Іонно-плазмові методи травлення

Підвищення ступеня мініатюризації мікросхем привело до необхідності формування на поверхні напівпровідникових пластин елементів із субмікронними розмірами. Методи рідинного травлення не забезпечують необхідного для цих цілей дозволу. Це послужило стимулом до розвитку різних іонно-плазмових методів. Під терміном « іонно-плазмове травлення» прийнято розуміти процес контрольованого видалення матеріалу з поверхні оброблюваної пластини під впливом іонів низькотемпературної плазми в середовищі інертних газів або в середовищі, що містить активні гази.

Докладніше питання, пов'язані з утворенням газорозрядної плазми й взаємодією іонів, що утворяться при цьому, з поверхнею розпилюваної пластини, розглянуті в п. 4.2. Тут відзначимо лише, що плазма створюється в спеціальній газорозрядній камері із двома (або більше) електродами, між якими прикладається напруга порядку кілька сотень або тисяч вольт. У камері попередньо створюється вакуум, а потім у неї напускається спеціальний газ. При певному тиску виникає газовий розряд, у результаті якого утворяться іони або нейтральні хімічно активні частки, які, взаємодіючи з поверхнею, видаляють частину матеріалу.

Все різноманіття іонно-плазмових методів розділяють на три групи: іонне, плазмохімічне й іонно-хімічне травлення. При іонному травленні для видалення поверхневого шару матеріалу використовується кінетична енергія іонів інертних газів, що бомбардують поверхню. Іноді цей процес називають фізичним розпиленням поверхні. Іони, що бомбардують поверхню мішені (напівпровідникової пластини), передають поверхневим атомам свою кінетичну енергію, у результаті чого поверхневі атоми вибиваються з поверхні. Швидкість розпилення при цьому звичайно невисока (0,1-1 нм/с) і залежить від маси іонів газу (звичайно використовують Аr), енергії іонів, роду матеріалу, що розпилюється, тиску газу в газорозрядній камері й інших технологічних параметрах.

Даний спосіб відрізняється високою анізотропією: травлення йде переважно в тім напрямку, у якому іони бомбардують поверхню пластини. Якщо травлення здійснюється через маску, то розміри витравлених областей практично збігаються з розмірами вікон у масці. Це істотна перевага перед рідинним травленням, у якому помітну роль грає бічне підтравлювання. Однак іонне травлення практично не має вибірковості. Тому використовувати його для локального травлення (травлення через маску) досить важко, оскільки поряд із пластиною буде розпилюватись і маска, сформована на поверхні методом фотолітографії. Тому іонне травлення застосовується в основному для очищення поверхні від забруднень.

Більш універсальним є плазмохімічне травлення. У даному методі газовий розряд збуджується в хімічно активних газах, що приводить до утворення хімічно активних часток (іонів і радикалів). Хімічно активні частки, взаємодіючи з поверхнею, утворюють летучі сполуки, які за допомогою системи відкачки віддаляються із зони реакції. На відміну від іонного травлення даний метод відрізняється високою вибірковістю (селективністю) травлення. Його можна застосовувати для масок товщиною 0,1 - 0,3 мкм, тому що ефект фізичного розпилення практично відсутній (енергія іонів не перевищує
100 еВ). Однак анізотропія травлення значно гірша, ніж при іонному травленні. Швидкість травлення приблизно дорівнює 2 - 10 нм/с.

Номенклатура використовуваних газів для плазмохімічного травлення досить широка. Наприклад, для травлення кремнію використовують суміші фторвмісних або хлорвмісних газів з киснем, воднем або азотом. Такі активні гази, як F₂, Cl₂ або Вr₂, використовувати не можна, тому що вони руйнують практично всі конструкційні матеріали в промислових установках для плазмохімічного травлення. Розглянемо як приклад плазмохімічне травлення кремнію чотирифтористим вуглецем.

При зіткненнях прискорених електронів з нейтральними молекулами CF₄ виникає газовий розряд і утворяться хімічно активні частки і , а також іони і відповідно до реакцій:

, (3.31а)

, (3.31а)

. (3.31а)

Експериментально встановлено, що переважною із всіх трьох реакцій є реакція (3.31а). Хімічно активні частки і осаджуються на поверхню кремнію, причому частки можуть дисоціювати із утворенням і вуглецю, а можуть і не дисоціювати. Утворення вуглецю на поверхні є небажаним побічним явищем, оскільки це приводить до забруднення поверхні кремнієвої пластини. Хімічно активні частки взаємодіють із кремнієм:

.

Сполуки, що утворяться в результаті цих реакцій, SiF₄ десорбуються й віддаляються системою відкачки. Паралельно із цим іде реакція

.

Продукт реакції CF₄ також десорбується й видаляється.

Істотну роль грає додавання в чотирифтористий вуглець кисню, молекули якого в камері іонізуються й вступають у взаємодію з поверхнею кремнієвої пластини, окисляючи її. Як відзначалося вище, частина хімічно активних часток не дисоціюють на частки і вуглець. При впливі на окислену поверхню кремнію присутність кисню перешкоджає утворенню вільного вуглецю на поверхні за рахунок утворення летучих сполук СО і СО₂. Наявність молекул кисню в газовій фазі при плазмохімічному травленні кремнію ще більшою мірою сприяє очищенню поверхні від слідів вуглецю, збільшуючи тим самим швидкість травлення.

Найбільш широкі можливості відкриває метод іонно-хімічного травлення, називаний також реактивним іонним травленням. У ньому для видалення поверхневого шару матеріалу використовується як кінетична енергія іонів хімічно активних газів, так і енергія їх хімічних реакцій з атомами або молекулами об'єкта травлення. Обробка поверхні об'єкта в цьому випадку ведеться іонами хімічно активних газів з енергією до 500 еВ, а також хімічно активними нейтральними атомами й радикалами. Швидкість травлення приблизно дорівнює 0,3 - 3 нм/с.

При виникненні газового розряду в хімічно активному газі поряд з хімічно активними частками утворяться також іони газу. Як ми вже відзначали вище, при аналізі реакцій (3.31) у газорозрядній плазмі переважають хімічно активні частки. Їхня частка звичайно становить десятки відсотків, а частка іонів не перевищує одиниць відсотків. Тому основну роль при іонно-хімічному травленні грають нейтральні хімічно активні частки, фізичне розпилення матеріалу іонами відіграє другорядну роль. При цьому ефекті фізичного розпилення й хімічної взаємодії не адитивні: фізичне розпилення активізує хімічні реакції, а хімічні реакції, послабляючи зв'язку поверхневих атомів, сприяють фізичному розпиленню.

Метод іонно-хімічного травлення відрізняється високою анізотропією, що дозволяє забезпечувати високий дозвіл при здійсненні фотолітографії, і задовільною селективністю, істотно перевищуючу аналогічний показник для чисто іонного травлення.

На закінчення проведемо порівняльний аналіз основних характеристик рідинних і іонно-плазмових методів травлення. Порівнювати будемо по швидкості травлення, анізотропії (відношення швидкостей травлення по нормалі до поверхні й у тангенціальному напрямку), а також селективності травлення (відношення швидкостей травлення даного матеріалу й матеріалу фотомаски). Значення зазначених характеристик наведені в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1

Характеристики різних методів травлення

Метод травлення	, нм/с	Анізотропія	Селективність
Рідкісне травлення		~ 1	10…100
Іонне травлення	0,1…1	~ 100	1…10
Плазмохімічне травлення	2…10	2…5	10…50
Іонно-хімічне травлення	0,3…3	20…100	5…20

У таблиці не представлені значення швидкості рідинного травлення, оскільки вони можуть змінюватися в дуже широкому інтервалі залежно від використовуваного травильника, матеріалу об'єкта травлення, технологічних режимів і так далі. З таблиці 3.1 видно, що рідинне травлення має мінімальні властивості анізотропії, тобто матеріал травиться приблизно з однаковою швидкістю у всіх напрямках (якщо не враховувати залежність швидкості травлення від кристалографічного напрямку). Максимальна анізотропія (а виходить, і максимально можлива роздільна здатність) властива іонному травленню, однак воно має слабку вибірковість (селективність). По сукупності властивостей найбільш кращими є методи плазмохімічного й іонно-хімічного травлення.

Поиск по сайту: