Методы плазменного травления

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

В таблице 4.2 в качестве примера приведены технологические режимы плазмохимического травления (ПХТ) слоев SiO₂ селективные по отношению к монокристаллическому кремнию в ВЧ планарном реакторе с поштучной обработкой пластин.

Таблица 4.2. Технологические режимы ПХТ слоев SiO₂

Наименование технологического параметра	Значения параметров на различных стадиях процесса
Стабилизация расхода газов	Травление	Охлаждение и продувка реактора
Давление, Па
Мощность, Вт	–		–
Расход He, см3/мин.
Расход O2, см3/мин.			–
Расход C3F8, см3/мин.			–
Расход CHF3, см3/мин.			–
Время стадии, с.		30 – 110*
* – время травления устанавливается по результатам контрольного процесса

Основным плазмообразующим газом является C₃F₈, который диссоциирует, образуя химически активные радикалов CF_X, а также атомарный фтор:

C₃F₈ + e → 2CF_X + 2F + e.

Радикалы CF_X (главным образом CF₃⁺) взаимодействуют с диоксидом кремния с образованием таких летучих продуктов, как SiF₄, CO, CO₂ COF₂:

CF_X + SiO₂ → SiF₄ + (CO, CO₂ COF₂).

Добавка в газовую смесь кислорода способствует лучшему удалению из зоны травления нелетучих углеродсодержащих соединений за счет образования таких газов, как COF₂, CO и CO₂. Добавка CHF₃ при диссоциации образует радикалы CF₃⁺, а также атомарный водород, связывающий атомы фтора:

CHF₃ → CF₃⁺ + H,

H + F → HF.

Поскольку фтор вступает в реакцию с чистым кремнием быстрее, чем радикалы CF₃⁺, то при добавлении в газовую смесь CHF₃ происходит увеличение скорости травления SiO₂ за счет увеличения концентрации радикалов CF₃⁺ и уменьшение скорости травления чистого кремния за счет уменьшения концентрации атомов фтора. Это позволяет обеспечить селективность травления SiO₂ по отношению к Si на уровне 10:1. Добавка в газовую смесь гелия позволяет эффективно охлаждать стенки реактора и пластину во время, и после травления, что необходимо для сохранения геометрии фоторезистивной маски.

В табл. 4.3 приведены технологические режимы ПХТ в ВЧ планарном реакторе с поштучной обработкой пластин слоями Si₃N₄ толщиной 0,1 мкм, полученными химическим осаждением из газовой фазы.

Таблица 4.3. Технологические режимы ПХТ слоев Si₃N₄

Наименование технологического параметра	Значения параметров на различных стадиях процесса
Стабилизация расхода газов	Травление	Охлаждение и продувка реактора
Давление, Па
Мощность, Вт	–		–
Расход He, см3/мин.
Расход SF6, см3/мин.			–
Время стадии, с.

В данном примере травление слоев осуществляется атомами фтора, которые освобождаются в плазме гексафторида серы. Поскольку атомы фтора быстрее вступают в реакцию с нитридом кремния, чем с SiO₂, то данный процесс харак-теризуется селективностью травления Si₃N₄ по отношению к SiO₂. Добавка гелия выполняет функцию хладагента. В табл. 4.4. приведен пример ПХТ в ВЧ планарном реакторе алюминиевой пленки толщиной 1,0 мкм.

Непосредственно травление алюминия осуществляется в плазмообразующей смеси BCl₃ + Cl₂ согласно следующей схеме:

Al₂O₃ + 12 эВ → разрушение решетки;

2Al₂O₃ + 6 Cl₂ → 4 AlCl_3(тв.) + 3O_2(газ.);

Al – Al > 6 эВ → разрушение решетки;

Al_(тв.) + 3Cl → AlCl_3(тв.);

AlCl_3(тв.) → Al₂Cl_6(газ.).

Таблица 4.4. Технологические режимы ПХТ алюминиевых пленок

Наименование технологического параметра	Значения параметров на различных стадиях процесса
Стабили-зация расхода газов	1–я стадия травления	2–я стадия травления	Охлажде-ние и продувка реактора
Давление, Па
Мощность, Вт	–			–
Расход He, см3/мин.
Расход Cl2, см3/мин.				–
Расход SiCl4, см3/мин.				–
Расход BCl3, см3/мин.				–
Время стадии, с.

Таким образом, чистый хлор обеспечивает удаление оксида алюминия, который всегда содержится на поверхности пленки алюминия, а также по границам кристаллических зерен. Для улучшения эффективности удаления Al₂O₃ с поверхности пленки процесс травления проводится в две стадии. Различие между стадиями заключается в том, что первые 60 секунд процесса происходят при более высокой мощности. Это обусловливает увеличение ионной составляющей плазмы и дополнительное травление поверхности пленки физическим распылением, характеризующимся малой селективностью травления Al по отношению к Al₂O₃. Добавка в газовую смесь тетрахлорсилана производится для исключения бокового подтравливания под маску фоторезиста. После разложения в плазме SiCl₄ образуются атомы хлора, участвующие в реакции травления Al, а освободившийся кремний осаждается на боковых стенках и дне канавки травления. Осажденный кремний удаляется со дна канавки бомбардировкой положительными ионами, в то время как на боковых стенках этого не происходит из–за малого угла их падения. Таким образом, кремний, осажденный на боковых стенках, блокирует реакцию с алюминием, поскольку не образует в плазме летучих соединений с хлором.

Основным газом для «сухого» удаления резиста в плазме является кислород. При микроволновом возбуждении кислорода образуются различные нейтральные и заряженные частицы: O³, O⁺, O²⁺, O^–, O^2–, атомарный кислород и синглетный кислород. Физическая химия процесса сравнима с химией горения, реакция кислорода с поверхностью резиста можно разделить на пять стадий:

1) перенос реагента (атомарного кислорода) к поверхности резиста;

2) адсорбция реагента;

3) реакция на поверхности резиста (окисление);

4) десорбция продуктов (CO₂, CO, H₂O и радикалы);

5) перенос продуктов от поверхности резиста в газовую фазу.

Для стабилизации кислородной плазмы в нее обычно добавляют инертный газ. Типовые режимы плазмохимического удаления фоторезиста следующие: давление – 70 Па, мощность возбуждающего генератора – 150 Вт, расход кислорода – 375 см³/мин, азота – 125 см³/мин.

К недостаткам «сухих» методов удаления материалов функциональных слоев ИС относят:

1) осаждение полимеров на поверхности подложек;

2) радиационные повреждения, приводящие к образова-нию дефектов кристаллической структуру и изменению параметров ИС;

3) загрязнение поверхности подложек примесями, со-держащимися в конструктивных элементах реактора и полимерах, осажденных на его внутренних поверхностях.