Особенности травления диэлектриков с высоким аспектным соотношением

В производстве ИС наблюдается увеличение применений диэлектрических элементов микроструктур с большим аспектным соотношением. Этот ряд, включает травление диэлектриков, особенно окисла, с высоким аспектным соотношением и вертикальным профилем. Один из наиболее перспективных из этих типов применений включает формирование твердой маски, используемой для травления канавок для щелевых конденсаторов. В этом случае резист наносится поверх пирога SiO₂/Si₃N₄, который используется в качестве твердой маски для травления глубоких канавок в кремнии. Толщина окисла задается исходя из его скорости травления при травлении канавки. Обычно это 0,5 мкм. Толщина нитрида порядка 0,2 мкм и определяется другими соображениями. Поскольку главной задачей является минимизация литографических размеров, то аспектное соотношение в этом случае может достигать более чем 6:1.

Основная задача, стоящая на этом уровне – реализация литографии в глубоком ультрафиолетовом диапазоне по суб - 0,2 мкм топологическим нормам. При работе на больших топологических нормах (> 0,25 мкм) структуры могут травиться с большими процессными допусками, поскольку используются более толстые слои фоторезиста. Проблемы появляются при работе на малых топологических нормах, когда толщина фоторезиста снижается, а его чувствительность к процессам ПТ увеличивается. Как уже упоминалось, дополнительное травление органического или диэлектрического АОП дополнительно утоняет фоторезист. В этих случаях используют АОП толщиной порядка 0,1 мкм.

Процесс травления через твердую маску состоит из травления АОП и двух этапным травлением диэлектрика. В случае 0,18 мкм топологических норм толщина фоторезиста меньше 0,6 мкм. Это приводит к образованию на фоторезисте фасок, которые могут передаваться в изображение маски. Дополнительно, при определенных условиях, изменение морфологии фоторезиста может вызвать маскирование подложки, позднее вызывающее «микротрещины», ведущее к появлению проблем надежности. Следовательно, процесс травления должен быть разработан так, чтобы избежать изменений характеристик фоторезиста при одновременном обеспечении достаточной энергии процесса, необходимой для образования летучих продуктов травления окисла кремния. Одновременно, необходимо обеспечить точное воспроизведение топологических размеров. Травление АОП обычно проходит в смеси кислорода и фторуглеродов. При использовании стандартных процессов травления на тонких фоторезистах появляются микротрещины. Образец с окислом был обработан в МРИТ реакторе с емкостной связью в среде CHF₃/CF₄ при мощности разряда 800 – 1100 Вт. Использовался позитивный фоторезист, прошедший термообработку при 95 ^оС. В настоящее время точная причина появления этих микротрещин остается неопределенной. Одна из возможных причин, по которой они могут появляться - это взаимодействие фоторезиста, разработанного для литографии в глубоком ультрафиолете, и фоновым плазменным излучением, что приводит к образованию корки, которая в дальнейшем действует как микромаска. Их появление также зависит от количества химически активных частиц в плазме, которые могут усиливать микромаскирование, а также от мощности смещения в реакторе, приводящей к распылению выступов на резисте, формируя, таким образом, зубчатый профиль. Хотя первичный механизм повышения сохранности фоторезиста не известен, процесс оптимизации травления может дать желаемое улучшение, правда, за счет снижения скорости травления. Для некоторых МРИТ реакторов это может быть достигнуто за счет повышения напряженности магнитного поля, что увеличивают плотность ионов. Однако, напряженность магнитного поля ограничивается требованием к его однородности, что определяется конструкцией реактора и используемой газовой средой.

Процессы травления, спроектированные для обеспечения стойкости фоторезиста, могут проявлять большую степень конусности получаемого изображения. В случае, когда избыточная полимеризация происходит вблизи дна структуры, изменение критических размеров может превысить 0,04 мкм. Увеличение ионного потока или понижение полимеризации улучшает анизотропию, но может вызвать рост повреждений фоторезиста и образование микротрещин.

Дальнейшее повышение селективности к резисту может быть достигнуто использованием более селективных газовых смесей (например, смесей, основанных на C₄F₈). Эти газовые смеси, часто используемые при травлении контактов, могут привести к большему риску остановки травления из – за дополнительного осаждения полимера. Газы, удаляющие полимеры, такие, например, как кислород, могут добавляться в смесь для контроля скорости осаждения полимера на подложку. Однако, слишком большая добавка кислорода приводит к эрозии фоторезиста. Аналогично, увеличение мощности или понижение давления, может увеличить поток ионов на подложку, что позволяет избежать прекращения травления. Однако данный прием также может привести к увеличению повреждений в фоторезисте. Борьба с остановкой травления и образованием микротрещин при использовании реакторов с емкостной связью весьма затруднительна. Это происходит потому, что ионный поток, энергия ионов и химия плазмы связаны так, что весьма трудно одновременно добиться высокой скорости, низкого уровня повреждений на фоторезисте, высокой однородности травления и хорошего воспроизведения критических размеров. В связи с этим целесообразно использовать реакторы ТСП, которые обеспечивают большую гибкость в таких сложных процессах, как травление с твердой маской.

В ТСП системах высокоплотной плазмы рабочее давление может быть значительно ниже 5*10^-3 Тор и диффузионная и полевая подвижность химически активных частиц соответственно возрастает. Такие эффекты, как задержка РИТ, ионное и нейтральное затенение, а также перенос нейтральных продуктов, значительно понижаются. Дополнительно, плотность ионов независимо увеличивается за счет увеличения мощности без увеличения ионной энергии, что потенциально снижает повреждения в фоторезисте. Правда, в некоторых случаях бывает целесообразно соединять в последовательной цепочке процессов травления стадию ТСП травления с традиционным РИТ, поскольку последнее, за счет большего потенциала на границе плазма – поверхность способствует удалению остаточных полимеров. Например, при травлении АОП.

Также большое влияние на слои фоторезиста может оказывать состав используемой газовой смеси. Использование, например, CF₄/CHF₃ в реакторах высокоплотной плазмы может приводить к появлению заметной потере толщины и образованию дефектов в слое фоторезиста. Это происходит потому, что более плотный ионный поток удаляет слишком много полимера, защищающего верхние слои фоторезиста. Большая эффективность диссоциации и более плотный ионный поток позволяют использование в ТСП процессах газов с большей полимеризационной способностью (например, C₄F₈). Хотя возможность остановки процесса травления все еще сохраняется, однако, возможность независимо настраивать плотность и энергию ионного потока обеспечивает большую гибкость процесса. Из-за низких рабочих давлений (то есть, увеличенной диффузионной подвижности частиц), условия на стенках реактора играют более важную роль в реакторах высокоплотной плазмы. Например, чтобы управлять ростом полимера на стенах, регулируется температура стенки, и предварительно до начала обработки пластины используется кислородсодержащая стадия очистки. Было показано, что в течение типичного процесса травления в высокоплотной плазме по крайней мере со скоростью 300 нм/мин происходит осаждение полимера на непотенциальные стенки реактора, что приводит к неустановившемуся состоянию системы во время травления. Широко используемая для травления окисла кремния в высокоплотной плазме газовая смесь содержит благородный газ (Ar или He), C₄F₈ и C₂F₆. Для этого в случая были предложены несколько возможных механизмов травления окисла кремния. Поскольку C₄F₈ является напряженной кольцевой молекулой, то продукты диссоциации, как ожидается, состоят из высокого уровня CF_x (x£2) полимерных радикалов. С другой стороны, C₂F₆ является линейной молекулой и вероятно производит более высокие фракции CF₃ цепочных радикалов. В любом случае получаемые результаты травления зависят от специфики используемых процессов, плотности плазмы и электронной температуры.

Травление окисной твердой маски в Ar/C₄F₈/C₂F₆ действительно ведет к получению профиля боковых стенок лучше, чем достигается в традиционных газовых смесях (CF₄/CHF₃) в реакторах диодного типа. Увеличение отношения C₄F₈/C₂F₆ увеличивает одновременно конусность окисла и селективность фоторезиста (увеличенная полимеризация). Во многих случаях селективность фоторезиста обратно пропорциональна скорости травления окисла. Точный механизм остается не ясным, но разумно предположить, что кислородсодержащие продукты травления могут способствовать потере фоторезиста. Разбавление активных газов или снижение напряжения смещения снижают скорость травления окисла и увеличивают селективность по отношению к фоторезисту. Для каждого конкретного случая селективность к фоторезисту, скорость травления окисла и угол окисного конуса должны быть оптимизированы.

Процессы травления окисла в реакторах высокоплотной плазмы могут оказывать большое влияние на стойкость фоторезиста. Благодаря высокой плотности плазмы в таких реакторах значительно большее количество полимера осаждается на пластину при больших значениях температуры. Например, высокоселективный процесс, основанный на C₄F₈, был использован для травления окисной пленки. Полимер, образовавшийся во время травления, накапливался на фоторезисте, обеспечивая селективность к фоторезисту. Такое накопление полимера эффективно предотвращало улетучивание побочных продуктов с фоторезиста и нижележащей подложки. После травления нагрев подложки вызывает удаление этих побочных продуктов.

Другой подход к решению проблемы повышения селективности к фоторезисту в процессах травления SiO₂ заключается в модернизации системы охлаждения подложки, что предусматривает подачу потока гелия под пластину.

Травление нитрида кремния в системах высокоплотной плазмы менее хорошо изучено. Обычный подход заключается в добавлении кислорода в вышеупомянутую смесь Ar/C₄F₈/C₂F₆. Это, однако, ведет к повреждению чувствительных DUV фоторезистов. Возможные механизмы заключаются в увеличении химического воздействия на фоторезист и снижения толщины защитного полимерного слоя. Для обеспечения адекватной защиты фоторезиста требуются безкислородные газовые смеси, имеющие достаточную активность по отношению к нитриду кремния. В этом случае не наблюдается заметного изменения критических размеров (КР) в слое нитрида и общая селективность фоторезиста была улучшена по сравнению с обычными плазменными источниками. Некоторые из характеристик процесса представлены в таблице 2.1. Из данных таблицы видно, что производительность источника высокоплотной плазмы более, чем в три раза выше, чем производительность обычных плазменных источников, оправдывая тем самым их высокую исходную стоимость.

Таблица 2.1

Параметр	Обычный реактор	Реактор высокоплотной плазмы
Уход размеров, нм		£ 5
Скорость травления окисла, нм/мин
Скорость травления нитрида, нм/мин	1,5	6,5
Селективность к фоторезисту	2,5:1	2,9:1

Дата добавления: 2014-01-15