Лекция

Травление

План

1. Жидкостное травление.

2. Анизотропное жидкостное травление

3. Сухое анизотропное травление

Травление широко используются в технологии ИМС.

Травлением является удаление поверхностного слоя не механическим, а чаще всего, химическим, способом.

Травление применяют :

для получения максимально ровной бездефектной поверхности пластин (химическое полирование),

удаления слоя SiО₂ и других слоёв;

локального удаления;

выявления структурных дефектов на поверхности монокристаллических пластин;

формирования на поверхности подложек маскирующих покрытий;

формируют топологию тонкоплёночных слоёв и масок.

Методы травления можно разделить на две большие группы: жидкостное (химическое) травление и сухое (ионно-плазменное) травление.

В основе жидкостного травления обычно лежит химическая реакция жидкого травителя и твердого тела, в результате которой образуется растворимое соединение.

Сухое травление проводят в специальных газоразрядных камерах, в которых подложка обрабатывается ионами или химически активными частицами плазмы.

1. Жидкостное травление.

Процесс химического травления представляет собой химическую реакцию жидкого травителя с твердым телом. В результате реакции образуется растворимое соединение, которое смешивается с травителем и удаляется. Поверхностный слой твердого тела переходит в раствор. В отличие от механического удаления, травление обеспечивает большую прецизионность (точность) процесса. Это обусловлен тем, что поверхностный слой удаляется последовательно – один молекулярный слой за другим. Необходимую скорость травления обеспечивают подбором химического состава, концентрации и температуры травления.

По характеру взаимодействия растворителя с веществом химическое травление (растворение) бывает трех типов:

молекулярное,

ионное

и реактивное.

Молекулярное растворение – полная идентичность химической формулы вещества в исходном состоянии и в растворе. После удаления (например, испарения) растворителя растворенное вещество может быть получено в химически неизменном виде. Например, растворение сахара в воде, полистирола в бензоле и так далее. Частным случаем молекулярного растворения является образование коллоидных растворов, когда вещество в растворе находится не в виде отдельных молекул, а группируется в крупные полимолекулярные образования, так называемые коллоидные частицы.

Ионное растворение – исходное состояние вещества и состояние в растворе не идентичны. В растворе происходит разделение ионного кристалла на катионы и анионы, которые окружены сольватационными оболочками (в водных растворах образованными полярными молекулами воды), которые обеспечивают устойчивость таких растворов. После удаления растворителя растворенное вещество может быть выделено в химически неизменном виде. Например, растворение NaCl в воде.

Реактивное растворение сопровождается химическим взаимодействием между растворенным веществом и растворителем, которое происходит со значительным тепловым эффектом, существенно превышающим тепловой эффект при молекулярном или ионном растворении. При этом в растворе будут присутствовать продукты, химически отличные от исходного состояния системы. Удаление растворителя не позволяет получить растворенное вещество в исходном виде. Примером такого типа растворения является реакция:

Zn(тв) + 2HCl(жидк) → ZnCl₂(раств) +H₂(газ).

В основном процесс травления можно представить в виде пяти стадий.

1. Перенос молекул или ионов травителя из объема раствора к поверхности полупроводника.

2. Адсорбция молекул травителя на поверхности полупроводника. На этой стадии молекулы травителя вступают в контакт с поверхностью. Этот контакт может быть либо химической адсорбцией (хемосорбцией), либо физической адсорбцией.

3. Кинетическая стадия процесса. На этой стадии в результате химических реакций молекул травителя с поверхностными атомами происходит разрыв химических связей последних и переход их в раствор.

4. Десорбция продуктов реакции. Происходит разрыв связей между продуктами реакции на поверхности полупроводника, которые могут быть физически или химически связаны с поверхностью.

5. Удаление продуктов реакции от поверхности полупроводника в объем раствора. Возникает диффузионный поток j_x молекул вещества, пропорциональный градиенту концентрации.

Скорость травления количественно характеризуется уменьшением толщины удаляемого поверхностного слоя, за единицу времени. Измеряется скорость травления в мкм/мин или нм/сек.

Общая скорость процесса определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей) стадии. В большинстве случаев скорость травления ограничивается либо диффузией компонентов травителя или продуктов реакции в растворе, либо скоростью химической реакции на поверхности пластины.

В зависимости от того, какая из этих стадий является лимитирующей, результаты травления оказываются различными. Пусть, например, лимитирующей стадией является диффузия молекул травителя (первая стадия) или молекул растворенного вещества (пятая стадия). В этом случае общая скорость процесса травления будет определяться плотностью потока j_x молекул (см. формулу 3.29), которая зависит от температуры, вязкости травителя, механических воздействий, способствующих перемешиванию травителя. От свойств самой поверхности (кристаллической ориентации, наличия поверхностных дефектов и так далее) скорость травления не зависит. Следовательно, травление в этом случае должно происходить изотропно, и в результате травления поверхность должна становится гладкой, то есть травление носит полирующий характер. Травители, для которых лимитирующей стадией является диффузия, называются полирующими, а сам процесс травления – интегральным. Полирующие свойства травителей можно усилить, если уменьшить скорость протекания диффузионных процессов. Это можно сделать с помощью специальных добавок, увеличивающих вязкость травителя, или за счет уменьшения температуры процесса. Интенсивное перемешивание травителя, напротив, разрушает диффузионный слой d, что снимает диффузионное ограничение и ухудшает, таким образом, полирующие свойства травителя.

Если лимитирующей стадией является кинетическая стадия, то общая скорость процесса травления V_тр будет примерно равна скорости химической реакции на поверхности:

где Атр – константа скорости химической реакции на поверхности объекта; Ns – концентрация молекул травителя на поверхности; ΔЕ – энергия активации химической реакции (избыточная энергия, которой должна обладать молекула в момент столкновения с другой молекулой, чтобы быть способной к химическому взаимодействию).

Энергия активации ΔЕ зависит от неоднородности поверхности пластины, кристаллографической ориентации, наличия на поверхности структурных дефектов. Если, например, на поверхности имеются выходы дислокаций, то в этих местах энергия активации меньше, чем на участках поверхности без дефектов. Поэтому в «дефектных» участках скорость травления будет выше, и на поверхности образуются ямки травления, форма которых зависит от кристаллографической ориентацией поверхности пластины.

Травители, у которых лимитирующей стадией является химическая реакция, называются селективными, а процесс травления – дифференциальным. Как следует из выражения (3.30), характер селективного травления определяется не только свойствами поверхности, способными повлиять на значение энергии активации химической реакции ΔE, но и в значительной степени температурой. С ростом температуры селективность травителя оказывается выраженной меньше. Поэтому для выявления поверхностных дефектов желательно проводить травление при низких температурах. Однако при снижении температуры уменьшается вязкость травителя, и на скорость всего процесса начинают влиять диффузионные стадии, снижающие селективность травителя.

Локальное травление осуществляют через маску. Оно может быть изотропным и анизотропным.

Изотропное травление происходит с одинаковой скоростью во всех направлениях - как в глубину, так и под маску. Примером служит травление слоя через маску фоторезиста (рис. 1). Размер W вытравленной области больше размера W₀ в маске на величину, превышающую удвоенную толщину d слоя SiО₂ (W>W₀+2d).

В свою очередь слой диоксида кремния является маской при легировании, не позволяющей реализовать элементы микросхем малых размеров (менее 1...2 мкм).

Рисунок 1 – Искажение топологического рисунка при жидкостном изотропном травлении SiО₂

Жидкостное травление имеет высокую избирательность (селективность). Травитель (например, плавиковая кислота HF) вступает в реакцию с веществом одного слоя (например, SiО₂) и не реагирует с веществом другого слоя (например, кремнием, фоторезистом). Избирательность количественно оценивается отношением скоростей травления нужного слоя и других слоёв, которые при изготовлении структуры расположены друг над другом.

Травителями являются разные комбинации кислот и щелочей.