книги / Методы повышения параметров БИС

ннческие 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

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:

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

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