Ионно-плазменные методы травления
Повышение степени миниатюризации микросхем привело к необходимости формирования на поверхности полупроводниковых пластин элементов с субмикронными размерами. Методы жидкостного травления не обеспечивают требуемого для этих целей разрешения. Это послужило стимулом к развитию различных ионно-плазменных методов. Под термином «ионно-плазменное травление» принято понимать процесс контролируемого удаления материала с поверхности обрабатываемой пластины под воздействием ионов низкотемпературной плазмы в среде инертных газов или в среде, содержащей активные газы.
Подробно вопросы, связанные с образованием газоразрядной плазмы и взаимодействием образующихся при этом ионов с поверхностью распыляемой пластины, рассмотрены в п. 4.2. Здесь отметим лишь, что плазма создается в специальной газоразрядной камере с двумя (или более) электродами, между которыми прикладывается напряжение порядка несколько сотен или тысяч вольт. В камере предварительно создается вакуум, а затем в нее напускается специальный газ. При определенном давлении возникает газовый разряд, в результате которого образуются ионы или нейтральные химически активные частицы, которые, взаимодействуя с поверхностью, удаляют часть материала.
Все многообразие ионно-плазменных методов разделяют на три группы: ионное, плазмохимическое и ионно-химическое травление. При ионном травлении для удаления поверхностного слоя материала используется кинетическая энергия бомбардирующих поверхность ионов инертных газов. Иногда этот процесс называют физическим распылением поверхности. Ионы, бомбардирующие поверхность мишени (полупроводниковой пластины), передают поверхностным атомам свою кинетическую энергию, в результате чего поверхностные атомы выбиваются с поверхности. Скорость распыления при этом обычно невысока (0,1 - 1 нм/с) и зависит от массы ионов газа (обычно используют Ar), энергии ионов, рода распыляемого материала, давления газа в газоразрядной камере и других технологических параметров.
|
|
|
Данный способ отличается высокой анизотропией: травление идет преимущественно в том направлении, в котором ионы бомбардируют поверхность пластины. Если травление осуществляется через маску, то размеры вытравленных областей практически совпадают с размерами окон в маске. Это существенное преимущество перед жидкостным травлением, в котором заметную роль играет боковое подтравливание. Однако ионное травление практически не обладает избирательностью. Поэтому использовать его для локального травления (травление через маску) весьма затруднительно, поскольку наряду с пластиной будет распыляться и маска, сформированная на поверхности методом фотолитографии. Поэтому ионное травление применяется в основном для очистки поверхности от загрязнений.
|
|
|
Более универсальным является плазмохимическое травление. В данном методе газовый разряд возбуждается в химически активных газах, что приводит к образованию химически активных частиц (ионов и радикалов). Химически активные частицы, взаимодействуя с поверхностью, образуют летучие соединения, которые с помощью системы откачки удаляются из зоны реакции. В отличие от ионного травления данный метод отличается высокой избирательностью (селективностью) травления. Его можно применять для масок толщиной 0,1 - 0,3 мкм, так как эффект физического распыления практически отсутствует (энергия ионов не превышает 100 эВ). Однако анизотропия травления значительно хуже, чем при ионном травлении. Скорость травления примерно равна 2 - 10 нм/с.
Номенклатура используемых газов для плазмохимического травления довольно широка. Например, для травления кремния используют смеси фторсодержащих или хлорсодержащих газов с кислородом, водородом или азотом. Такие активные газы, как F2, Cl2 или Br2, использовать нельзя, так как они разрушают практически все конструкционные материалы в промышленных установках для плазмохимического травления. Рассмотрим в качестве примера плазмохимическое травление кремния четырехфтористым углеродом.
|
|
|
При столкновениях ускоренных электронов с нейтральными молекулами CF4 возникает газовый разряд и образуются химически активные частицы F* и CF3*, а также ионы F - и CF3+ в соответствии с реакциями:
CF4 + е - ® CF3* + F* + е - , (3.31а)
CF4 + е - ® CF3+ + F* + 2е - , (3.31б)
CF4 + е - ® CF3* + F-. (3.31в)
Экспериментально установлено, что преобладающей из всех трех реакций является реакция (3.31а). Химически активные частицы F* и CF3* осаждаются на поверхность кремния, причем частицы CF3* могут диссоциировать с образованием F* и углерода, а могут и не диссоциировать. Образование углерода на поверхности является нежелательным побочным явлением, поскольку это приводит к загрязнению поверхности кремниевой пластины. Химически активные частицы F* взаимодействуют с кремнием:
|
|
|
4F* + Si ® SiF4.
Образующиеся в результате этих реакций соединения SiF4 десорбируются и удаляются системой откачки. Параллельно с этим идет реакция
4F* + С ® СF4.
Продукт реакции CF4 также десорбируется и удаляется.
Существенную роль играет добавление в четырехфтористый углерод кислорода, молекулы которого в камере ионизируются и вступают во взаимодействие с поверхностью кремниевой пластины, окисляя ее. Как отмечалось выше, часть химически активных частиц CF3* не диссоциирует на частицы F* и углерод. При воздействии CF3* на окисленную поверхность кремния присутствие кислорода препятствует образованию свободного углерода на поверхности за счет образования летучих соединений СО и СО2. Наличие молекул кислорода в газовой фазе при плазмохимическом травлении кремния еще в большей степени способствует очистке поверхности от следов углерода, увеличивая тем самым скорость травления.
Наиболее широкие возможности открывает метод ионно-химического травления, называемый такжереактивным ионным травлением. В нем для удаления поверхностного слоя материала используется как кинетическая энергия ионов химически активных газов, так и энергия их химических реакций с атомами или молекулами объекта травления. Обработка поверхности объекта в этом случае ведется ионами химически активных газов с энергией до 500 эВ, а также химически активными нейтральными атомами и радикалами. Скорость травления примерно равна 0,3 - 3 нм/с.
При возникновении газового разряда в химически активном газе наряду с химически активными частицами образуются также ионы газа. Как уже отмечалось выше, при анализе реакций (3.31) в газоразрядной плазме преобладают химически активные частицы. Их доля обычно составляет десятки процентов, а доля ионов не превышает единиц процентов. Поэтому основную роль при ионно-химическом травлении играют нейтральные химически активные частицы, физическое распыление материала ионами играет второстепенную роль. При этом эффекты физического распыления и химического взаимодействия не аддитивны: физическое распыление активизирует химические реакции, а химические реакции, ослабляя связи поверхностных атомов, способствуют физическому распылению.
Метод ионно-химического травления отличается высокой анизотропией, что позволяет обеспечивать высокое разрешение при осуществлении фотолитографии, и удовлетворительной селективностью, существенно превышающей аналогичный показатель для чисто ионного травления.
В заключение проведем сравнительный анализ основных характеристик жидкостных и ионно-плазменных методов травления. Сравнивать будем по скорости травления, анизотропии (отношение скоростей травления по нормали к поверхности и в тангенциальном направлении), а также селективности травления (отношение скоростей травления данного материала и материала фотомаски). Значения указанных характеристик приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Характеристики различных методов травления
| Метод травления | Vтр,нм/с | Анизотропия | Селективность |
| Жидкостное травление | ~ 1 | 10…100 | |
| Ионное травление | 0,1…1 | ~ 100 | 1…10 |
| Плазмохимическое травление | 2…10 | 2…5 | 10…50 |
| Ионно-химическое травление | 0,3…3 | 20…100 | 5…20 |
В таблице не представлены значения скорости жидкостного травления, поскольку они могут изменяться в очень широком интервале в зависимости от используемого травителя, материала объекта травления, технологических режимов и так далее. Из таблицы 3.1 видно, что жидкостное травление обладает минимальными свойствами анизотропии, то есть материал травится примерно с одинаковой скоростью во всех направлениях (если не учитывать зависимость скорости травления от кристаллографического направления). Максимальная анизотропия (а значит, и максимально возможная разрешающая способность) присуща ионному травлению, однако оно обладает слабой избирательностью (селективностью). По совокупности свойств наиболее предпочтительными являются методы плазмохимического и ионно-химического травления.
Контрольные вопросы
1. Что такое гомоэпитаксия, гетероэпитаксия и хемоэпитаксия?
2. Какие задачи решает эпитаксия?
3. В чем суть методов парофазной, жидкофазной и твердофазной эпитаксии?
4. В чем суть метода газофазной эпитаксии кремния?
5. Как формируются эпитаксиальные слои кремния хлоридным и силановым методом?
6. В чем суть молекулярно-лучевой эпитаксии?
7. Что такое структура КНС? Как она формируется и в чем ее отличительные особенности?
8. В чем суть метода термического окисления кремния?
9. Объясните модель Дила-Гроува.
10. Как влияют на скорость роста слоя SiO2 температура и давление газа-окислителя, кристаллографическая ориентация кремниевой пластины и концентрация примесей?
11. В чем суть метода химического осаждения оксида кремния?
12. Как получают пленки из нитрида кремния и оксида алюминия?
13. Что такое диффузия по вакансиям и по междоузлиям? В каком случае скорость диффузии выше и почему?
14. Объясните модель, описывающую процесс диффузии примесных атомов в кристалле.
15. Объясните основные закономерности процессов диффузии.
16. Что такое диффузия из ограниченного и неограниченного источников?
17. Как рассчитать глубину залегания р-п-перехода при известных режимах технологического процесса?
18. Какие технологические факторы оказывают влияние на скорость диффузии примесей и в чем проявляется это влияние?
19. В чем суть метода ионной имплантации примесей?
20. Сформулируйте основные положения теории Линдхарда-Шарфа-Шиотта.
21. Что такое эффект каналирования и как он влияет на профиль распределения имплантированных примесей в подложке?
22. В чем суть метода ядерного легирования кремния?
23. Объясните физику явлений в кремниевых структурах, происходящих под воздействием лазерного излучения.
24. Объясните физику явлений в кремниевых структурах, стимулированных образованием в них радиационных дефектов.
25. Что такое фотолитография, какие операции она в себя включает и для решения каких задач используется?
26. Что такое позитивный и негативный фоторезисты? В чем причина их различной реакции на воздействие ультрафиолетового излучения?
27. Объясните суть методов рентгенолитографии, электронолитографии и ионно-лучевой литографии.
28. Что такое голографическая литография и для решения каких задач она применяется?
29. В чем суть жидкостных методов травления?
30. Что такое ионное, плазмохимическое и ионно-химическое травление?
4. Физико-химические основы технологии
гибридных интегральных микросхем
Тонкие пленки широко используются в полупроводниковых и гибридных интегральных микросхемах для создания проводящих дорожек и контактных площадок, резисторов, конденсаторов и так далее. При формировании пленок на поверхности подложек очень важно обеспечить воспроизводимость их параметров. Важно также, чтобы пленки обладали хорошей адгезией к поверхности подложки и имели бы с ней согласованный температурный коэффициент линейного расширения.
Хорошую воспроизводимость параметров тонких пленок дает метод термовакуумного испарения и группа методов ионно-плазменного распыления. Термовакуумный метод получения тонких пленок основан на нагреве в вакууме вещества до его активного испарения и конденсации испаренных атомов на поверхности подложки. Все разновидности ионно-плазменных методов основаны на создании в газоразрядной камере ионов, ускорении их электрическим полем и бомбардировке мишени из нужного материала. Распыленные атомы мишени, осаждаясь на поверхности подложки, образуют пленку. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Рассмотрим более подробно первый метод.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 819; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!