1

22 Жидкостное травление

Сначала рассмотрим влажное травление. К трем основным переменным процесса жидкостного травления относятся толщина травимого слоя, температура и время обработки. Однородному распределению температуры в ванне с реагентом способствует перемешивание. Ультрафильтрация раствора травителя в процессе травления очищает реагент от остатков резиста и других твердых частиц, способных блокировать травление.

Во избежание загрязнений бачок с травителем должен быть закрыт и изолирован от другого оборудования. Необходимо тщательно подбирать совместимые с реагентом материалы элементов установок, иначе неизбежны загрязнения и утечки. Время жизни реагента можно вычислить по стехиометрии химической реакции.

Если скорость процесса ограничивается на стадии химической реакции, то перемешивание реагента не играет существенной роли. При жидкостном травлении возможно как перетравливание, так и неполное стравливание материала, что приводит к уходу размеров и затрудняет проведение последующих технологических операций,

например диффузии. Чем толще удаляемая пленка, тем больше уход размеров вследствие подтравливания и тем больше допуск на этот уход.

Если в резисте есть точечный дефект, травление переводит его в рисунок на подложке, в результате могут появляться проколы.

Травление - критическая стадия литографического процесса. На этой стадии жестко испытываются адгезия, непроницаемость, уровень дефектности и химическая инертность резиста. Стойкость резиста к травлению и его адгезия к подложке являются,

возможно, наиболее важными параметрами процесса и в наибольшей степени определяют его успех. Применение резиста с высокой стойкостью к травлению гарантирует минимальное искажение изображения при переносе его в подложку. Практические пределы применимости процесса ЖХТ определяются его разрешением -1.5-2.0 мкм - и

уходом размеров при травлении - 0.2-0.5 мкм.

Изотропное жидкостное травление, для которого характерно большое боковое подтравливание (L), пришлось заменить газофазным анизотропным травлением, для которого D/L 1. Поскольку травление в вертикальном направлении при достижении

глубины D прекращается, перетравливание определяется только скоростью удаления материала в боковом направлении. Степень анизотропии зависит от многих физических параметров. Жидкостное травление определяется в основном статическими характеристиками: адгезией, степенью задубленности резиста, составом травителя и т.п.

При сухом травлении степень анизотропии во многом зависит от динамических параметров: мощности разряда, давления и скорость эрозии резиста. Величина бокового подтравливания в случае жидкостного травления зависит от предшествующих стадий обработки - подготовки поверхности и термозадубливания.

Используя жидкостное или реактивное ионно-плазменное травление, можно формировать различные профили в пленках. Жидкие травители дают изотропные или скошенные профили. Скошенный профиль края лучше подходит для последующего нанесения полости металла поперек такой ступеньки.

Для компенсации подтрава при изотропном жидкостном травлении размеры элемента на фотошаблоне следует уменьшать.

Сухое травление

Методы так называемого сухого травления хорошо подходят для технологического процесса изготовления СБИС благодаря возможности анизотропного травления, что обуславливает высокое разрешение при переносе рисунка.

Сухое травление может осуществляться различными методами. При использовании методов ионного травления, включающего ионно-лучевое и ионно-плазменное травление,

процесс травления происходит исключительно по механизму физического распыления.

Реактивные методы, включающие собственно плазменное травление, реактивное электронно-лучевое травление и реактивное ионно-плазменное травление, основаны на различной степени сочетаний химических реакций, в ходе которых образуются летучие или квазилетучие соединения, и физических взаимодействий, таких, как ионная бомбардировка.

23 Сухое травление

Методы так называемого сухого травления хорошо подходят для технологического процесса изготовления СБИС благодаря возможности анизотропного травления, что обуславливает высокое разрешение при переносе рисунка.

Сухое травление может осуществляться различными методами. При использовании методов ионного травления, включающего ионно-лучевое и ионно-плазменное травление,

процесс травления происходит исключительно по механизму физического распыления.

Реактивные методы, включающие собственно плазменное травление, реактивное электронно-лучевое травление и реактивное ионно-плазменное травление, основаны на различной степени сочетаний химических реакций, в ходе которых образуются летучие или квазилетучие соединения, и физических взаимодействий, таких, как ионная бомбардировка.

Ионно-плазменное и ионно-лучевое травление

Как ионно-плазменное, так и ионно-лучевое травление основаны на использовании образующихся в процессе разряда высокоэнергетических (>=500 эВ) ионов инертного газа, например Ar+. Ионно-плазменное травление проще всего осуществить в высокочастотной диодной системе, схема которой представлена на рис. 2. Материал,

подвергаемый травлению, закрепляется на запитываемом электроде и бомбардируется притягиваемыми из плазмы ионами

1 - Рабочий газ; 2 - К насосу; 3 – Подложка; 4 – Катод; 5 - Заземленный экран; 6 -

Источник ВЧ-напряжения.

Рис. 2. Высокочастотная диодная система для реактивного ионного травления.

(запитываемый электрод является катодом, а все остальные внутренние заземленные части реактора - анодом; при этом площадь катода намного меньше площади анода.

Плазма не удерживается и занимает весь объем камеры. Заземленный экран предотвращает распыление защищаемых им участков поверхности запитываемого электрода).

В методе ионно-лучевого травления источником ионов обычно является разряд постоянного тока, ограничиваемый магнитным полем, причем область разряда физически отделена от стравливаемой подложки системой сеток (электродов), на которые подаются потенциалы смещения, обеспечивающие экстрагирование ионного пучка (обычно Аг+) из разряда. Для обеспечения используемых па практике плотностей тока пучка (<= 1 мА/см2)

требуется сообщать нонам энергию выше 500 В. Для нейтрализации ионного пучка на его пути размещается разогреваемая нить накала, инжектирующая в пучок электроны низких энергий.

Хотя и ионно-плазменное, и ионно-лучевое травление обеспечивают в потенциале высокое разрешение, они не получили широкого применения в технологии СБИС.

Основной причиной этого является неудовлетворительная селективность травления.

Плазменное травление

Для плазменного травления кремния, его соединений и некоторых металлов применяют молекулярные газы, содержащие в своих молекулах один или более атомов галогенов.

Выбор таких газов объясняется тем, что образуемые ими в плазме элементы реагируют с материалами, подвергаемыми травлению, образуя летучие соединения при температурах,

достаточно низких, чтобы обеспечить качественный перенос рисунка.

Для травления с высоким разрешением используются реакторы с электродами в виде параллельных пластин. Такие системы имеют ряд отличительных характеристик.

Во-первых, электроды почти симметричны. Уровень удержания плазмы относительно высок, поскольку электроды расположены близко друг к другу и имеют размеры в плоскости, соизмеримые с диаметром внутренней полости реактора. Удержание плазмы обеспечивает повышение ее потенциала. Другими отличительными характеристиками являются размещение подвергаемых травлению подложек на заземленном электроде и относительно высокое рабочее давление (от 13,3 до 1330 Па). Для исключения зарядки поверхности используют высокочастотный разряд.

Следует учитывать, что в процессе разряда могут образовываться химически агрессивные и (или) токсичные газы, например CO, COF2, COCl2, F2 и Cl2. Значения скорости подачи газа обычно лежат в интервале 50-500 см3/мин при стандартных температуре и давлении.

Первыми были разработаны реакторы цилиндрического типа. В подобных реакторах обрабатываемые подложки помещаются в центре вакуумной камеры, а ВЧ-разряд создается внешней катушкой (рис. 3). В таких реакторах ионы движутся не перпендикулярно к подложке, что приводит к изотропному травлению и формированию рисунка с наклонными стенками. Другим недостатком цилиндрических реакторов является то, что в подобных системах ионы приобретают достаточно высокую энергию.

Это приводит к созданию различного рода радиационных дефектов в полупроводниковых структурах. Для снижения плотности дефектов в цилиндрических реакторах вводится дополнительная экранирующая сетка, которая изолирует зону разряда от обрабатываемых пластин (рис. 4). В этом случае реализуется так называемое радикальное травление – происходит химическое взаимодействие поверхностных слоев с электрически нейтральными реактивными свободными радикалами, всегда присутствующими в плазме используемых реактивных газов.

Цилиндрические реакторы широко применяются для создания микроструктур с низкой и средней степенью интеграции, когда размер топологических линий не превышает 1-2 мкм.

Рис. 3. Цилиндрический плазменный реактор. Рис. 4. Плазменный цилиндрический реактор с защитной сеткой.

Для прецизионного травления были разработаны планарные реакторы.

Полупроводниковая подложка располагается на плоском ВЧ электроде. Над ней размещается плоский заземленный электрод. В таких системах достигается высокая анизотропность травления, так как ионы движутся практически перпендикулярно к поверхности подложки. Для увеличения анизотропии травления используют, кроме того,

дополнительное смещение подложки постоянным напряжением.

Реактивное ионное и реактивное ионно-лучевое травление

Реактивное ионное травление, называемое также реактивным ионно-плазменным травлением, осуществляется в реакторах, аналогичных применяемым для ионно-

плазменного травления. Однако в реактивном ионном травлении вместо плазмы инертного газа используется разряд в молекулярных газах аналогично тому, как это осуществляется при плазменном травлении.

Особенностями метода являются: асимметричные электроды (т. е. отношение площади катода к площади заземленной поверхности намного меньше 1); размещение подложек на запитываемом электроде; относительно низкие рабочие давления (0,133-13,3 Па).

Каждая из перечисленных особенностей метода обуславливает относительно высокую энергию ионов, бомбардирующих поверхность подложки в процессе травления. Низкие рабочие давления, используемые при реактивном ионном травлении, приводят к необходимости применения более сложных откачных систем и низких скоростей подачи рабочего газа (~10-100 см3/мин при стандартных температуре и давлении). В-остальном,

системы реактивного ионного травления сходны с реакторами для плазменного травления с параллельным расположением электродов.

При реактивном ионно-лучевом травлении применяется оборудование, сходное с оборудованием, используемым при ионно-лучевом травлении. Аналогичными являются и рабочие характеристики. Однако вместо инертных газов источником ионов служат молекулярные газы - так же, как в методах плазменного и реактивного ионного травления.

Одним из наиболее процессов травления является травление потоком химически активных но нейтральных частиц. К таким частицам относятся свободные радикалы и некоторые короткоживущие молекулярные комплексы, которые возникаю в плазме соответствующих газов. СВЧ разряд в реактивном газе возбуждается в кварцевой трубе,

помещенной в волновод. За счет разницы давлений в разрядной камере и реакторе плазма распространяется по транспортной трубе в разрядную камеру. Заряженные частицы быстро рекомбинируют, тогда как радикалы достигают обрабатываемой пластины.

Основное применение такого процесса находится в технологических операциях связанных с изотропным но высоко селективным травлением. Например, при удалении резистов, при травлении маски из нитрида кремния на оксиде или поликремнии в LOCOS

процессах. При применении этих процессов в комбинации с пассивирующими слоями на боковых стенках линий было достигнуто травление с высокой анизотропией, достаточной для травления структур с высоким отношением высоты к ширине линий.

Двойной «Дамасцен» Процесс

На пластину осаждается изолирующий оксид, в

котором вытравливается структура под алюминиевую разводку методами реактивного ионного травления с использованием фоторезистной маски. После травления оксида и снятия резиста, структура заполняется алюминием. Оставшийся алюминий на областях,

где структуры не должны оставаться, удаляется методом химико-динамической полировки, и осаждается второй изоляционный слой. С использованием Damascene-

процесса, типичные для реактивного ионного травления проблемы,

напримернедостаточная селективность фоторезиста, недостаточный контроль профиля и коррозии, можно избежать. С другой стороны, появляются проблемы с травлением оксида, заполнением узких структур алюминием и полировкой 'мягкого' алюминия.

В методике химико-динамической полировки пластина устанавливается на вращающемся подложкодержателе (рис. 6), который прижимается к вращающемуся столу с полировальником. Благодаря этим двум вращениям, поверхность пластины заземлена. Технология шлифовки химически усиливается суспензией, которая вводится на

полировальник. Суспензия состоит из маленьких частиц для улучшения процесса шлифовки и травителя, реагирующего с материалом, который требуется удалить, и не реагирует с нижележащим материалом. Таким образом, возможно избирательное удаление пленок.

Рис. 6. Схема методики CMP.

Типичная последовательность технологических операций - "Двойной Дамасцен Процесс", показана на рис. 7. В первом шаге осаждается ILD оксид (рис. 7a). После литографии контактного окна (рис. 7b), оно травится реактивным ионным травлением оксида (рис. 7с). Удаляется фоторезист (рис. 7d), и проводится вторая литография для формирования рисункаметаллических структур (рис. 7e). Металлические структуры вытравливаются в оксиде в фиксированном по времени RIE процессе (рис. 7f). Время травления в комбинации со скоростью травления определяют глубину структур. После удаления фоторезиста (рис. 7g), осаждается алюминий (рис. 7h). В завершении металлические структуры формируются за счет процесса CMP(рис.

7i). Последовательность заканчивается плоской поверхностью после второго осаждения оксида (рис. 7j).

В таблице 1 сравниваются технологические операции для Двойного Дамасцен процесса и последовательности RIE. Двойной Дамасцен процесс имеет на 6 технологических операций меньше чем последовательность RIE. Это приводит к уменьшению стоимости модуля

на 13% и уменьшению времени процесса на 18% для 256 М DRAM[13].

Рис. 7. Последовательность Двойного Дамасцен Процесса.

Таблица 1. Сравнение последовательности RIE и «Dual Damascene».

11Удаление фоторезиста

12Отжиг

13Осаждение оксида (DFSG)

14CMP оксида

15Отжиг

16Осаждение оксида (USG)