новая папка 1 / 323718
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Часть 2 Особенности радикального травления
полупроводниковых материалов в галогенсодержащей плазме
Учебно-методическое пособие для вузов
Воронеж Издательский дом ВГУ
2014
1
Утверждено научно-методическим советом физического факультета 24 апреля 2014 г., протокол № 4
Составители: Л.Н. Владимирова, Ю.И. Дикарев, В.М. Рубинштейн, В.И. Петраков
Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Терехов
Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники физического факультета Воронежского государственного университета.
Рекомендуется для студентов 3-го курса дневного отделения физического факультета, обучающихся по программе подготовки бакалавров.
Для направлений: 210100 – Электроника и микроэлектроника, 011800 – Радиофизика (профиль подготовки – Микроэлектроника и полупроводниковые приборы)
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Введение................................................................................................................. |
4 |
1. Теоретическая часть.......................................................................................... |
5 |
1.1. Элементарные процессы и реакции в плазме под действием |
|
электронного удара................................................................................ |
5 |
1.1.1. Механизмы генерации химически активных частиц................ |
5 |
1.1.2. Рекомбинация химически активных частиц.............................. |
7 |
1.1.3. Уравнение непрерывности и его решение |
|
для химически активных частиц в разрядной зоне................. |
11 |
1.2.Определение времени жизни, диффузионной длины и коэффициента диффузии химически активных частиц
при радикальном травлении ............................................................... |
13 |
2. Экспериментальная часть............................................................................... |
16 |
2.1. Экспериментальная установка ........................................................... |
16 |
2.2. Методика эксперимента...................................................................... |
17 |
Контрольные вопросы........................................................................................ |
19 |
Литература........................................................................................................... |
19 |
Приложение......................................................................................................... |
20 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Плазмохимическое травление (ПХТ) является одним из важнейших технологических процессов, применяемых в производстве ИМС. Наиболее перспективной разновидностью ПХТ является травление химически активными частицами (ХАЧ) – свободными атомами и радикалами. Оно называется радикальным травлением (РТ). При РТ ХАЧ образуются в плазменном разряде и при помощи диффузии, газового потока и конвекции транспортируются в реакционную зону, экранированную от воздействия заряженных частиц, а иногда и УФ-излучения при помощи перфорированных металлических экранов, магнитных полей и других способов разделения реакционной и разрядной зон.
По сравнению с другими, более жесткими разновидностями плазменного травления, РТ обладает такими преимуществами, как более низкая температура обрабатываемых подложек, возможность достижения более высоких параметров селективности травления различных материалов, широкое использование фоторезистов, отсутствие ионной бомбардировки и т.д.
Следует учитывать, что РТ обеспечивается только химической реакцией между активными частицами и атомами обрабатываемого материала, поэтому его основным недостатком является изотропность, т.е. равенство скорости травления по нормали к поверхности и скорости бокового подтравливания.
Для разработки технологических процессов и оборудования для РТ необходимо учитывать такой важный кинетический параметр радикального травления, как время жизни ХАЧ (τхач).
Целью данной работы является изучение особенностей радикального травления и измерение времени жизни ХАЧ, участвующих в таком процессе.
4
1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1.Элементарные процессы и реакции в плазме под действием электронного удара
1.1.1.Механизмы генерации химически активных частиц
Плазма пониженного давления является интересным объектом, изучаемым физикой газового разряда. К плазме можно отнести ионизированный газ, в котором отсутствует сколь-нибудь заметное разделение разноименных зарядов, т.е. плазма электронейтральна в каждом своем малом объеме. Для плазменной среды характерен столкновительный характер взаимодействия частиц друг с другом, в результате чего реализуются такие элементарные акты взаимодействия, как возбуждение, ионизация, диссоциация и др.
В газоразрядной плазме низкого давления ХАЧ образуются в результате процессов, которые условно можно разделить на четыре группы: реакции под действием электронного удара; реакции при неупругих столкновениях между тяжелыми частицами; гетерогенные реакции; реакции под действием излучения плазмы (табл. 1).
Основным механизмом образования ХАЧ в низкотемпературной плазме является диссоциация молекул рабочего газа под действием электронного удара. В результате диссоциации образуются валентно ненасыщенные частицы – свободные радикалы. Эти частицы характеризуются наличием неспаренных электронов и обладают чрезвычайно высокой химической активностью. Для обозначения радикалов используют точку, означающую неспаренный электрон (Сl*, Вr*, F*, Н*, Na* и др.).
Механизмом, наиболее часто приводящим к образованию радикалов, является отщепление атомов водорода, галогенов, серы и кислорода из соединений. Отщеплен может быть более чем один атом,
CF4 + e → CF2•• + F2 + e, |
(1.1) |
или может быть разорван скелет молекулы с образованием сложных радикалов
C2F6 + е → CF3* + CF3*+ е. |
(1.2) |
Диссоциация возможна как через электронные состояния, лежащие выше предела диссоциации, с распадом на нейтральные фрагменты, так и с образованием положительных или отрицательных ионов в результате диссоциативной ионизации или диссоциативного прилипания электрона к молекуле. Рассмотрим реакции диссоциации на примере молекулы CF4:
CF4 + е → CF3•+ F•+ е, |
(1.3) |
5
CF4 + е → CF4++ F• + 2е, |
(1.4) |
||
CF4 + e → CF3•+ F–. |
(1.5) |
||
Типы реакций, протекающих в плазме |
Таблица 1.1 |
||
|
|
||
Тип реакции |
Схема |
|
|
Реакции под действием электронного удара (е) |
|
|
|
Возбуждение |
АВ + е → АВ* + е |
|
|
Диссоциативное прилипание |
АВ + е → АВ*→А* + В |
|
|
|
АВ* → А *+ В* + e |
|
|
Диссоциация |
АВ + е → АВ* → А + В + е |
|
|
Ионизация |
АВ + е → АВ* + 2е |
|
|
Диссоциативная ионизация |
АВ + е → А* + В + 2е |
|
|
Реакции при неупругих столкновениях между тяжелыми частицами |
|
||
Диссоциация Пеннинга |
М* + А2 → 2А + М |
|
|
Ионизация Пеннинга |
М* + А2 → А2+ + М + е |
|
|
Перезарядка |
М+ + А2 → А + М |
|
|
|
М– + А2 → А2– + М |
|
|
Ионизация при столкновении |
М + А2 → А2+ + М + е |
|
|
Ион-атомная рекомбинация |
А– + А → А2 + е |
|
|
Ион-ионная рекомбинация |
М– + А2+ → А2 + М |
|
|
|
М–+ А → 2А + М |
|
|
Электрон-ионная рекомбинация |
е + А2+→ 2А |
|
|
|
е + А2+ + М → А2 + М |
|
|
Атомная рекомбинация |
2А + М → А2 + М |
|
|
Атомный перезахват |
А + ВС → АВ + С |
|
|
Атомное дополнение |
А + ВС + М → ABC + М |
|
|
|
|
|
|
Гетерогенные реакции |
(Rn – поверхность твердого тела) |
|
|
Атомная рекомбинация |
Rn – A + A → S + A2 |
|
|
|
Rn – B + A → S + AB |
|
|
Стабилизация частиц |
Rn + А* → S + А |
|
|
|
Rn + АВ* → S + АВ |
|
|
Распыление |
Rn – А + М+ → S + А + М |
|
|
Реакции под действием излучения плазмы (hv) |
|
|
|
Диссоциация |
АВ + hv → А + В |
|
|
Ионизация |
АВ + hv → А+ + В– |
|
|
Возбуждение |
АВ + hv → АВ* |
|
|
Наличие в плазме ВЧ-разряда F•, CF3•, CF3+ и F– подтверждает, что могут иметь место все указанные выше каналы диссоциации. Однако экспе-
6
риментальные данные показывают, что более 75 % диссоциирующих молекул распадаются на радикалы CF3• и F• по схеме (1.3).
В газоразрядной плазме сильно электроотрицательных газов (SF6, ССl4 и др.) диссоциативное прилипание может стать основным каналом образования ХАЧ:
SF6 |
+ е → (SF6–)* → SF5¯ + F•, |
(1.6) |
SF6 |
+ е → (SF6–)* → SF5*+ F–. |
(1.7) |
Диссоциативным прилипанием электрона к молекуле CF4 в плазме, которая обычно используется для РТ, можно пренебречь. Этот механизм вносит заметный вклад в диссоциацию молекулы CF4 лишь при очень малой мощности разрядов.
Малый вклад диссоциативной ионизации, приводящей к образованию положительных ионов и радикалов по схеме (1.4), связан с тем, что средняя энергия электронов в разряде Еэ (3–6 эВ) значительно ниже пороговой энер-
гии ионизации () молекул рабочего газа. Для молекул CF4 = 16 эВ, а максимум сечения процесса σmax(Еэ) наблюдается при значениях Еэ.max = = 70 эВ. Поэтому можно считать, что в ВЧ-разрядах CF4 основным каналом генерации радикалов F* является диссоциация молекул по схеме (1.3) и, следовательно,
, |
(1.8) |
Где GF • , GCF3• – скорости генерации радикалов F* и CF3* в зоне разряда; nэ, nCF4 – концентрации электронов и молекул CF4 в плазменной зоне реактора; k1– константа скорости реакции (1.3), определяемая выражением
(1.9)
Здесь тэ – масса электрона; Eдиспор – пороговая энергия диссоциации;
σдис(Еэ) – сечение диссоциации; fэ(Eэ) – функция распределения электронов по энергиям.
1.1.2.Рекомбинация химически активных частиц
Врезультате столкновений радикалов с различными частицами плазмы происходит их дезактивация в процессах рекомбинации. Причем для
7
простейших радикалов эффективность рекомбинации близка к единице, т.е. почти каждое столкновение приводит к дезактивации. Для сложных радикалов эффективность рекомбинации падает из-за возможности перераспределения внутренней энергии по связям.
Рекомбинация радикалов осуществляется как в гетерогенных процессах
CF3• + F• + Rn → CF4* + Rn, |
(1.10) |
F• + F• + Rn → F2• + Rn, |
(1.11) |
CF3• + CF3• + Rn → C2F6* + Rn, |
(1.12) |
так и в гомогенных
CF3• + F• + M → CF4* + M, |
(1.13) |
F• + F• + M → F2* + M, |
(1.14) |
CF3• + CF3• + M → C2F6* + M, |
(1.15) |
где M – третья частица, роль которой обычно играет молекула плазмообразующего газа, в данном случае CF4; Rn – поверхность твердого тела (стенки реактора, электроды и т.п.).
В плазме CF4 без добавок О2 количество образующегося C2F6 очень мало, поэтому реакциями (1.12) и (1.15) можно пренебречь.
Скорость гибели ХАЧ в единице объема реактора за счет процессов гомогенной рекомбинации (Rгом) можно записать в виде
= |
|
|
, |
(1.16) |
|
|
(1.17) |
||
= |
. |
|
|
|
|
|
|
||
Скорость восстановления молекул CF4: |
|
|
|
|
|
, |
|
|
(1.18) |
где k2 и k3 – константы скоростей реакций; nF, nCF• |
, nM – концентрация F•, |
|||
CF3• и «тушащих» частиц М. |
|
3 |
|
|
|
и (1.13) более вероятна, |
|||
Рекомбинация фтора по механизмам (1.10) |
чем по механизму (1.11) и (1.14). Вероятность реакции (1.10) возрастает с понижением давления, а реакции (1.13) – с повышением.
8
Реакция (1.13) протекает в две стадии. На первой стадии из-за перераспределения энергии взаимодействия по связям образуется короткоживущая возбужденная частица CF4* по схеме
CF3• + F• → CF4*, |
(1.19) |
на второй стадии избыточное количество энергии передается третьей частице М с образованием стабильной молекулы CF4:
CF4• + М → CF4 + М. |
(1.20) |
Если CF4* не сталкивается с третьей частицей М, то происходит ее распад:
CF4* → CF3• + F•. |
(1.21) |
Скорость рекомбинации атомов фтора и радикалов CF3• по механизму (1.13) можно выразить следующим образом:
|
, |
(1.22) |
где |
– собственно диаметры, |
молекулярные (атомные) массы и стационарные концентрации радикалов CF3• и атомов F•; ТХАЧ – температура атомов фтора и радикалов CF3•, которая в первом приближении равна температуре молекул CF4; R0 – газовая постоянная.
Так как , то в выражении (1.22) независимыми остаются только концентрации nF• и nCF3•.
Если начальная концентрация молекул CF4 в плазмохимическом реакторе равна nмн, а концентрация молекул CF4 в плазме разряда –nмн, то
, |
(1.23) |
где nХАЧ – концентрация ХАЧ в плазме.
Подставив (1.23) в (1.22) и проведя вычисления, получим
. (1.24)
Процессы диссоциации молекул CF4 и рекомбинации атомов F• с радикалами CF3• в плазме разряда со временем приходят в равновесие, по-
9
этому, приравняв выражение для скорости генерации и рекомбинации для CF3• и F•, получим
, |
(1.25) |
где В = (ne / TХАЧ1 / 2)(220Te1 / 2 + 3,05 · 10–3Te3 / 2)exp(–1,45 · 10–5 / Te).
Определив температуру и концентрацию электронов а плазме, а также температуру газа в реакторе, можно по формуле (1.25) вычислить стационарные концентрации молекул CF4, атомов F• и радикалов CF3• в плазме разряда.
Приведенная методика расчета стационарной концентрации ХАЧ в плазменной зоне реактора проведена для случая, когда скорость гибели ХАЧ определяется процессом гомогенной рекомбинации.
Однако основным каналом гибели ХАЧ может быть и гетерогенная рекомбинация на стенках и поверхностях реактора. Этот процесс состоит из двух стадий: диффузии ХАЧ к стенкам реактора и захвата ХАЧ стенками. Наиболее медленная из этих стадий определяет скорость гетерогенной рекомбинации. Если лимитирующей стадией является диффузия, то гетерогенная рекомбинация называется диффузионной и ее скорость характеризуется скоростью диффузии ХАЧ к стенкам реактора, а если лимитирует процесс реакция взаимодействия с поверхностью, то такая стадия называется кинетической.
При кинетической гетерогенной рекомбинации вероятность взаимодействия ХАЧ с поверхностью α < 10–3, поэтому пХАЧ в плазменной зоне стационарна и не зависит от времени.
Скорость гетерогенной рекомбинации ХАЧ равна произведению числа ХАЧ, ударяющихся о поверхность, на вероятность их взаимодействия с
поверхностью, деленному на объем плазменной зоны Vn: |
|
, |
(1.26) |
где Sn – площадь поверхности, тХАЧ – масса ХАЧ. |
|
В стационарном состоянии Rгет = GХАЧ, поэтому |
|
. |
(1.27) |
Подставляя в (1.27) GXAЧ из (1.8), можно определить стационарную концентрацию ХАЧ.
10