Процессы травления в нанотехнологии.

Марголин с.295

Создание резистного изображения на подложке не является самоцелью (за исключением вскрытия окон под диффузию, ион­ного легирования или окисления) — необходимо перенести изоб­ражение на находящуюся под резистом пленку или подложку. Применение химического травления вследствие изотропного ха­рактера для субмикронной технологии исключено. Необходимы прецизионные анизотропные методы удаления материала. Основ­ным методом становится сухое травление, которое подразделяет­ся на ионно-плазменное, ионно-лучевое травление (фрезерова­ние), и реактивные методы, основанные на применении химиче­ских реакций, протекающих в плазменной среде. Часто под плазменным травлением подразумевают чисто химические реакции с применением плазмы в качестве катализатора.

При ионно-плазменном и ионно-лучевом травлении поток ионов используется для распыления материала, как в процессах, связан­ных с напылением материалов. Но в данном случае распыленный материал просто удаляется. В качестве травителя используются вы­сокоэнергетические (свыше 500 эВ) ионы инертного газа, которые тем или иным способом, чаще всего электрическим полем, уско­ряются до требуемых энергий и бомбардируют обрабатываемую поверхность. Вектор электрического поля обычно нормален к по­верхности, поэтому анизотропия травления очень высокая.

Основным механизмом взаимодействия между бомбардирую­щими ионами и атомами материала является процесс передачи импульса, при котором за счет упругих столкновений атомы ми­шени непосредственно выбиваются с поверхности или после ряда актов рассеяния в приповерхностном слое, приводящих к пово­роту вектора импульса. Возможен также режим линейного каска­да, когда первичный ион передает энергию атому мишени, кото­рый и инициирует удаление другого атома непосредственно или также путем каскадной передачи энергии. Чем выше энергия пер­ вичных ионов, тем выше вероятность каскадного механизма. Ос­новным параметром процесса распыления является коэффициент распыления К_р (среднее число атомов, удаляемое с поверхности одной падающей частицей), который согласно теории Зигмунда определяется по формуле

где β — безразмерный коэффициент, зависящий от соотношения М₁/М₂; М₁, М₂ — атомная масса соответственно иона и атома ми­шени (здесь и далее при рассмотрении ионных процессов индекс 1 соответствует первичному иону, а индекс 2 — атому мишени); Е_х — энергия первичного иона; Е_с — энергия сублимации атома мишени.

Поскольку, как следует из выражения (5.22), коэффициент распыления зависит от энергии ионов, должна существовать оп­тимальная энергия, при которой коэффициент максимален. Наи­более эффективная энергия иона Е₁*, соответствующая макси­мальному значению К_р, согласно этой теории определяется по формуле

где а₀ — боровский радиус атома водорода; Z₁, Z₂ — атомные но­мера соответственно иона и атома материала мишени.

Кроме энергии иона, коэффициент распыления зависит от:

- массы бомбардирующего иона (прямо пропорционально);

- атомного но­мера распыляемого материала (сложная периодическая зависи­мость с пропорциональным ростом в пределах одного периода Периодической системы элементов Д. И. Менделеева);

- угла паде­ния ионов (в первом приближении A’p(G) = Ap(O)/cos0;

- чистоты обработки поверхности (чем более шероховатая поверхность, тем меньше К_р) и

- практически не зависит от температуры подложки.

Для плазменного травления обычно применяют молекулярные газы, в состав которых входят галогены, которые в процессе вза­имодействия с обрабатываемым материалом образуют летучие соединения при комнатной температуре, что обеспечивает каче­ственный перенос рисунка. В основе плазменного травления ле­жат активируемые плазмой химические реакции между свобод­ными атомами и радикалами и поверхностными атомами обраба­тываемого материала. При этом обрабатываемый материал непос­редственно находится в плазменной зоне, а результатом взаимо­действия являются летучие соединения, легко удаляемые из зоны обработки. Активирующее воздействие оказывают непосредствен­но ионы и электроны и излучение плазмы.

Воздействие заряженных частиц зависит от их энергии и по­тенциала обрабатываемой поверхности относительно плазмы. В за­висимости от параметров процесса может возникать плавающий потенциал, значение которого определяется мощностью, вкла­дываемой в разряд, давлением и видом газа и обычно не превы­шает нескольких десятков вольт. Поэтому, разность потенциалов между плазмой и поверхностью (примерно 0,1) недостаточна для эффективного физического распыления, но энергия заряжен­ных частиц и плазменного излучения достаточна для разруше­ния химической связи между поверхностными атомами матери­ала, для активации химических реакций и стимулирования процессов десорбции образующихся продуктов. Этот способ является анало­гом обычного жидкостного химического травления, но вместо жид­кой фазы активной средой является плазменное облако.

При проведении реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ) обрабатываемые образцы находятся в контакте с плаз­мой и размещаются на электроде, подключенном к источнику высокочастотного напряжения. Удаление материала происходит как за счет непосредственного физического распыления ускоренны­ми ионами химически активных газов, так и в результате химиче­ских реакций между свободными атомами и радикалами, образу­ющимися в плазме, и атомами мишени. Плазма стимулирует про­цессы, происходящие как в газовой фазе, так и на поверхности материала, повышая скорость химических реакций, что, в свою очередь, ослабляет химические связи поверхностных атомов и увеличивает скорость физического распыления.

Физический и химический процессы при РИГТТ имеют не ад­дитивный характер, т.е. количество материала, удаленного при одновременном протекании этих процессов существенно больше суммы количества материала, удаленного с помощью каждого процесса сепаратно. Соотношение между этими двумя ветвями процесса РИПТ зависит от рабочего газа, энергии ионов, вводи­мой в разряд мощности, давления газа, геометрии системы. Меха­низм действия ионов в ускорении реакции неясен. Возможно, ионы передают энергию для соединения активированных атомов и ра­дикалов для соединения с атомами мишени и образования газо­вой фазы; возможно, просто разлагают адсорбированные поверх­ностью молекулы или, распыляя примеси и разрыхляя поверх­ность, облегчают непосредственно процесс травления.

На интенсивность распыления (число атомов поверхности, выбитых одним падающим ионом) влияют энергия ионов и угол их падения на обрабатываемую поверхность. Очевидно, что энер­гия ионов должна превышать пороговую энергию удаления ионов с поверхности, которая составляет примерно 20 эВ, причем для достижения эффективного травления — намного превышать. Ионы, падающие на поверхность под некоторым углом, более эффек­ тивно выбивают атомы с поверхности, но это ухудшает анизотро­пию процесса. Большее значение имеет эффект катализа протека­ющих на поверхности химических реакций атомными соударени­ями. При этом ионная бомбардировка создает на поверхности де­фекты, способствующие ускорению протекающих реакций, обес­печивает непосредственную диссоциацию молекул травящих га­зов и способствует удалению нелетучих остатков, замедляющих травление.

Важным фактором является состав рабочего газа. На рис. 5.15 приведен график зависимости скорости травления W кремниевой подложки от концентрации К молекулярного кислорода в плазме CF ₄.

Рис.5.15. График зависимости скорости травления W кремниевой подложки от концентрации К молекулярного кислорода в плазме CF ₄.

Максимальная скорость травления достигается примерно при 12 % содержания кислорода для Si (и 20 % для Si0 ₂). При дальней­шем повышении концентрации кислорода скорость травления уменьшается. Это связано с тем, что при диссоциации молекулы CF ₄ образуется атомарный фтор, который и травит кремний, но он активно рекомбинирует с радикалами CF_X(х < 3), что снижает эф­фективность травления. Добавление кислорода уменьшает число этих радикалов за счет образования их соединений, что уменьшает ско­рость рекомбинации атомарного фтора и приводит к увеличению скорости травления.

Температурная зависимость скорости реактивного травления в первом приближении подчиняется закону Аррениуса и про­порциональна экспоненте в степени (-Q/kT), где Q— энергия активации; k — постоянная Больцмана; Т— абсолютная темпе­ратура, хотя и имеют место исключения, когда с ростом темпе­ратуры скорость реакции уменьшается. Возможно, это связано с увеличением скорости термической десорбции травителя с по­верхности.

При методе сухого травления также надо учитывать влияние материала реактора и элементов конструкции, так как в процессе травления весь объем камеры подвержен ионной бомбардировке (в разной степени) и может распыляться. Этот распыленный ма­териал осаждается на подложку и загрязняет обрабатываемую микросхему. Это явление существенно ограничивает, например, применение нержавеющей стали, поскольку происходит загряз­нение полупроводниковой подложки атомами тяжелых металлов, которые резко уменьшают время жизни неосновных носителей.

Влияние РИПТ на обрабатываемые материалы связано с бом­бардировкой поверхности материалов (и конструкционных эле­ментов установки) ионами и электронами. Связанное с этим ра­диационное воздействие приводит к возникновению электронных ловушек в материале мишени, которые могут изменять парамет­ры создаваемых в подложке микроэлектронных элементов. За счет повреждений, вызываемых ионной бомбардировкой, могут воз­никать дефекты структуры и целые аморфные кластеры. Исследо­вания процессов прецизионного травления продолжаются, и тех­нология все время совершенствуется.

Добавить из других книг.

Дата добавления: 2015-10-28