Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Основные характеристики плазменного травления и их зависимость от условий проведения процесса




 

4.1 Скорость травления – глубина травления материала h за время травления t. Скорость химической реакции в процессах ПХТ и ИХТ зависит, как и в любой другой реакции, от концентрации реагентов т. е. концентраций химически активных частиц плазмы и активных центров на обрабатываемой поверхности. Изменение параметров ПХТ и ИХТ, меняющих эти концентрации, влияет на скорость травления материалов. Основными параметрами, влияющими на протекания процесса ПХТ, являются: мощность, вкладываемая в электрический разряд, создающий плазму; давление рабочего газа; скорость подачи рабочего газа; температура подложки в процессе обработки; число одновременно обрабатываемых подложек или суммарная обрабатываемая площадь; интенсивность сопутствующей ионной обработки [14].

В процессе ИХТ важным параметром, определяющим скорость травления, является энергия бомбардирующих ионов.

Вкладываемая в электрический разряд ВЧ мощность определяет электронную температуру плазмы, от которой, в свою очередь, зависит концентрация и компонентный состав реактивных частиц плазмы. С увеличением мощности происходит увеличение концентрации химически активных частиц плазмы, образующихся в результате диссоциации молекул рабочего вещества при электронном ударе.

Как правило, скорость ПХТ материалов возрастает с увеличением мощности. На рис. 4.1.а представлены зависимости скоростей травления кремния, двуокиси и нитрида кремния, фоторезиста AZ-1350j от мощности, выделяемой на подложке при травлении в планарной системе ПХТ (частота возбуждения электрического разряда f = 13,56 МГц, материал электрода подложкодержателя – кремний) [35, 37]. Наблюдается практически линейная зависимость увеличения скорости травления с увеличением мощности, т. е. возрастание концентрации образующихся в разряде химически активных частиц пропорционально подводимой подводимой ВЧ мощности. Изменение компонентного состава химически активных частиц при изменении мощности может быть использовано как средство для управления селективностью процесса ПХТ. Темп роста скорости травления различных материалов при увеличении мощности зависит от вида рабочего вещества. Например, при использовании для ПХТ хладона-12 увеличением мощности можно значительно повысить селективность травления (рис. 4.1.б) [6,14]. При больших мощностях кремний травится в пять раз быстрее, чем двуокись кремния, в то время как при малых мощностях обработки только в два раза. Повышение подводимой мощности приводит к более полной фрагментации молекул .

(а) (б)

Рис 4.1. а – зависимость скорости травления кремния (1), двуокиси (2) и нитрида кремния (3), фоторезиста AZ-1350j (4) в плазме от электрической мощности, выделяемой на подложке; б – зависимость скорости травления кремния (1), двуокиси кремния (2) от мощности, вкладываемой в разряд.

Плазма оказывается обогащенной атомарным хлором и фтором. Аналогичные зависимости скорости травления наблюдаются при ПХТ других материалов.

Обработка ионами подложки, размещенной на подложкодержателе повышает концентрацию активных центров на поверхности , что приводит к значительному увеличению скорости травления. Наличие дефицита фтора в плазме не дает возможности увеличивать скорость травления кремния при возрастании мощности даже при повышенной концентрации активных центров, создаваемых на поверхности в результате ионной бомбардировки.

С увеличением давления скорости травления растут, достигают максимума, а затем уменьшаются. С ростом давления, как показывает анализ оптических спектров излучения плазмы, число и энергия возбуждения атомов фтора уменьшаются. Характер зависимости скорости от давления сохраняется при различных уровнях мощности, вкладываемой в разряд. При высоких мощностях наблюдается насыщение, а затем уменьшение скорости травления. При больших мощностях максимум зависимости скорости травления от давления достигается при более высоких давлениях [11, 35].

Как правило, наибольшая селективность процесса ПХТ различных материалов достигается при высоких уровнях мощности и давлениях рабочего газа.

Рис 4.2. Типичный вид зависимости скорости ПХТ кремния от расхода газа

Скорость ПХТ материалов быстро увеличивается с ростом скорости подачи или расхода газа. Она достигает максимума, а затем уменьшается при дальнейшем увеличении расхода газа. Типичный вид зависимости скорости травления от расхода газа представлен на рис. 4.2. Малая скорость травления при малых расходах газа определяется недостаточным числом образующихся в разряде химически активных частиц из-за недостатка исходного вещества. Падение скорости при больших потоках можно объяснить тем, что активные частицы плазмы откачиваются быстрей, чем успевают взаимодействовать с обрабатываемым материалом.

ПХТ и ИХТ – процессы, основу которых составляют химические реакции на поверхности обрабатываемого материала, скорость протекания которых зависит от температуры.

В зависимости от ВЧ мощности, вкладываемой в разряд, или от мощности ионной обработки в процессе травления происходит разогрев обрабатываемого материала. Изменение температуры определяет зависимость ПХТ и ИХТ от длительности обработки. Важную роль в установлении температурного режима подложки играют условия теплоотвода с поверхности обрабатываемого материала. При плотности мощности, выделяемой на подложке до , ее температура превышает 370 К. Такой температурный режим является предельным для фоторезистивной маски на поверхности подложки. При более высокой температуре она повреждается.

Увеличение температуры в процессах ПХТ и ИХТ связано главным образом с излучением из плазмы, электронной и ионной бомбардировкой, выделением тепла при химических реакциях травления. Эти реакции, как правило, высоко экзотермичны.

При постоянной температуре подложки скорость ее травления постоянна. Игнорирование температурной зависимости скорости ПХТ может стать причиной невоспроизводимости процесса травления от цикла к циклу. На рис. 4.3 представлены

Рис 4.3. Зависимость температуры поверхности образца и толщины стравленного слоя двуокиси кремния от времени для двух следующих друг за другом технологических циклов

зависимости изменения толщины стравленной пленки со временем для двух следующих друг за другом циклов ПХТ. Толщины протравленных пленок в обоих циклах отличаются более чем в два раза. Это связано с тем, что остаточная температура рабочей камеры после первого цикла задает более высокую начальную скорость травления во втором цикле [7-9, 14].

При большой площади обрабатываемой поверхности возможно возникновение условий, когда скорость отбора частиц из плазмы превышает скорость их образования. В результате общая скорость процесса ПХТ снижается. Площадь поверхности, на которую отбираются химически активные частицы, складывается из площади подложки или нескольких подложек и площади электрода подложкодержателя, если последний может взаимодействовать с плазмой. Снижение скорости будет тем больше, чем больше площадь взаимодействующей с плазмой поверхности при постоянных параметрах процесса ПХТ. Такая зависимость называется эффектом загрузки.

(а) (б)

Рис 4.4. а – влияние материала подложкодержателя на эффект загрузки при реактивном ионно-плазменном травлении кремния, 1 – кварцевый катод, 2 – алюминиевый катод; б – влияние эффекта загрузки на скорость ПХТ кремния (1), двуокиси (2), нитрида кремния (3) в плазме

 

Рис 4.4а иллюстрирует эффект загрузки при реактивном ионно-плазменном травлении кремния в зависимости в зависимости от материала электрода-подложкодержателя [14,37]. Скорость травления кремния в плазме быстро уменьшается с увеличением размеров (в процентном отношении) площади кварцевого катода, закрываемого кремниевыми подложками. Если подложкодержатель алюминиевый, подение скорости существенно меньше. Меньше и абсолютные скорости травления кремния.

Кварцевый подложкодержатель взаимодействует с плазмой , отбирая радикалы · и выделяя кислород. Концентрация радикалов фтора в плазме увеличивается, поверхность кремния не блокируется углеродом и увеличивается относительная скорость травления кремния. Кремниевые подложки, закрывая поверхность кварцевого подложкодержателя, уменьшают выделение кислорода в плазму и скорость травления уменьшается.

Фтор, взаимодействуя с алюминием, образует нелетучее соединения . В результате алюминиевый подложкодержатель практически не участвует в процессе ПХТ. Уменьшение скорости травления кремния при увеличении загрузки в этом случае определяется только снижением концентрации химически активных частиц плазмы, поступающей на единицу площади кремниевой подложки.

Влияние эффекта загрузки на скорость ПХТ определяется соотношением:

(4.1)

где - коэффициент пропорциональности, характеризующий реакцию ПХТ материала, ; - среднее время жизни реактивных частиц плазмы, с; G – скорость генерации химически активных частиц, ; s – площадь обрабатываемого материала, ; V – объем плазмы, .

Параметр , где k – константа равновесия реакции; - плотность обрабатываемого материала, ; - число Авогадро, ; M – молекулярная масса обрабатываемого материала, г/моль.

При достаточно большой площади, когда выполняется условие , . Так как при постоянной мощности, вкладываемой в разряд, скорость генерации химически активных частиц плазмы G – постоянна, скорость травления материала оказывается обратно пропорциональной площади обработки: . При таких площадях обработки наблюдается эффект загрузки.

Если обрабатываемая поверхность имеет малую площадь, когда выполняется условие , скорость травления . В этом случае скорость ПХТ определяется собственно скоростью гетерогенной химической реакции на поверхности. Активных частиц плазмы достаточно для обеспечения эффективного протекания реакции травления и скорость травления не зависит от загрузки.

Если скорость реакции травления велика, эффект загрузки сказывается при меньших размерах обрабатываемой площади. При малой скорости травления эффект загрузки проявляется при больших размерах обрабатываемой площади.

Эффект загрузки оказывает влияние на направленность процесса ПХТ. Если в начале процесса травления обрабатываемая поверхность имела начальную площадь, определяемую размерами окон фоторезистивной маски и толщиной пленки, в которой создается структура, то после полного протравливания пленки размер обрабатываемой поверхности уменьшается. Эта площадь соответствует площади боковых стенок вытравленной структуры. Уменьшение площади приводит к увеличению скорости травления материала в горизонтальном направлении. Происходит интенсивное растравливание материала под маской. Следовательно для уменьшения растравливания и увеличения направленности процесса травления необходимо обеспечение условий процесса ПХТ, в которых эффект загрузки не проявляется, т. е. скорость травления не зависит от размеров обрабатываемой площади.

При большой загрузке в плазме создается дефицит высоко химически активных частиц и избыток ненасыщенных галогеноуглеродов, способных полимеризоваться на поверхности обрабатываемого материала. Проявление эффекта загрузки может стать причиной невоспроизводимости процессов ПХТ материалов от цикла к циклу.

4.2 Селективность процессовПХТ и ИХТ характеризуется отношением скоростей травления материалов разной химической природы, например, пленки и подложки ( пленки/ подложки). Способы управления селективностью процессов ПХТ и ИХТ заключаются в воздействии на процесс химического взаимодействия частиц плазмы с металлами. Принципиально химическая природа взаимодействия ионов и радикалов с материалами позволяет обеспечить высокую селективность процессов ПХТ и ИХТ. Она может быть того же порядка, что и при жидкостном химическом травлении. Но, так же как и при жидкостном химическом травлении, высокая селективность может быть достигнута только точным подбором травящих компонентов и сопутствующих условий проведения процесса.

Для практического решения этой задачи используют различные способы, в основе которых лежит управление составом травящих частиц плазмы и состоянием обрабатываемой поверхности. В этой связи на рис 4.5 показано влияние добавления водорода в на процесс ПХТ кремния и двуокиси кремния [14]. Происходит резкое

Рис 4.5. Влияние добавки водорода в плазму на скорость ПХТ кремния (1) и двуокиси кремния (2)

 

падение скорости травления кремния уже при малых количествах добавляемого водорода. В то же время скорость травления двуокиси кремния практически не меняется. Связывание свободного фтора в HF приводит к его дифициту, уменьшению отношения F/C и, как следствие, к полимеризации ненасыщенных радикалов на поверхности кремния при добавлении водорода более 40%. Наблюдаемое падение скорости травления двуокиси кремния при наличии в составе плазмы до 50% и более водорода можно объяснить возникающим недостатком фторуглеродных радикалов, ответственных за процесс травления [12, 14, 38].

Большие возможности в управлении селективностью открывает ионная бомбардировка, инициирующая химические реакции на поверхности обрабатываемого материала, удаляющая углеродное или полимерное покрытие [11]. В результате ионной бомбардировки происходит распыление материала подложкодержателя – электрода, приводящее к изменению компонентного состава плазмы. Материал электрода может принимать участие в химических реакциях в процессе ПХТ, влияя на скорость и направление их протекания. Важно, какие соединения образуют бомбардирующие ионы с материалом подложкодержателя – летучие или нелетучие. Если образуются летучие соединения, то, попадая в плазму, они нарушают ее установившийся состав. Если материалом подложкодержателя является, например, двуокись кремния – кварц, то выделение в процессе ионной бомбардировки кислорода способствует снижению дефицита фтора в плазме. Для увеличения дефицита фтора в плазме используется подложкодержатель из фторопласта или графита.

Селективность травления сильно зависит от технологических режимов обработки. Влияние различных параметров на селективность проявляется через изменение состава частиц плазмы. Этими параметрами являются мощность, вкладываемая в разряд, скорость подачи рабочего вещества в камеру, давление и т. п.

4.3 Направленность – анизотропность процесса травления – может быть определена как отношение глубины травления к размеру подтравливания под маску, через которую травится структура, или как отношение вертикальной и горизонтальной скоростей травления. Для получения структур травления с размерами порядка микрона и менее при глубине травления того же порядка требуется высокая анизотропность процесса травления.

Если основными реактивными частицами плазмы, осуществляющими процесс травления, являются реакционоспособные радикалы, достигнуть высокой анизотропии травления, как правило, не удается. Высокое давление газа, отсутствие направленности радикалов по отношению к обрабатываемому материалу исключает возможность достижения анизотропии травления при ПХТ в объемных системах. Движение радикалов к поверхности в этом случае носит характер диффузного из-за многочисленных столкновений в плазме.

В идеале желательно иметь профиль травления структуры с вертикальными стенками. Практически реализуется профиль, в котором стенки вытравленной структуры имеют наклон относительно вертикали к поверхности. Происходит растравливание структуры, в результате которого ее размер отличается от размера, задаваемого маской. Эта вероятность определяется соотношением между длиной свободного пробега радикалов в плазме и размерами окна маски. В случае, если «, направленность движения полностью отсутствует. При снижении давления уменьшается различие между и и возрастает направленность воздействия радикалов на материал [6,14,19].

В процессе взаимодействия на поверхности образуются летучие продукты реакции, поток которых направлен к поверхности. Движение образовавшихся продуктов реакции также носит диффузный характер. В установившемся состоянии скорость диффузии оказывается равной скорости травления материала. Получаемый в результате профиль травления определяется параметрами, характеризующими потоки травящих частиц и летучих продуктов реакции.

Анизотропность травления в процессе ПХТ определяется, в первую очередь, соответствующей процессу ионной бомбардировкой. Заданной анизотропности травления можно достигнуть только при реактивном ионно-плазменном травлении. Направленное движение ускоренных ионов в процессах ИХТ дает высокую анизотропность травления.

Анизотропность травления в процессе ПХТ с ионной бомбардировкой связана с тем, что бомбардировке подвергается лишь дно структуры травления, находящееся на пути движения ионов. Боковые стенки структуры не подвержены или подвержены в гораздо меньшей степени ионной бомбардировке.

Рис 4.6. Форма структуры травления: изотропный (1) и анизотропный (2)

 

На рис. 4.6 представлены формы структуры травления. Изотропный профиль имеет клиновидную форму. Травление в горизонтальном и вертикальном направлениях характеризуется отношением: .

Рис 4.7 иллюстрирует возможности управления скоростью (а) и профилем травления кремния (б) путем изменения соотношения фтор/углерод (F/C) достигаемого добавлением в водорода, и интенсивности ионной бомбардировки [9,19,35]. При травлении в плазме без сопутствующей ионной бомбардировки структура травления имеет клин, угол наклона стенок которого характеризуется соотношением . Добавление водорода приводит к уменьшению F/C до уровня, при котором в отсутствии ионной бомбардировки процесс травления останавливается (точка А на рис 1.2, а). В этих

Рис 4.7. Зависимость скорости травления (а) и формы травления (б) структуры травления кремния от процентного содержания водорода в плазме . 1 – ПХТ без ионной бомбардировки. 2 – ПХТ с ионной бомбардировкой, обеспечиваемой подачей на подложку отрицательного смещения 150В

 

условиях введение ионной бомбардировки подачей смещения на подложку –150В возобновляет процесс травления (точка В на рис 4.7, а), но только для вытравливаемой структуры. Стенки, которые не подвергаются ионной бомбардировке, не травятся. Такой же эффект можно получить добавлением в плазму фторуглеродов хлора, который хемосорбируется на поверхности кремния, но не травит его. Для образования летучего требуется ионная или электронная бомбардировка.

Таким образом, соотношение F/C и ионная бомбардировка могут изменять анизотропию, управлять профилем травления в процессах ПХТ.

4.4 Равномерность травления и текстура. Равномерность процесса травления обычно выражается в % и может быть найдена как:

(4.2)

где и - максимальная и минимальная скорости травления, соответственно. Текстурированность поверхности характеризует изменение ее шероховатости после травления. В зависимости от условий процесса и рабочего газа текстурированность может как уменьшаться, так и возрастать.

 

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...