Основы технологии плазмохимического травления

Для проведения ПХТ различных материалов (удаления фото­резистов, очистки пластин, вытравливания профиля структур и др.) используется газоразрядная ВЧ плазма низкого давления. Высоко­частотный способ возбуждения плазмы имеет ряд преимуществпосравнению с возбуждением при постоянном токе: 1) ВЧ индуктор или возбуждающие электроды находятся вне камеры и, следова­тельно, не взаимодействуют с плазмой, не загрязняют пространст­во рабочей камеры; 2) достигается большая однородность распре­деления частиц плазмы по рабочему объему реакционной камеры.

Большинство процессов ПХТ проводится при частотах разряда 10⁶—10⁸ Гц. Первоначально из реактора откачивается воздух до давления 10^-5—10^-7 Па, после чего напускается смесь газа-реаген­та с инертным газом заданного состава или чистый газ-реагент до давлений 10—600 Па. Автоматические вентили на продолжении всего технологического цикла поддерживают заданное давление. Газ-реагент выбирается в зависимости от травящегося материала. Удаление фоторезистов осуществляется в кислородной плазме или смеси кислорода с аргоном и азотом. Для травления кремния Si, его диоксида SiO₂ и нитрида Si₃H₄ используется четырехфтористый углерод CF₄ или дифтордихлорметан CF₂Cl₂. Могут применяться и другие смеси, которые образуют летучие соединения (CF₄+O₂, SF₆+O₂ и т. д.) с травящимся материалом, легко удаляемые пу­тем откачки.

Процесс ПХТ является многофакторным, т. е. на его результа­ты влияют состав плазмы, мощность разряда, градиент концентра­ции ХАЧ по длине и сечению рабочей камеры, скорость потоков газа, определяющая газодинамическую обстановку в реакторе, со­отношение размеров камеры и обрабатываемых пластин, геометрия их расположения относительно направления полета ХАЧ плазмы, градиент температуры и др. В большинстве случаев взаимосвязь параметров качества обрабатываемых изделий и указанных тех­нологических факторов находится экспериментально. Только пос­ле этого строится модель процесса.

Основная область применения ПХТ—создание заданных рисун­ков элементов МРЭУ. Травление в плазме обеспечивает более вы­сокую разрешающую способность литографии, улучшая качество края пленок и уменьшая подтравливание той части защищенных слоев, которые должны оставаться на пластине. При ПХТ можно осуществить последовательное проведение операций травления и снятия фоторезиста в одной установке. ПХТ позволяет произве­сти анизотропное травление (травление только по нормали к по­верхности структуры), уменьшить число операций за счет ликвида­ции промывки и сушки, повысить выход годных изделий.

Накопилось достаточно данных, позволяющих количественно оценить влияние ряда физико-технологических факторов на результаты ПХТ, главным образом на степень подтравливания и равно­мерность травления. Природа пограничного слоя между плазмой и обрабатываемой поверхностью твердого тела такова, что заря­женные частицы в нем движутся в основном по траекториям, пер­пендикулярным поверхности. Однако это не означает, что боковые стенки слоя совершенно не взаимодействуют с реагентами плазмы. Процесс травления все же остается химическим, поэтому появление какого-то подтравливания неминуемо. Полностью ликвидировать подтравливание можно только детальным исследованием ПХТ и нахождением оптимальных режимов его проведения.

Экспериментально были получены кинетические характеристи­ки ПХТ различных материалов, значения глубины подтравливания и другие технологические параметры.

Выявление кинетических закономерностей и направлений реак­ций в зависимости от режимов их проведения необходимо прежде все­го для рационального управления ПХТ и получения заданных пара­метров качества, например глубины подтравливания, равномерно­сти и селективности травления. Было установлено, что для каждо­го газа или смеси газов существует давление, при котором скорость травления материала максимальна. В табл. 11.5 приведены макси­мальные скорости травления Si, SiO₂ и Мо. Скорость травления различных материалов возрастает при добавлении во фторсодержащие газы определенного количества кислорода (2—30%).

Таблица 11.5. Максимальные скоростиПХТ при различных давлениях

Газ	p, Па	Максимальная скорость травления uтр.макс *10^-9, м/с, для
Si<111>	SiO2	Mo
Аг	2,7	0,23	0,26	0,3
СС13F		1,16	0,16	8,0
CCl2F2		1,05		6,83
CCIF3		1,75		6,83
CF4		6,0	0,41	3,83
CHCl2F		0,91	0,1	3,5
CHClF2		0,75	0,08	0,91
CHCl2F+CHClF2		0,36	0,06	5,83
CHClF2+CHCl2F		0,66		1,83
СН2Сl2		–	–	10,83

Примечание. Площадь поверхности Si—1,62*10^{-3 м2}; SiO₂—5*10^{-3 м2}; Mo—0,8*10^{-4 м2}.

При дальнейшем увеличении концентрации кислорода скорость травления может резко уменьшиться. Точный механизм этого явле­ния пока не ясен. Предполагается, что под влиянием разряда в плазме протекает ряд реакций, которые схематически можно представить в виде

(11.77)

Было установлено, что в плазме CF₄ скорость травления Si резко уменьшается при удалении обрабатываемого образца от зо­ны генерации плазмы; на расстоянии 15 см травление прекраща­ется. Однако при добавлении кислорода скорость травления воз­растает при увеличении расстояния между зоной разряда и образ­цом. Изучение температурной зависимости скорости травления в диа­пазоне 298—493 К показало, что она подчиняется закону Аррениуса.

Селективность травления пленок, формирующих структуру эле­ментов МРЭУ, во многих случаях не столь высока, как хотелось бы иметь для совершенной технологии. Поэтому отыскивают спо­собы повышения селективности травления, например добавляют в травящий газ CF₄ водород, который связывает F, образующийся в результате диссоциации CF₄, тем самым сдвигая реакцию вправо:

CF₄ CF₃^*+F^*+2e.

Радикал CF₃^* взаимодействует с SiO₂, образуя летучее соеди­нение (СF₃)₂O₂ и монооксид кремния SiO, который переходит в ле­тучий силоксан, тогда как в разряде атомарного F восстанавливается до атомарного Si. Уменьшая таким образом скорость травления Si и увеличивая скорость травления SiO₂, получают селективность 16:1.

Профиль травления и его зависимость от физико-химических факторов имеет решающее значение для построения рациональной модели ТП ПХТ. Для получения заданной топологии элементов в РЭА следует точно воспроизводить размеры маски. В случае после­дующего нанесения металлических, диэлектрических и полупроводниковых слоев края маски должны иметь заданный угол наклона. Степень бокового подтравливания в ПХТ зависит от того, какая часть реагентов взаимодействует с вертикальной стенкой образу­емого углубления. Избежать подтравливания можно, увеличив длину свободного пробега частиц и направив их нормально к поверхности. При этом они не будут испытывать столкновений друг с другом, в результате чего боковое (изотропное) подтравливание совсем исчезнет. С этой целью необходимо снижать давление газов в зоне реакции.

Для свободного пробега частиц в плазме l_ХАЧ=(kT)/(pd ²), где k— константа; d— молекулярный (атомный) диаметр части­цы.

Увеличивая или уменьшая беспорядочность движения травящих частиц, можно получить как значительное боковое подтравливание с пологим профилем, так и совершенно крутой профиль травления. В производстве РЭА, как правило, не следует создавать строго вер­тикальный профиль травления, так как в этом случае последующий слой будет иметь реальные и потенциальные разрывы на верти­кальной стенке протравленного окна. Поэтому при ПХТ стараются получить профиль с минимальным углом наклона b стенки канавки, обеспечивающим неразрывность последующих слоев. Поскольку профиль травления в значительной мере зависит от условий ПХТ, важно в каждом конкретном случае строго определить эти усло­вия.

Дата добавления: 2014-01-07