Рис. 6 схема типичной конструкции планарного реактора
Однако более плотную плазму проще получить в индуктивно возбуждаемом разряде (Н-разряд). Разработчики технологического оборудования попытались совместить в одной системе оба типа разряда, что привело к соз-данию систем, схема которых представлена на рис. 7. Плазменное поле создается индуктивным ВЧ разрядом, возбуждаемым генератором 1. Частота генератора и конструкция катушки оптимизированы для получения плазмы высокой плотности. Реактивные ионы экстрагируются из плазменного поля ВЧ смещением поодложкодержателя с полупроводниковой пластиной, создаваемым генератором 2. Как правило, частота генератора 2 ниже частоты генератора 1 и она, наряду с амплитудой напряжения, определяет энергию ионов падающих на обрабатываемую пластину. Таким образом, в ICP реакторах возможно раздельное управление плотностью плазмы и энергией реактивных ионов. Отметим, что оптимизация энергии ионов возможна и в обычных планарных ректорах, в которых обычно осуществляется дополнительное смещение подложки источником постоянного напряжения. Меняя величину и полярность этого напряжения можно в определенных пределах изменять энергию ионов.
Обладая целым рядом преимуществ и удовлетворяя практически всем требованиям для
прецизионного травления, ICP реакторы фактически являются стандартным
оборудованием при производстве микросхем с субмикронным разрешением.
Анализ ключевых аспектов плазменного травления
Скорость травления. Скорость травления определяется многочисленными факторами, главными из которых являются: конфигурация плазменной системы, оптимальный выбор плазмообразующих газов, ВЧ мощность и рабочее давление. Как уже отмечалось выше, наиболее оптимальной является конструкция, обеспечивающая получение плазмы высокой плотности. Использование систем типа ICP реакторов с ВЧ генераторами с мощность от 0,5 до 2 кВт позволяет создать вблизи поверхности подложки плотность ионов от 3*1010 до 3*1012 см-3 . Рабочее давление влияет на скорость изотропность и однородность травления через изменение длины свободного пробега ионов. Высокое давление увиличивает однородность процесса, но приводит к изотропному травлению и снижению величины скорости процесса. Понижение давления улучшает разрешение процесса за счет усиления анизотропии процесса, увеличивает скорость травления, но увеличивает число радиационных повреждений в микроструктурах. В современных системах оптимальное давление лежит в пределах от 0,2 – 50 мТор.
Рис. 7 схема типичной конструкции ICP реактора
Сильное влияние на скорость травления оказывает правильный
выбор реактивного газа или смеси газов. Однако подбор оптимальной газовой среды
определяется не только производительностью процесса, но и достижением высокой
селективности травления. В зависимости от конструкции микроструктуры и
следовательно комбинации ее материалов скорости травления могут изменяться от
600 до 2000 A/мин.
Селективность. Селективность определяется через отношение скоростей травления
различных пар материалов, входящих в состав микроструктуры. При проведении
процесса травления ключевым моментом является оптимальная остановка процесса и
отсутствие такого нежелательного явления как перетрав (overeth), заключающийся
в травлении нижележащего слоя.. В идеале время травления можно рассчитать, зная
толщину удаляемого слоя и скорость травления материала в заданных условиях.
Однако на практике всегда присутствую такие негативные явления как
неоднородность толщины и состава обрабатываемых слоев. Кроме того, при
травлении сложных многоплановых структур проявляются эффекты различия скоростей
травления для малых и больших площадей (microloading). Этот эффект
присутствует, например при вскрытии контактных окон в сложных структурах. Кроме
того, обрабатываемые слои на различных участках схемы могут иметь различные
толщины, что так-же приводит к перетраву.
Вторым важным моментом при рассмотрении проблемы селективности есть оптимальное
соотношение скорости травления удаляемого слоя и фоторезиста. Сухие плазменные
процессы имеют достаточно высокие скорости травления резистов. Особенно сильно
эта проблема проявляется при травлении с высоким разрешением, так как в этом
случае толщина резиста не может превышать толщины линии, или при получении
структур с высоким отношением высоты линии к ее ширине.
Для выбора оптимальной селективности процесса используют следующие приемы и
методы
1. Выбор оптимального реактивного газа.
2. Выбор оптимальной скорости травления
3. Снижение концентрации реактивного газа при завершении процесса травления.
4. Введение в систему различных устройств определения окончания процесса
(endpoint detector).
Возможность травления структур с высоким отношением высоты линии к ее ширине.
Новые конфигурации транзисторных структур с вертикальным расположением активных
областей (полевой транзистор с вертикальным каналом, туннельный резонансный
транзистор и т.д.) предъявляют новые требования к технологии травления. В
частности она должна обеспечивать травление линий, в которых высота в несколько
раз превышает ширину линии (lines with high-aspect-ratio features). При этом
возникает целый ряд специфичных проблем, главная из которых заключается в
неоднородном заряжении микроструктур (aspect ra-tio charging or electron
shadowing). Суть этого явления заключается в следующем: плазма обычно заряжена
положительно по отношению к стенкам реактора и обрабатываемой по-верхности.
Положительные ионы движутся из поля плазмы перпендикулярно к поверхности.
Электроны в общем случае не попадают на поверхность пластин.
Рис.8 cхема реактора с магнитной ловушкой для горячих электронов.
Однако в системах с высокой плотностью плазмы, при большом
положительном смещении полупроводниковой пластины, наблюдается существенный
поток горячих электронов (с энергией до 10000-50000 К) к обрабатываемой
поверхности. Так как электроны имеют большую энергию, то это движение носит
диффузный и, следовательно, изотропный характер. Электроны захватываются
верхними диэлектрическими слоями микроструктуры, что приводит к отрицательному
заряжению этих слоев по отношению к слоям, формирующим дно линии. Это приводит
к появлению большой разности потенциалов, котрая формирует электрическое поле
отталкивающее положительные ионы от дна микрорельефа на стенки линии, что
проявляется в боковом перетраве и формировании линий с невертикальными
стенками.Предлагаются различные приемы снижения отрицательного заряжения
поверхности пластин. Один из них заключается в импульсном возбуждении плазмы
высокой плотности. В то время, когда обрабатываемая поверхность поляризуется положительно,
возбуждающий плазму импульс выключается. Показано, что за время порядка 10 мкс
горячие электроны сбрасывают свою энергию приблизительно до единиц эВ, что
существенно снижает эффект заряжения. В ряде разработок используются различные
ловушки горячих электронов, двигающихся по направлению к обрабатываемой
пластине. Одна из таких конструкций приведена на рис. 9. На горячие электроны при их движении к
подложке действует сила Лоренца препятствующая их проникновению к
обрабатываемой поверхности.
Отметим, что создание реакторов с высокой плотностью реактивных ионов и
холодной электронной компонентой является все же не решенной задачей, и
технологи чаще пользуются различными приемами защиты боковых стенок линий,
введением различных пассивирующих добавок в плазмообразующие смеси. Так,
например, при травлении Si добавка кислорода приводят к тому, что оксидная фаза
образующаяся на вертикальных и горизонтальных поверхностях микроструктуры
медленнее стравливается с боковых поверхностей.
Рис.9 cхема ионно-лучевого травления
Материалы. Для реализации реактивного травления необходимо
обеспечить появление в ходе плазмохимических реакций на поверхности образование
легколетучих компонентов, т.е. веществ с низкой температурой плавления и
испарения. Такими свойствами обладают фториды, хлориды и некоторые гидратные
формы полупроводниковых соединений. Именно поэтому для реактивного травления
используются газообразные соединения F, Cl иногда Br. В таблице 2 приведены основные
плазмообразующие газы используемые для реактивного травления.
Важной материаловедческой проблемой остается сильная химическая активность
реактивной плазмы и химических продуктов процесса травления. Особенно это относится
к Cl содержащим газам. Их применение предъявляет высокие требования к
коррозионной стойкости конструкционных материалов реактора, нанесение различных
пассивирующих покрытий и тщательной процедуры очистки реактора и обрабатываемых
изделий от остатков процесса травления. Серьезной проблемой остается химическая
стойкость рабочих жидкостей турбомолекулярных и механических насосов. Все это
приводит к тому, что существует общее стремление к использованию
плазмообразующих газов на основе фторуглеродных соединений (CnFv).
Резист. Одной из ключевых проблем субмикронной литографии является низкая
стойкость к плазменным процессам существующих резистов. Представляя собой
органические полимерные композиции они легко разрушаются в ходе плазменного
травления. Кроме того плазменная обработка сопровождается определенным нагревом
обрабатываемой поверхности, что приводит к дополнительной деградации
резистивного слоя. При создании структур с высоким отношением высоты линии к
ширине толщина резиста не может превышать ширину линии. Это приводит к
необходимости использования сложных многослойных резистов, в которых обычные
полимерные композиции обеспечивают высокую экспозиционную чувствительность,
тогда как другие добавляют необходимую плазмо- и термостойкость. Альтернативный
подход заключается в разработке принципиально новых резистов на основе
неорганических материалов, которые по своей природе имеют высокую стойкость к
плазменным и термическим обработкам.
Таблица 2. Реактивные плазмообразующие газы
Материалы
Используемые газы
Новые газы
Примечания
Si
SF6 + CHF3; CF4+ CHF3; CF4 + O2
C2F6; C3F8
CHF3 – пассивирующий газ
SiO2
CF4; CCl2F2; SF6 + CHF3
C2F6; C3F8
Поли Si
Cl2 или BCl3 + CHF3 или CCl4
HBr + O2
CHF3 или CCl4 -пассивирующие газы
Al
Cl2 ; BCl3
HBr + Cl2
Нет загрязнений C
Si3N4
CCl2F2 ; CHF3
CF4 + H2
W
SF6 + Cl2 + CCl4
.NF3 + Cl2
Не травит ТiW, TiN
TiW
SF6 + Cl2 + O2
SF6
GaAs
CCl2F2
SiCl4 + SF6
Не травит AlGaAs
InP
нет
СH4 + H2
Ионно-лучевое травление
Рис. 7 схема типичной конструкции ICP реактора
Второй разновидностью ионных процессов применяемых в технологии травления микроструктур является ионно-лучевое травление. Схема ионно-лучевой установки приведена рис. 7. В ранних системах использовалось физическое ионное травление, когда поток ионов инертного газа (Ar) бомбардировал поверхностные слои микроструктуры, травя ее по механизму катодного распыления. Для создания достаточно широкого и плотного пучка ионов использовались различные типы ионных пушек с горячим катодом. Однако подобные процессы обладали низкой селективностью. После того, как были разработаны ионные источники без горячего катода, основное внимание уделялось разработке систем для реактивного ионно-лучевого травления, которое осуществлялось потоком ионов реактивных газов. Подобные системы обладают рядом преимуществ перед обычными плазменными и демонстрируют, в частности, высокую селективность процесса. Так при травлении диоксида кремния на кремнии было достигнуто отношение скоростей травления до 35:1, тогда как для плазменных планарных систем это отношение не превышает 10:1. Кроме того, показано, что по-добные системы уменьшают загрязнения структур и снижают требования к корозионной стойкости материалов реактора.
Химическое травление потоком нейтральных частиц
Рис.10 cхема реактора для химического(радикального) травления
В системах травления на основе ионных процессов происходит обработка микро-структур заряженными частицами с высокой энергией – ионами, электронами. В системе присутствуют сильные магнитные и электрические поля. Все это неизбежно приводит к созданию различного рода радиационных повреждений в обрабатываемой схеме. Кроме того, в ряде случаев плазменные процессы обладают недостаточной селективностью. Все это приводит к тому, что продолжается работа над разработкой систем для травления структур незаряженными частицами. Одним из наиболее продвинутых процессов является травление потоком химически активных но нейтральных частиц (сhemical downstream etching or CDE process). К таким частицам относятся свободные радикалы и некоторые короткоживущие молекулярные комплексы, которые возникаю в плазме соответствующих газов. Типичная схема установки для травления потоком частиц приведена на рис. 10.
СВЧ разряд в реактивном газе возбуждается в кварцевой
трубе, помещенной в волновод. За счет разницы давлений в разрядной камере и
реакторе плазма распространяется по транспортной трубе в разрядную камеру.
Однако заряженные частицы быстро рекомбинируют, тогда как радикалы достигают
обрабатываемой пластины.
Основное применение такого процесса находится в технологических операциях
связанных с изотропным но высоко селективным травлением. Например, при удалении
рези-стов, при травлении маски из нитрида кремния на оксиде или поликремнии в
LOCOS процессах. При применении CDE процессов в комбинации с созданием
пассивирующими слоями на боковых стенках линий было достигнуто травление с
высокой анизотропией, достаточной для травления структур с высоким отношением
высоты к ширине линий.
Заключение
Процессы плазменного травления широко применяются в микроэлектронике
для создания топографического рельефа при производстве микросхем высокой
степени интеграции. Существующие системы и процессы, в совокупности с
прецизионным подбором сложных плазмообразующих смесей и применением
многослойных резистов, позволяют решить все возникающие задачи. Однако
сложность и разнообразие задач заставляет применять практически для каждого
литографического процесса при производстве многослойной схемы индивидуальные
для каждой операции системы ионного или химического травления.
Наиболее широкое применение
находят относительно дешевые планарные реакторы с конденсаторно возбуждаемой
плазмой. Однако наметилась общая тенденция перехода к более сложным и
следовательно более дорогим системам с индуктивно возбуждаемой плазмой.
Возможность раздельного управления плотностью плазмы и энергией реактивных
ионов позволяет легче приспособить процесс к возникающим технологическим
задачам.
Однако переход к новому уровню интеграции, связанному с внедрением нового
литографического процесса (110 нм), переход к 300 мм полупроводниковым
пластинам ставит перед разработчиками задачу создания новых систем, в которых и
процессов травления, в которых высокие параметры процесса будут достигаться при
приемлемой цене оборудования.
Страницы: 1, 2
