книги / Методы повышения параметров БИС
..pdfннческие маски возможно лишь при толщине резистивного слоя 0,3...0,4 мкм, при этом глубина рельефа в большинстве приме няемых в технологии СБИС материалов не будет превышать 0,1...0,3 мкм [95].
Скорость и селективность травления при иоино-плаэмешюм и ионно-лучевом травлении может быть повышена при замене ионов инертных газов ионами химически активных газов. При этом для удаления поверхностных слоев материала использует- I ся как кинетическая энергия ионов, так и энергия их химиче ских реакций с атомами или молекулами материалов, причем химические и физические процессы активизируют друг друга, усиливая их суммарный, эффект. Соотношение между вкладом физического распыления и химического взаимодействия опре деляется видом рабочего газа, энергией ионов, конструкцией и
параметрами реактора.
Реактивное ионное травление может осуществляться в плаз ме, создаваемой в реакторах с шюскопараллельными или коак сиальными цилиндрическими электродами (реактивное ионноплазменное травление), или в вакууме пучком химически актив ных ионов (реактивное ионно-лучевое травление).
Поскольку в реактивном ионном травлении участвуют хими чески активные частицы, селективность процесса достаточно ве лика (5., .10). Направленное движение ионов обеспечивает высо кую анизотропию травления, которая, однако, при реактивном ионно-плазменном процессе снижается из-за неупорядоченности движения атомов и свободных радикалов. На анизотропию трав ления можно влиять, изменяя состав и давлешю рабочего газа, его температуру и способ подачи. Анизотропия также зависит от материала: подложки и маски. Процессы реактивного ионно плазменного травления в зависимости от используемого реакто ра характеризуются разрешением LMWl = 0,1...0,6 мкм и ани зотропией А = 5... 100.
В результате ионной бомбардировки в поверхностных слоях образца могут возникать радиациошнле дефекты, которые ухудшают характеристики создаваемых приборов. Однако, бла годаря наличию химической составляющей процесса, в особен ности при высокой активности химических частиц, когда страв ливание нарушенных слоев происходит быстрее, чем дшЬАузия дефектов в глубь материала, вероятность деградации электрофи зических характеристик, слоев намного меньше, чем при ионноплазменном травлении. Радиационные повреждения могут быть устранены отжигом.
Недостатком процесса реактивного ионно-плазменного трав ления является и значительный нагрев маски, иногда превышаю-
121
щий допустимый для фоторезистов. В результате нагрева может также начаться межспойная диффузия в образце, усилиться бо ковое подтравливаиие.
Методом реактивного ионно-плазменного травления в газе CHF3 удалось создавать в S i02 рельефные структуры с верти кальными стенками и шириной линий менее 100 нм [172]. Хо рошие результаты при создании контактных окон в Si0 2, лежа щем на Si, достигаются, например, в CF4, CaHFe, C2F6. Добавле ние к этим газам И2 повышает селективность процесса, которая при молярной концентрации Н2 50 % достигает приблизительно 40. Загрязнения, остающиеся в контактных окнах, могут ухуд шить не только контактные сопротивления, но и характеристики р-н переходов. Поэтому проводят дополнительную обработку в кислородной плазме или пучком ионов кислорода [192].
При вытравливании поликремниевых затворов и межсоедине ний селективность относительно Si02 обеспечивается при ис пользовании CF 3С1, CF2C12, CF3Br, CF4 - С12 и C2Fe—С12. Эти же-газы применяют и в процессах травления полйкремния, леги рованного бором. Селективность травления поликремния, леги рованного Р и As, относительно нелегированного поликремния и Si02 резко возрастает при увеличении давления смеси газов CF3B-C12 выше 13 Па [192].
, В процессе реактивного ионно-лучевого травления принимают участие бомбардирующие поверхность образца молекулярные ионы (физическое распыление) и химически активные частицы, образующиеся в результате ударной диссоциации как самого мо лекулярного иона, так и адсорбированных на поверхности мате риала молекул рабочего газа.
Процесс реактивного ионно-лучевого травления протекает бо лее анизотропно, чем реактивный ионно-плазменный, поскольку в нем участвуют упорядоченно двигающиеся ионы и электроны, и, следовательно, обеспечивается большая разрешающая способ ность.
В установках реактивного ионно-лучевого травления чаще всего используются источники типа Кауфмана с термоионным катодом, создающие пучки диаметром до 40 см с высокой рав номерностью плотности тока, и источники типа ,.Радикал”, соз дающие трубчатый поток ионов [95]. Разработан источник, ис пользующий разряд на электронно-циклотронном резонансе и формирующий пучок диаметром 15 см с плотностью тока 1 мА/см4 (в отличие от источника Кауфмана не разрушающийся под дейст вием реактивных газов) [185].
При реактивном ионно-лучевом травлении угловая зависи мость скорости травления носит монотонно спадающий характер
122
VTp (0) =^tp (0) cos 0,
где p — угол наклона края маски к падающему потоку ионов. При таком характере зависимости V x f f (Р) не происходит наб людаемого при ионно-лучевом травлении вырождения края мас ки, так как чем ближе Р к 90°, тем медленнее этот участок мас: ки травится. В этом случае „уход размеров*' элементов
L - £ м = 2* гр1Г"р (0) /</% (0) tgfi
будет отсутствовать, если край маски вертикален относительно подложки или же касательная к краю маски в сечении на грани це раздела маска-подложка перпендикулярна к поверхности под ложки [96].
Высокая анизотропия (А = 10. ..100) и селективность (5...
...10) реактивного ионного-лучевого травления позволяют ис пользовать органические маски при вытравливании в слоях ра бочих материалов толщиной до 1 мкм структуры с субмикрон ными размерами элементов. Это наиболее перспективный высо коразрешающий процесс травления для индивидуальной обра ботки подложек.
С середины 70-х годов стал интенсивно развиваться метод плазмо-химического травления, при котором образующиеся в газоразрядной плазме химически активных газов свободные радикалы и атомы вступают в химическую реакцию с обрабаты ваемым материалом, создавая летучие соединения [60, 61, 82, 125,126,179]. Процесс носит чисто химический характер.
Для проведения плазмо-химического травления, как правило, исцользуется газоразрядная плазма ВЧ низкого или пониженно го давления, в которой свободные атомы и радикалы состав ляют 90 % общего числа частиц. В качестве газов-реагентов при меняются галогеносодержащие газы, чаще CF4 , ССЦ, CjF6, C4F 8 , CF2C12, XeFj, SF6f иногда с добавлением кислорода или инертных газов.
? К числу плазмо-химических процессов относят плазменное и радикальное травление [95, 139]. В процессе плазменного трав ления принимают участие все частицы и излучения, образующие ся в разряде, причем роль электронов, ионов и излучений сво дится исключительно к активизации химических реакций свобод ных атомов и радикалов с поверхностными атомами обрабаты ваемой подложки. При радикальном травлении в процессе участ вуют только химически активные частицы, а активация отсутст вует.
123
" К и д с т о р ц а ' |
Вид едоки |
|
||
Генерат ор ЙУ |
|
Z=T, |
5 |
|
т |
а |
|||
ж |
|
|
|
|
Генерат ор ВЧ |
/ |
JO |
||
^УЧЧЧ\ЧЧЧ^ЧЧ\\\\\\\^ |
^ |
|
|
|
|||
б-T t |
|
|
|
|
у м ш т Ш |
т |
|
|
|
- р тог 222 оаАт — |
_ J |
||||
Щ |
Ш |
» |
§ |
|
& « |
ш |
м |
|
|
(5! |
г |
/2 |
|
|
|
|
|
|
5 |
б |
|
|
|
Рнс, 62. Схемы цилиндрического реактора (в) |
и реактора с параллельны |
||||||
ми обкладками (б): |
|
пластина; 3 - плазма; 4 - перфорированный |
|||||
1 - кварцевая лодочка; 2 - |
|||||||
экран (необязателен); 5 - газ-травитель; 6 - |
к насосу; 7 - кварцевая |
||||||
камера; 8 - нижний электрод и стол для пластин; |
9 - кольцо подачи га |
||||||
за; 10 - верхний электрод; |
11 - |
пластины; |
12 — цилиндр из стекла |
||||
пнрекс; 13 - газ; |
14 - |
к насосу; 15 - |
газ-травитель; 16 - плазма |
Плазменное травление осуществляется в области плазмы, воз буждаемой в планарных реакторах диодного типа или цилиндри ческих реакторах с кассетной загрузкой (рис. 62) [82,95]. Пара метры разряда подбираются так, чтобы ионы не смогли приобрести энергию выше 100 эВ, достаточную для физического распыле ния, и процесс из плазменного не перешел бы в реактивный ион-, но-плазменный, который протекает при более низких давлениях
ипри более высоких энергиях.
Вцилиндрических реакторах (рис. 62, а) плазма образуется в пространстве между двумя электродами. Обрабатываемая плас тина располагается вне этого пространства, но уцелевшие сво бодные .радикалы доходят до нее и реагируют с образцом. Неод нородность плазменных полей в таких реакторах приводит к
неоднородности параметров процесса по пластине и разбросу между пластинами в партии.
124
Цилиндрические реакторы обычно используются дня таких неответственных операций, как снятие фоторезиста*. Они непри годны для проведения анизотропного травления. Кроме того, создаваемая в этих реакторах плазма не может травить такие ма териалы; как хром, золото, платину, алюминий и другие, с кото рыми взаимодействуют только радикалы хрома или другие частицы с коротким временем жизни.
Эти недостатки цилиндрических реакторов устранены в кон струкциях с параллельными электродами (рис. 62, б ), где гене рация плазмы происходит непосредственно над пластинами и' сравнительно нестабильные свободные радикалы проводят боль шую часть времени жизни над пластиной. Однородное поле плаз мы и возможность поддерживать постоянной температуру пласпш способствует устранению разброса между пластинами. Кроме того, эти конструкции позволяют исключить цикл предва рительного нагрева, необходимый в цилиндрическом реакторе.
Параметрами процесса плазменного травления являются мощ ность и давление газа в плазменном реакторе, изменением кото рых можно регулировать скорость травления материалов. Так, при давлении р = 133,32 Па скорость травления кремния больше скорости травления двуокиси кремния и последняя может быть использована в качестве маскирующего покрытия. Но при р = = 6,66 Па скорости травления станЬвятся примерно равными и избирательность процесса исчезает. При таких давлениях в ка честве маскирующего материала для кремния может быть ис пользована пленка хрома, предварительно обработанная в кисло
роде [82].
Установлено, что для каждого газа существует такое давление Рмакс» при котором скорость травления материала максимальна и не зависит от его вида. Прй увеличении подводимой к разряду мощности значение дмакс сдвигается в область больших давле ний, а скорость травления возрастает. Аналогичное смещение Рмакс наблюдается при замене хлорсодержащих газов фторсо держащими.
Степень равномерности травления в реакционном объеме раз рядной камеры определяется не только природой физических процессов, протекающих в ионизированных газах, но и размера ми камер, их геометрией и рабочими режимами. Для равномер ного травления необходимо обеспечивать подачу равномерно распределенного газа, поддерживать постоянные температурные условия по диаметру обрабатываемых пластин, обеспечить от
* Фоторезист легко удаляется в плазме, содержащей ионы кислорода или водорода.
125
сутствие краевых эффектов и эффектов, связанных с неравно мерным распределением заряженных частиц в плазме.
В зависимости от того, насколько хаотично движутся в реак торе активные радикалы, процесс травления может протекать изотропно или анизотропно. Анизотропия процесса плазменного травления не превышает 2.. .4, поэтому предельное разрешение ме тода чуть меньше 1мкм [95]. Установлено, что точное воспроизве дение рисунка шаблона на пластине возможно лишь при условии, что ширина линии не менее чем в 5 раз больше тол1цины рабочего слоя. Поэтому методом плазменного травления субмикронные структуры могут быть сформированы только в очень тонких слоях.
При плазменном травлении через маску из фоторезиста наб людается ее разрушение, причем профиль травления зависит от коэффициента стойкости маски/(^р, определяемого отношени ем скорости травления маски 1/ мТрК скорости травления обраба тываемого материала [82]. При л*тр < 1 травление изотропно, средний угол травления
0 = arctj + - t \ j t э],
где t Q —время, необходимое для вытравливания слоя заданной толщины.
Если > 1, угол наклона за время травления определяется так:
« = a r c tjf /o M p t - > / f * 'о’)]при (tjh |
- V ^ x p - |
I/ A "TP)« 0 ; |
t9= arct^ ( l / v ^ V O при (tjt0 —V |
^ I / O |
> 0. |
Как следует из зависимости среднего угла наклона V от значе ний ///о* при увеличении времени травления t сверх необходимого для удаления слоя заданной толщины < 1 профиль становит ся более резким. При/ifмхр > 1 профиль травления более пологий и со временем почти не изменяется.
Правильность этих аналитических зависимостей была подт верждена в экспериментах по травлению пленок двуокиси крем ния, титана и молибдена. Однако в некоторых работах по изуче нию травления кремния и хрома были получены другие зависи мости (в частности, величина подтравливания хрома не зависела от ширины линии, а в кремнии наблюдался эффект отрицатель ного подтравливания), что, возможно, объясняется неполным удалением тонких слоев резиста и непротравленных его остат ков из окон в маскирующем слое.
126
Профиль травления рисунка заданной геометрии при фикси рованных условиях получения плазмы зависит от степени хими ческой активности материала: чем больше скорость травления, тем резче профиль.
При травлении материалов через фоторезистовную маску углом наклона профиля травления можно управлять, изменяя температуру обрабатываемых пластин, так как скорости травле ния фоторезиста и материала с ростом температуры изменяются неодинаково.
При травлении слоев, нанесенных на материалы с близкими по величине скоростями травления, а также при формировании рисунков с элементами микронных и субмикронных размеров необходимо очень точно определять момент окончания протрав ливания. Для этого используются методы, основанные на фикса ции изменения окраски травящихся слоев, изменения интенсив ности определенных линий оптических эмиссионных спектров плазмы, присущих травящемуся материалу или активным ради калам, воздействующим только на исследуемый материал, а так же изменения ИК спектров обрабатываемых образцов. Контроль окончания процесса травления может осуществляться, кроме того, по изменению вольтамперных характеристик для области между обрабатываемой подложкой и зондом, введенным в
плазму.
В технологии производства ИС наиболее часто травлению под вергаются кремний и двуокись кремния. Травление поликристаллического кремния производится в плазме активных газов CF4 + 0 2, разбавленных азотом. Присутствие азота несколько замедляет процесс травления, вследствие чего существенно уменьшается эффект экзотермического неуправляемого подтравливания.
Для изотропного травления моиокристаялического кремния используется фтороодержащая плазма, а для анизотропного травления —плазма, содержащая СС14 и ССЦ + 0 2. При анизо тропном травлении скорость процесса зависит не только от объемного соотношения ССЦ и 0 2 в плазме, но и от ориентации кремния. Скорость травления кремния с ориентацией <100> вдвое выше, чем с ориентацией <110>и в 30 раз выше, чем при ориентации <111> [163].
Травление пленок Si02 обычно проводят в плазме, содержа щей CF4 + 0 2 различного состава. Интенсивность процесса трав ления зависит от способа получения пленки, уровня ее легирова ния и вида легирующей примеси.
Для целей интегральной технологии практический интерес представляет селективное травление, в частности, травление
127
пленки Si02, лежащей на кремниевой пластине. Для такой дву слойной системы используется плазма с относительно малым содержанием атомарного фтора, например C2F6, C3Fe, CF3H и смесей C3F4 с CaF6, либо плазма, разбавленная водородом [126, 185]. Так, если в плазме преобладает атомарный фтор, скорость травления SiOa в 10 раз меньше, чем Si, но при от сутствии фтора в газах с преимущественным содержанием радикалов CF^ Si02 травится в 10 раз быстрее, чем Si [139].
Изучение механизма селективного травления пленки S i02 на поверхности кремния показало, что основными условиями при этом, кроме дефицита атомарного фтора, является также полное отсутствие в системе молекулярного кислорода и наличие интен сивной бомбардировки поверхности кремния (такие условия обеспечиваются в планарных металлических системах) [181].
Травление алюминия можно осуществлять в плазме ВС13 (чистого или с добавкой небольшого количества С12), в плазме, содержащей четыреххлористый углерод с добавкой Ar(Ne), а также в плазме, содержащей смесь реактивного (СС12 , ИС1, С12, СВг,НВг,Вг2) и инертного газов [126].
Метод плазменного травления весьма перспективен для соз дания фотошаблонов, контактных областей, промежуточных слоев и подслоев разного назначения из хрома, золота, платины и других материалов. Для их травлешш разработаны составы га зовых смесей на основе хлорсодержащих соединений с добавка ми кислорода (для Сг, Аи), на основе'галогеносодержащих газов или их смесей с кислородом и галлием (для Мо, Та, Ti, W).
В настоящее время плазменная обработка используется в про изводстве МДП БИС с алюминиевыми и кремниевыми затвора ми, биполярных ИС и фотошаблонов. Применение сухой плаз менной обработки при производстве МДП ИС позволило повы сить выход годных на 40 %, а при изготовлении хромовых фото шаблонов на 10%. Методом травления в хлорсодержащей плазме получены хромовые шаблоны с отклонением геометрических размеров элементов не более ± 0,3 мкм.
Методом плазменного травления вытравливаются контактные окна с пологими стенками в многослойных структурах типа Si - Si02 - Si3N4 - поликремний, Si —S i0 2 —Si и других.
При плазмешюм травлении не происходит отслаивание и вспу чивание фоторезиста. Поэтому в большинстве случаев из техно логического процесса изготовления приборов могут быть исклю чены вспомогательные операции по созданию промежуточных маскирующих слоев для компенсации плохой адгезии, необходи мые при .использовании жидкостного травления. Например, на поверхности нитрида кремния при жидкостном травлешш иеоб-
128
ходимо фотолитографическим методом создавать вспомогатель ную маску из пленки Si02, которая после травления удаляется.
Как и другие виды сухого травления, плазменная обработка используется для очистки поверхностей, подтравливания кон тактных площадок перед вжиганием алюминия, создания разде лительных дорожек и удаления фоторезиста.
В процессе плазменного травления возможно появление ра диационных дефектов и изменение электрофизических парамет ров обрабатываемых структур, хотя и в меньшей степени, чем при реактивном ионном травлении. Наиболее глубокие и устой чивые изменения происходят в диэлектриках. В частности, в окисной пленке может образоваться подвижный заряд, на грани це раздела Si—Si0 2 увеличиться фиксированный заряд и плот ность поверхностных состояний, произойти захват ионов в верх них слоях окисла [126, 176]. Большинство из этих дефектов, за исключением пробоя диэлектрика, устраняются путем отжига в инертной и восстанавливающей среде при температурах 700...
...1200 К (в МОП-структурах иногда при отжиге подается напря жение на полевой электрод).
Интенсивность процесса плазменного травления может быть увеличена за счет дополнительного облучения поверхности пото ком ультрафиолетового или рентгеновского излучения, элект ронным или ионным пучком. Полагают, что это ускорение вы зывается радиационно-стимулированной' десорбцией молекул продукта реакции или адсорбировашюго инертного слоя, когда молекула из связанного состояния переходит в состояние с от талкивающим потенциалом [106]. Степень локализации процесса определяется фокусировкой облучающего пучка.
Разработан метод травления в плазме газового разряда СВЧ при давлениях около 4 * 1(Г2 Па, что в 1000 раз ниже, чем в плазме ВЧ, но при этом вследствие большей степени иониэащш плазмы СВЧ плотность заряженных частиц в ней выше, чем в
плазме ВЧ, в |
100 раз [139]. Травление кремниевой пластины в |
газовой смеси |
CF4 + 0 2 через алюминиевую маску (0,08 мкм) |
позволило получить ширину линии 1 мкм при такой же глубине без подтравливашш. Анизотропность травления достигалась за счет большой длины свободного пробега ионизованных радика лов (несколько сантиметров), обусловленных низким давле нием газового разряда.
Радикальное травление осуществляется в реакционной каме ре, отделенной от области плазмы перфорированным металли ческим экраном, магнитным полем, пространством. Химически активные частицы из плазмы к подложке доставляются диффу зией (в реакторах туннельного типа с перфорированным цшшнд-
129
ром-вкладышем) или потоком газа (в реакторах с конструктив ным разделением реакционной и разрядной зон).
Для осуществления радикального травления пригодны только химически активные частицы с большим временем жизни, напри мер, образующиеся в плазме фторсодержащих газов (их вре мя жизни составляет 1(Гб...1 с). Это ограничивает возможность метода и сужает круг материалов, которые можно обрабатывать. Подбором газовых реагентов можно добиваться высокой селек тивности травления. В реакторах туннельного типа, например, при использовании смеси газов CF4 + 0 2 селективность травле ния поликремния на двуокиси кремния составляет 25.
При радикальном травлении достигается более высокая рав номерность травления ( 99 %), чем при плазменном и ионно-хи мическом травлении, что обусловлено хаотическим характером движения химически активных частиц. При давлении р > 10 Па радикальное травление протекает изотропно; при улучшении вакуума процесс травления становится анизотропным. В част ности, при р < 1 Па можно достичь анизотропии 8... 12 [95]. При такой анизотропии возможен точный перенос с маски на подложку изображений субмикронными размерами эле ментов.
Низкая температура подложек, удаленных от области плазмы, дозволяет использовать.тонкие фоторезистивные (в некоторых случаях даже незадубленные) маски толщиной 0,1...0,3 мкм и даже при небольшой анизотропии процесса получать субмикрон ную топологию в тонких слоях материала (до 0,3 мкм).
Достоинством радикального травления является практически полное'чб;тсутствие изменений в обрабатываемых структурах.
Из рассмотрения вакуумно-плазменных процессов травления следует, что наиболее перспективным для технологии СБИС с элементами субмикронных размеров является реактивное ион ное травлений, в первую очередь реактивное ионно-лучевое, ха рактеризующееся высокой анизотропией (А = 10... 100) и разре шающей способностью (0,1. ..0,6 мкм) при селективной обработ ке широкого круга материалов. Ионно-лучевое травление наи более эффективно при прецизионной обработке многокомпози ционных материалов, сложных соединений и сплавов, когда важ на неселективность процесса. Неглубокое травление, например, при создании неорганических масок из ванадил, хрома, титана для реактивного ионного травления, может выполняться плаз мохимически. Для „мягкой” обработки МОП-структур без теп лового и радиационного воздействия, например для удаления остатков органических резистов с поверхности, наиболее приме нимо радикальное травление.
130