Плазмохимическое травление ПХТ

При плазмохимическом травлении обрабатываемый образец помещается непосредственно в область химически активной плазмы, располагаясь на специальном подложкодержателе и находится обычно под плавающим потенциалом. Основными частицами, участвующими в процессе плазменного травления и влияющими на него, являются свободные атомы, радикалы, ионы и электроны. Вклад этих частиц в плазменное травление различен: химически активные частицы, т. е. свободные атомы и радикалы, вступают в химическую реакцию с поверхностными атомами материалов и удаляют поверхностные слои в результате образования летучих продуктов реакции, а электроны и ионы активируют эту реакцию, увеличивая скорость травления. Активирующее воздействие ионов и электронов определяется энергией, с которой они бомбардируют обрабатываемую поверхность. Значение этой энергии зависит от потенциала обрабатываемой поверхности относительно плазмы. Вследствие различия в подвижности электронов и ионов на поверхности, находящейся в плазме (если она не заземлена и на нее не подается напряжение), возникает отрицательный плавающий потенциал, который зависит от мощности, вкладываемой в разряд, давления и вида газа и при плазменном травлении обычно не превышает нескольких десятков вольт (к плазменному травлению относятся процессы, в которых энергия ионов не превышает 100 эВ). Таким образом, величина разности потенциалов между плазмой и обрабатываемой поверхностью не может обеспечить заряженным частицам энергию, достаточную для эффективного физического распыления (при 100 эВ коэффициент распыления не превышает 0,1 атом/ион). Но в то же время энергия ионов и электронов достаточна для разрушения химической связи между поверхностными атомами материала, активации химической реакции и стимулирования процессов десорбции образующихся продуктов. В результате скорость травления возрастает. Кроме этого, положительные ионы сами обладают химической активностью и могут вступать в реакцию. В большинстве случаев вклад химической реакции между ионами и материалом в плазмохимическом травлении незначителен по сравнению с вкладом химической реакции с участием нейтральных активных частиц. Это объясняется тем, что концентрация ионов в плазме (10⁹ – 10¹¹ см^-3) значительно ниже концентрации нейтральных активных частиц (10¹⁴ – 10¹⁶ см^-3).

Генерацию энергетически и химически активных частиц для осуществления плазменного травления производят в реакторах, которые в зависимости от вида конкретного процесса должны удовлетворять определенным требованиям. В первую очередь, должны обеспечиваться заданные скорость и равномерность процесса при приемлемых мощности разряда и расходе рабочего газа. Таким требованиям удовлетворяют реакторы с объемным расположением подложек в плазме и реакторы диодного типа, в которых подложки размещают на плоских электродах.

На рис 5.3 показана схема ПХТ диодного типа. Подложка размещается на заземленном электроде. ВЧ напряжение подводится к противоположному электроду. Для подачи реакционнымх газов в зону разряда используется подвод газа через т.н. газовый душ в нагруженном электроде.

При зажигании емкостного разряда, происходит разложение газовой смеси на электроны, ионы и активные радикалы. Травление происходит большей частью за счет активных радикалов. Ионная бомбардировка подложки, расположенной на заземленном электроде, минимальна из-за существенной асимметрии разряда.

Рис 5.3. Схема плазмохимического травления ПХТ (PE)

Общей чертой всех реакторов объемного типа является кассетная загрузка подложек. Одновременно в реакторе может обрабатываться 20-100 подложек. Высокая производительность установок - их главное достоинство. В то же время кассетная загрузка подложек имеет существенные недостатки. Во-первых, это большая суммарная площадь обрабатываемой поверхности и, как следствие, возможность проявления загрузочного эффекта. Во-вторых, для получения стабильных результатов травления при обработке пластин партиями необходима высокая точность поддержания рабочих параметров от цикла к циклу, что является сложной технической задачей.

Основными рабочими параметрами, определяющими характеристики процесса плазменного травления, являются: мощность, вкладываемая в разряд, рабочее давление, расход газа и способ его подвода к обрабатываемой поверхности, температура подложек, состав используемого газа.

При проведении ПХТ важен выбор не только рабочего газа, но и добавок к нему, которые, не принимая непосредственного участия в процессе травления, могут существенно увеличить эффективность использования основного газа. Основным механизмом влияния газа-добавки на скорость ПХТ является увеличение концентрации ХАЧ в реакторе, которое может реализоваться через:

- уменьшение вероятности рекомбинации ХАЧ на стенках реактора;

- увеличение скорости генерации ХАЧ.

Последний механизм может реализоваться как через появление дополнительных каналов диссоциации молекул при взаимодействии с возбужденными частицами газов-добавок, так и через увеличение скорости диссоциации электронным ударом при изменении электрофизических параметров плазмы.

Наличие эффекта увеличения скорости травления при подаче на обрабатываемый материал смещения как отрицательной, так и положительной полярности свидетельствует о том, что процесс ПХТ одинаково эффективно активируется как ионной, так и электронной бомбардировкой. Хотя оба этих фактора затрудняют адсорбцию ХАЧ, они оказывают стимулирующее действие на химическую реакцию на поверхности и десорбцию продуктов взаимодействия. При подаче положительного смещения определенную роль могут играть отрицательные ионы, которые рекомбинируют на поверхности с образованием нейтральных ХАЧ.

Влияние поперечного магнитного поля связано с изменением траектории движения электрона (закручивания в спираль) и увеличением частоты столкновений, приводящих к образованию ХАЧ.

Селективность ПХТ зависит от операционных параметров процесса. Рост интенсивности ионной бомбардировки с ростом вкладываемой мощности приводит к снижению селективности. Селективность существенно увеличивается с ростом давления и расхода газа, характер этого влияния обусловлен тем, что ПХТ кремния обычно происходит в диффузионной области, а SiO₂ – в кинетической. Значительного увеличения селективности можно достичь при добавлении к фторсодержащим газам кислорода, который уменьшает рекомбинацию атомов фтора и повышает скорость травления кремния. Увеличение интенсивности ионной бомбардировки приводит к росту скорости процесса, протекающего в кинетическом режиме, а рост площади обрабатываемой поверхности сказывается только на скорости реакции в диффузионной области. Влияние частоты ВЧ поля связано со снижением скорости травления оксида кремния из-за изменения условий ионной бомбардировки.

При производстве ИМС с субмикронными размерами элементов ПХТ может быть применено только для формирования топологии в пленках толщиной более 0.5 мкм. Это обусловлено значительным подтравливанием под маскирующий слой, при этом величина подтравливания в некоторых случаях равна глубине травления. При ПХТ показатель анизотропии обычно не превышает 2 - 4, что ограничивает предельное разрешение процесса на уровне 1.0—0.7 мкм. При требовании прецизионного травления плазменное травление может быть применимо, пока отношение ширины линии к толщине слоя превышает 5:1. Наличие анизотропии при плазменном травлении обусловлено природой пограничного слоя между плазмой и поверхностью обрабатываемого материала. Его природа такова, что заряженные частицы в нем вследствие разности потенциалов между поверхностью и плазмой движутся по траекториям, перпендикулярным поверхности материала. Но все же основную роль в плазменном травлении играют незаряженные активные частицы (ионы и электроны только стимулируют их реакции), а они, вследствие хаотичности движения, и вызывают подтравливание под маскирующий слой. Увеличение анизотропии, и, следовательно, разрешения плазменного травления, возможно при снижении рабочего давления [4]. При этом увеличивается длина свободного пробега активных частиц и при небольших размерах окон в маскирующем слое, сравнимых с его толщиной (примерно 0,5 мкм), вероятность попадания активных частиц на боковые стенки подвергаемых травлению элементов значительно снижается. Диапазон рабочих давлений при плазменном травлении определяется характеристиками используемого для возбуждения плазмы разряда. Наиболее перспективным в этом плане является СВЧ разряд, позволяющий проводить процесс при давлениях меньше 0.1 Па, однако при этом снижается скорость травления материалов.

В настоящее время при изготовлении ИМС и полупроводниковых приборов ПХТ применяется для многих материалов, к числу которых в первую очередь относятся кремний и его соединения, молибден, титан, тантал, вольфрам и др. С точки зрения влияния на обрабатываемые структуры при ПХТ могут проявляться следующие особенности:

1. Увеличение шероховатости обрабатываемой поверхности, которое может быть связано, во-первых, с загрязнениями (выделение твердых продуктов разложения исходных газов, распыление электродов и конструкционных материалов реактора а т.д.) и, во-вторых, с переосаждением основного травимого материала, которое проявляется, преимущественно, при высоких скоростях травления. Для устранения первой причины необходимо правильно подбирать рабочие среды, использовать химически инертные по отношению к плазмообразующему газу конструкционные материалы реакторов, по возможности снижать потенциалы электродов. Исключение переосаждения основного материала может быть достигнуто выбором оптимального соотношения между скоростью травления и потоком рабочего газа.

Появление радиационных дефектов, связанное с ионной бомбардировкой и ультрафиолетовым облучением. При плазмохимическом травлении радиационные дефекты, как правило, незначительны и, в случае необходимости, могут быть легко устранены отжигом при 400 - 500 ⁰С.