- ются в результате появления различных радиационных дефек- тов на поверхности по­лупроводника, оксида и границе их раздела. При больших энерги­ях частиц плазмы в пленке SiO₂ происходит захват ионов поверх­ностными слоями, возникают поверхностные состоя- ния, фиксиро­ванные и подвижные заряды на границе раздела оксид-полупроводник и даже пробой диэлектрика. Поверхностные состоя - ния воз­никают из-за создания на поверхности SiO₂ фотонов с энергией 8,8 эВ. Такие дефекты ликвидируются путем отжига при темпера­туре 673 К. При такой же температуре ликвидируются дефекты, вызванные захватом ионов пленкой SiO₂. Концентрация захвачен­ных ионов Аг⁺ в пленке до отжига может достигать 2*10²² м^-3. Де­фекты, обусловленные появлением подвижных зарядов, уничтожа­ются только при 1173 К.

Пробой диэлектрика происходит при облучении его поверхности положительными ионами плотностью мощности, превышающей 10¹⁸ Вт*м^-2. Такой дефект, как правило, не устраняется отжигом.

Описанные виды дефектов являются причиной изменения полу­проводниковых свойств подзатворного оксида в МРЭУ на основе МДП-структур. Для сохранения качества необходимо экраниро­вать оксидированную поверхность от облучения, например, с по­мощью металлизации или каким-либо другим способом.

Дата добавления: 2014-01-07