новая папка 1 / 323717

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Часть 1 Плазмохимическое травление материалов

электронной техники

Учебно-методическое пособие для вузов

Воронеж Издательский дом ВГУ

2014

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

3

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в развитии микро- и наноэлектроники во многом зависит от уровня развития и совершенствования методов размерного травления схемных элементов с субмикронными размерами, поскольку в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС) ведущая роль принадлежит планарной технологии, которая способна, наряду с высокой производительностью, обеспечить значительный процент выхода годных изделий.

Традиционная кремниевая технология изготовления изделий электронной техники базируется на так называемых «сухих» способах плазменного травления кремнийсодержащих материалов и очистки поверхности полупроводниковых подложек. Интенсивное развитие этих технологических методов берет свое начало в 70–80-х годах прошлого века. Именно в этот период стали бурно развиваться исследования в данной области, результатом которых стало внедрение плазменных способов травления фоторезиста, базового полупроводника – кремния и кремнийсодержащих соединений.

Плазменные методы в технологии микроэлектроники появились в качестве альтернативы жидкостным способам обработки материалов по причине невозможности последних обеспечить целый ряд определяющих параметров травления. Прежде всего, жидкостное травление по сути своей изотропно, т.е. оно не может реализовать травление материала с высокой степенью анизотропии. Показатель анизотропии стал, по сути, параметром, определяющим переход к плазменным способам травления наряду с начинавшими в тот момент выходить на одно из важных мест экологическими проблемами, связанными с эксплуатацией огромных количеств жидкостных реагентов.

Следует отметить, что внедрение «сухих» способов обработки материалов зачастую опережало исследования в этой области, причем показанная принципиальная возможность анизотропного плазменного травления еще не позволяла выявить, описать и с максимальной эффективностью использовать механизм процессов, иногда уже быстро внедренных в технологию. Все это тормозило расширение технологических приложений таких методов, к тому же выявлялись определенные специфические трудности, свойственные именно плазменным способам воздействия на материалы электронной техники (ЭТ). В частности, выявились трудности в диагностике процесса, сложности в определении момента его окончания и влияния примесей в газовой и твердой фазе на гетерогенный процесс «низкотемпературная плазма – твердофазная подложка».

Тем не менее, уже сегодня ясно, что без плазменных технологий невозможно было бы триумфальное продвижение планарной технологии с ус-

4

коренным обновлением целого ряда поколений электронных устройств с различной степенью интеграции схемных элементов.

Спектр плазменных технологий широк, в данной работе будут всесторонне рассмотрены лишь некоторые особенности плазмохимического способа обработки материалов ЭТ, который исторически стал первым наиболее исследованным плазменным методом.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1.Низкотемпературная газоразрядная плазма: определения, термины

1.1.1Классификация процессов плазменного травления

Плазма – состояние вещества, характеризующееся высокой степенью ионизации и равенством концентраций положительных и отрицательных зарядов (квазинейтральностью).

Плазма – это, прежде всего, ионизированный газ, но ионизированный до такой степени, что электрические силы притяжения между разноименно заряженными частицами уравновешиваются в нем силами отталкивания между одноименно заряженными частицами.

Следовательно, независимо от плотности газа и его степени ионизации плазменный газовый объем остается электронейтральным. Условие электронейтральности плазмы можно записать в виде

∑Zu nu = nK'э ,

n

где nи – концентрация ионов и nэ – концентрация электронов, усреднен-

ные по времени и пространству, а Zи – заряд иона в плазме.

Сам термин «плазма» заимствован из биологии. Это заимствование произвели в 1923 году американские ученые И. Ленгмюр и Л. Тонкс с целью выделить, обозначить четвертое состояние вещества (от греческого πλάσμα – «вылепленное», «оформленное»). Учтем, что каждое вещество в определенных интервалах температур находится в соответствующих этим интервалам температур состояниях.

Плазма в стационарном состоянии может существовать только при наличии факторов, восполняющих убыль заряженных частиц.

Плазма в общем случае состоит из электронов, ионов и нейтральных частиц – атомов и/или молекул (радикалов), находящихся как в основном, так и в возбужденных (вращательных, колебательных, электронных) состояниях. Концентрация заряженных частиц в плазме достигает 1017 см–3 и

5

по своей электропроводности плазма приближается к проводникам. Плазму нельзя представлять как механическую смесь компонентов – все частицы плазмы находятся в непрерывном взаимодействии друг с другом, и плазма в целом обладает рядом специфических свойств, которые вовсе не присущи отдельным ее составляющим. Различают изотермическую и неизотермическую плазму.

Изотермической плазме отвечает ионизированный газ при высокой температуре, когда энергии (температуры) всех составляющих плазму частиц равны (Te ≈ Ti ≈ Tg) и все процессы обмена являются равновесными.

Неизотермическая плазма характеризуется тем, что средняя энергия (температура) электронов во много раз превышает энергию ионов и нейтральных частиц (Te >> Ti ≈ Tg), такое состояние реализуется при относительно небольшом выделении джоулевой теплоты за счет высокой теплоемкости газа тяжелых частиц и быстрого уноса теплоты из зоны разряда.

Низкотемпературная неравновесная газоразрядная плазма (ННГП) представляет собой слабоионизованный газ при давлениях 10–1–103 Па со степенью ионизации 10–5–10–3. Средняя энергия электронов в нем составляет 1–10 эВ (концентрация электронов 109 – 1012 см–3), а средняя энергия тяжелых частиц (атомов, молекул и ионов) в среднем на два порядка ниже.

Использование ННГП в практических целях сосредоточено, в основном, в секторе производства изделий электронной техники, где плазменные технологии работают в трех основных направлениях:

Плазменное травление и очистка поверхности. Типичными пред-

ставителями этой группы процессов являются травление фоторезиста в кислородной плазме и травление металлов и полупроводников в плазме галогенсодержащих газов. В качестве последних наиболее широко используются фтор- и хлорсодержащие соединения.

Плазменная модификация поверхности. Этот процесс позволяет вносить локальные изменения в свойства обрабатываемой поверхности (гидрофильность, адгезионные характеристики, химический состав и т.д.) при сохранении неизменными объемных свойств. Основными объектами здесь служат полимерные материалы (полиимид, полиэтилен), а в качестве плазмообразующих сред используются Ar, O2, NO, NH3, их смеси и воздух.

Плазменное осаждение покрытий, включая плазменное напыление и стимулированное плазмой осаждение из газовой фазы. Тонкие пленки металлов, используемые в качестве функциональных слоев и межэлементных соединений в ИМС, получают в процессах распыления в среде инертных газов в диодных, триодных и магнетронных системах. При использовании в качестве плазмообразующего газа кремнийсодержащих соединений (например, SiCl4 и SiH4) возможно осаждение поликристаллического кремния, а с добавками кислорода, оксида азота, аммиака и углеводородов (метан, этилен) – осаждение SiO2, Si3N4 и SiC. Плазма в среде углеводородов

6

обеспечивает процессы плазменной полимеризации, позволяя получать кремний- и металлсодержащие полимеры с уникальными свойствами.

Вполне понятный интерес к процессам плазменного травления стимулировал исследования в этой области, причем было показано, что на плазмохимические процессы нельзя автоматически переносить общекинетические представления, в первую очередь – положения теории Аррениуса. Необходимо помнить, что мы имеем дело с неизотермической системой частиц, квазинейтральной (равенство нулю полного заряда), в которой активация химически активных компонентов осуществляется электронным ударом.

Низкотемпературная газоразрядная плазма может служить одновременно и источником участвующих в процессе частиц, и стимулятором процесса, и активатором поверхности, а может использоваться только для ка- кой-то одной из этих целей.

По физико-химическому механизму взаимодействия поверхности твердого тела с частицами плазмы можно условно разделить все процессы «сухого» травления на три группы.

Ионное травление (ИТ). Удаление поверхностных слоев материала здесь осуществляется лишь физическим распылением. Распыление ведется с помощью энергетических (0,1÷2 кэВ) ионов газа. При этом химическая природа газа не играет никакой роли. Обычно это газы, химически совершенно не реагирующие с поверхностью (например, аргон).

Если обрабатываемый материал находится в непосредственном контакте с плазмой (т.е. плазма – источник ионов и среда протекания процесса), то такое травление мы назовем ионно-плазменным (ИПТ).

Если зона протекания процесса отделена от зоны генерации ионов, т.е. поверхность обрабатываемого материала не контактирует с плазмой, то такое травление называется ионно-лучевым (ИЛТ). В этом случае мы имеем дело с потоком ионов, т.е. с ионным пучком, направленным к поверхности.

Ясно, что при ИПТ на поверхность материалов воздействуют электроны, нейтральные частицы, излучения плазмы, а при ИЛТ – лишь излучения плазмы. Тем не менее, в целом воздействие всех факторов ИПТ слишком мало, пренебрежимо мало в сравнении с действием высокоэнергетичных ионов. При ИЛТ имеет место направленное движение ионов по отношению к поверхности.

Плазменное (плазмохимическое) травление (ПТ – ПХТ). Эта груп-

па процессов по своему механизму воздействия на поверхность противоположна процессам сугубо ионного травления. Здесь мы имеем дело с процессами, в основе которых лежит чисто химическое взаимодействие поверхностных слоев материала с химически активными частицами, генерируемыми в плазме, сопровождающееся образованием летучих продуктов реакции, их десорбцией и удалением из зоны процесса. В этом случае плазма играет роль генератора химически активных частиц (ХАЧ). Химически активные

7

частицы – это свободные атомы и радикалы, т.е. это наиболее агрессивная (из-за наличия у ХАЧ неспаренного электрона) часть плазмы, ответственная за протекание химических реакций. Эти частицы образуются в результате низкоэнергетической электронной и ионной бомбардировки, а также воздействия излучения.

Отметим также два возможных случая осуществления ПТ, приводящих к наличию двух его разновидностей.

Если подвергаемая травлению поверхность находится в контакте с плазмой, то мы имеем дело непосредственно с плазмохимическим травлением (ПХТ). В этом случае нельзя сбрасывать со счета влияние бомбардирующих поверхность электронов, излучения, частиц, непосредственно не участвующих в процессе травления.

В случае разделения реакционного пространства и объема, в котором генерируются ХАЧ, мы имеем дело с радикальным травление (РТ). При этом происходит сепарация, экстрагирование из разряда радикалов и свободных атомов, которые мы ранее объединили в понятие ХАЧ. Радикальное травление протекает интенсивно без стимуляции излучением или бомбардировкой электронами или ионами, этот процесс зачастую происходит спонтанно.

Реактивное ионное и ионно-химическое травление (РИТ и ИХТ).

Это промежуточный случай между чисто физическим распылением и чисто химическим взаимодействием. В таких процессах атомные слои удаляются с поверхности вследствие суперпозиции физического и химического факторов воздействия.

Процесс травления здесь можно рассматривать как физическое распыление с одновременным протеканием химических реакций между ХАЧ и атомами поверхности.

Можно определить его и как процесс химического взаимодействия ХАЧ с поверхностными слоями при одновременном физическом распылении этих слоев.

Наиболее распространенной разновидностью данного типа травления является реактивное ионно-плазменное травление (РИПТ) – сложный процесс, при котором материал подложки погружен в плазму, его поверхность подвергается воздействию энергетических ионов, свободных атомов и радикалов, электронов и излучения. В таком случае, варьируя те или иные технологические параметры, мы можем ускорять или замедлять процесс физического распыления, можем делать его вклад большим или меньшим.

Возможно ускорение или замедление самих химических реакций, которые, в частности, могут активироваться бомбардировкой ионами или излучением.

Отметим, что в случае отсутствия контакта поверхности образца с плазмой мы имеем реактивное ионно-лучевое травление (РИЛТ). Здесь на-

8

ряду с физическим распылением ионами имеет место и образование в такой плазме ХАЧ, которые чисто химически воздействуют на поверхность. Сами химические реакции на поверхности могут как ускорять, так и замедлять процесс физического распыления.

Из трех охарактеризованных групп процессы плазмохимического и реактивного ионно-плазменного травления осуществляются в плазме химически активных газов, а значит, на поверхность в этом случае воздействует одинаковый набор частиц: ионы, электроны, радикалы, свободные атомы, а также присутствует излучение.

Поэтому важно уметь различать эти процессы. Граница между ними должна лежать в области, где физическое распыление способно сыграть заметную роль. Условно в качестве критерия отнесенности процесса к ПХТ или к РИПТ используют величину энергии бомбардирующих ионов. Принято процессы с Еи < 100 эВ относить к ПХТ, а с Еи > 100эВ – к РИПТ, в этом случае физическим распылением уже пренебречь нельзя.

Хотя рассмотренная нами классификация процессов травления в плазме и является общей – возможны какие-то разновидности, особенно в части стимулирования либо физических, либо химических процессов, – но в целом эта классификация свидетельствует о соотношении химического и физического факторов в процессе травления, а также о вкладе этих факторов в данный процесс.

1.1.2 Элементарные процессы в низкотемпературной плазме

Процессы, протекающие в плазме, определяют дальнейший ход взаимодействия продуктов газоразрядных процессов с поверхностью.

Следует отметить, что обмен энергией, т.е. передача энергии от электронного газа тяжелым частицам, происходит путем столкновений, которые мы разделим на два вида – упругие и неупругие.

Упругие столкновения – это столкновения частиц, приводящие лишь к обмену энергией и изменению траектории движения электрона. При упругих столкновениях электрон теряет лишь небольшую часть энергии, т.к. разница в массах электрона и молекулы велика. В результате такого столкновения электрон продолжает движение, приобретая энергию от поля и, наконец, достигает некоей пороговой энергии, достаточной для осуществления неупругого столкновения или столкновения, приводящего к возбуждению, диссоциации или ионизации молекулы. Такое столкновение характеризуется глубокими качественными изменениями в энергетическом состоянии тяжелой столкнувшейся частицы.

Однако, несмотря на огромное значение неупругих столкновений и несомненное их определяющее воздействие на направление протекающих

9

процессов, следует помнить, что именно последовательность упругих столкновений приводит к накоплению энергии электроном.

Основными видами неупругих столкновений являются процессы воз-

буждения, ионизации и диссоциации. Продуктами протекания таких про-

цессов являются возбужденная молекула, ион, свободный атом или радикал. В принципе, любая из этих частиц в плазме может, появившись, при-

нять участие в чисто химическом взаимодействии с атомами поверхности. За такой первичной реакцией могут последовать и вторичные реакции, причем, как мы уже знаем, продукты взаимодействия одной из таких реакций имеют большую вероятность быть израсходованными в другой реакционной стадии. Таким образом, исследование механизма протекания плазмохимической реакции усложняется многократно.

Рассмотрим некоторые группы типичных процессов, протекающих в газовом разряде.

I. Столкновение электрона с нейтральной молекулой. 1. Электронное возбуждение e + N → N* + e.

При столкновении электрона с нейтральной молекулой возможны также переходы между колебательными и вращательными уровнями молекулы.

2.Прилипание e + N → (N–)* + e.

3.Ионизация: e + N →N+ + 2e (изосновного состояния); e + N* → N+ + 2e (извозбужденногосостояния).

II. Столкновение электрона с ионом.

1.Рекомбинация e + N+ → N*.

2.Образование многозарядного иона e + N* → N+2 + 2e.

3.Возникновение тормозного излучения e + N+ → e + N+ + hγ. III. Столкновение иона с нейтральной частицей.

1.Перезарядка: Na+ + Nb → Nb+ + Na (для частиц с равными потенциалами); AB+ + Ra → AC + Rb+ (с передачей атома, возможны аналогичные процессы с передачей возбуждения).

2.Отлипание Na+ + Nb → Na + Nb + e.

IV. Столкновение положительных и отрицательных ионов.

1.Рекомбинация Na+ + Nb– → (Nc)*.

V. Столкновение двух нейтральных частиц.

1.Рекомбинация Ra + Rb → AR* → ARc + hγ (фоторекомбинация).

2.Передача или обмен атомами ARa + Rb → ARc + Rd.

Возможны также переходы между вращательными и колебательными уровнями молекул, тушение возбужденного состояния.

3.Передача возбужденного состояния Na* + Nb → Na + Nb*. VI. Столкновение тяжелых частиц с фотоном.

1.Фоторазрушение отрицательного иона N– + hγ → N + e.

2.Возбуждение N + hγ → N*.

3.Диссоциация AR + hγ → Ra + Rb.

10