Plazma-etch 2020 overview etch plasma.ppt
seva200002
2 views
198 slides
Sep 11, 2025
Slide 1 of 198
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
About This Presentation
This comprehensive and highly technical presentation delves into the application of plasma technologies for etching in ULSI (Ultra-Large-Scale Integration) manufacturing. It provides an in-depth exploration of plasma physics fundamentals, classification of various etching mechanisms (including spont...
Slide Content
Применение
плазменных
технологий в
производстве
УБИС
плазменных
технологий в
производстве
УБИС
В базовых технологических маршрутах оптической нанолитографии можно
выделить два микромаршрута:
1.создание защитной маски (фоторезистивной или из планаризирующего
покрытия (BARC слоя)) на поверхности функционального слоя (ФС),
сформированного на пластине (подложке);
2.обработка ФС через защитную маску, в качестве которой наиболее
часто используется травление с целью получения в ФС топологического
рисунка с требуемыми размерами элементов.
Процессы травления материалов для получения топологического рисунка с
требуемыми размерами элементов получили название процессов
размерного травления материалов (РТМ) (dimensional etching materials
– DEM), в отличие от:
- процессов полирующего травления, применяющихся для сглаживания
поверхностного рельефа материалов (полировки материалов);
- процессов структурного травления, применяющихся для выявления
структуры поверхности материалов перед микроскопическими
исследованиями;
- процессов травления с целью очистки поверхности материалов от
инородных атомов и частиц (очистка травлением)
выделить два микромаршрута:
1.создание защитной маски (фоторезистивной или из планаризирующего
покрытия (BARC слоя)) на поверхности функционального слоя (ФС),
сформированного на пластине (подложке);
2.обработка ФС через защитную маску, в качестве которой наиболее
часто используется травление с целью получения в ФС топологического
рисунка с требуемыми размерами элементов.
Процессы травления материалов для получения топологического рисунка с
требуемыми размерами элементов получили название процессов
размерного травления материалов (РТМ) (dimensional etching materials
– DEM), в отличие от:
- процессов полирующего травления, применяющихся для сглаживания
поверхностного рельефа материалов (полировки материалов);
- процессов структурного травления, применяющихся для выявления
структуры поверхности материалов перед микроскопическими
исследованиями;
- процессов травления с целью очистки поверхности материалов от
инородных атомов и частиц (очистка травлением)
Классификация процессов размерного травления материалов
Плазмой называют квазинейтральный газ заряженных и
нейтральных частиц, концентрация которых достаточна
для того, чтобы создаваемый ими заряд ограничивал их
движение.
Для выполнения этого условия нужно, чтобы
характерный размер плазмы L
0
был много больше
характерного размера экранирования (радиуса Дебая):
r
D= (
0k
BT
eT
i/ee
i(n
iT
i+n
eT
e))
1/2
, - расстояния, на
котором нарушается квазинейтральность за счет
теплового движения частиц (здесь
0 –
диэлектрическая
постоянная вакуума, k
B
- постоянная Больцмана, Te,Ti – температуры
электронов и ионов, e,e
i – заряды электронов и ионов,
n
i,n
е – ионная и
электронная концентрации). На расстояниях, существенно превышающих
дебаевскую длину, и при частотах, меньших (4пе
2
/т
)1/2
, т. е. меньше плазменной
частоты, любое движение оставляет плазму квазинейтральной.
нейтральных частиц, концентрация которых достаточна
для того, чтобы создаваемый ими заряд ограничивал их
движение.
Для выполнения этого условия нужно, чтобы
характерный размер плазмы L
0
был много больше
характерного размера экранирования (радиуса Дебая):
r
D= (
0k
BT
eT
i/ee
i(n
iT
i+n
eT
e))
1/2
, - расстояния, на
котором нарушается квазинейтральность за счет
теплового движения частиц (здесь
0 –
диэлектрическая
постоянная вакуума, k
B
- постоянная Больцмана, Te,Ti – температуры
электронов и ионов, e,e
i – заряды электронов и ионов,
n
i,n
е – ионная и
электронная концентрации). На расстояниях, существенно превышающих
дебаевскую длину, и при частотах, меньших (4пе
2
/т
)1/2
, т. е. меньше плазменной
частоты, любое движение оставляет плазму квазинейтральной.
В зависимости от вида плазмообразующего газа и
природы поверхности твёрдого тела в каждом из трёх
случаев с помощью НГП могут быть проведены
различные типы обработки, которые можно
объединить в три большие группы:
1. удаление материала с поверхности твёрдого тела
(распыление, травление, очистка);
2. нанесение материала на поверхность твёрдого
тела (химическое из газовой фазы, физическое из
материала мишени, модифицируемое в газовой
фазе);
3. модификация поверхности слоя твёрдого тела
окисление, анодирование, легирование другими
элементами, текстурирование, гетерирование,
отжиг.
природы поверхности твёрдого тела в каждом из трёх
случаев с помощью НГП могут быть проведены
различные типы обработки, которые можно
объединить в три большие группы:
1. удаление материала с поверхности твёрдого тела
(распыление, травление, очистка);
2. нанесение материала на поверхность твёрдого
тела (химическое из газовой фазы, физическое из
материала мишени, модифицируемое в газовой
фазе);
3. модификация поверхности слоя твёрдого тела
окисление, анодирование, легирование другими
элементами, текстурирование, гетерирование,
отжиг.
ВЧ разрядом можно назвать любой разряд в
переменных электромагнитных полях.
Разряд относят к ВЧ, если длина волны поля больше
размеров системы. В противном случае свойства
разряда зависят от процесса распространения волн и
его относят к СВЧ –разрядам.
К разрядам низкого давления относят разряды, в
которых длина энергетической релаксации превышает
размеры системы. Такой режим наблюдается при PL<
1 Торр*см.
переменных электромагнитных полях.
Разряд относят к ВЧ, если длина волны поля больше
размеров системы. В противном случае свойства
разряда зависят от процесса распространения волн и
его относят к СВЧ –разрядам.
К разрядам низкого давления относят разряды, в
которых длина энергетической релаксации превышает
размеры системы. Такой режим наблюдается при PL<
1 Торр*см.
Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing J Reece Roth Department of Electrical and Computer
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
В технологическом плазменном оборудовании
наиболее часто используются переменные
электрические поля ВЧ- и СВЧ-диапазонов.
Разрешенные для промышленного использования
частоты, которые установлены в связи с тем, чтобы не
вносить помехи в системы связи, имеют следующие
значения:
440 кГц±2,5%
880 кГц±1,0%
1,76 МГц±2,5%
5,28 МГц±2,5%
13,56 МГц±1,0%
27,12 МГц±1,0%
2,45 ГГц±1,0%
наиболее часто используются переменные
электрические поля ВЧ- и СВЧ-диапазонов.
Разрешенные для промышленного использования
частоты, которые установлены в связи с тем, чтобы не
вносить помехи в системы связи, имеют следующие
значения:
440 кГц±2,5%
880 кГц±1,0%
1,76 МГц±2,5%
5,28 МГц±2,5%
13,56 МГц±1,0%
27,12 МГц±1,0%
2,45 ГГц±1,0%
Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing J Reece Roth Department of Electrical and Computer
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Разница в подвижности ионов и электронов приводит к тому, что легкие
электроны перемещаются возвратно-поступательно между электродами с
частотой электрического поля, а тяжелые ионы при увеличении частоты
переходят от возвратно-поступательного перемещения между
электродами к колебательному движению со все меньшей амплитудой в
области разряда. При высоких частотах амплитуда колебаний ионов становится
ничтожной по сравнению с межэлектродным расстоянием.
При подаче ВЧ-напряжения вначале возникает переходный процесс,
обусловленный тем, что за счет высокой подвижности электронов на
потенциальный электрод за время положительной полуволны их поступает
гораздо больше, чем необходимо для нейтрализации ионов. В результате этого
«излишки» электронов образуют распределенный по электроду
отрицательный заряд. С каждым новым полупериодом этот заряд
накапливается, что приводит к возникновению отрицательного потенциала
автосмещения.
В результате этого в приэлектродной области образуется напряжение
смещения U
СМ
, постоянно ускоряющее положительные ионы на электрод, в то
время как ВЧ-колебания практически не оказывают влияния на их движение.
Величина U
СМ на электроде определяет среднюю энергию бомбардирующих
его ионов Е
И, а следовательно, скорость ионного распыления его
поверхности.
электроны перемещаются возвратно-поступательно между электродами с
частотой электрического поля, а тяжелые ионы при увеличении частоты
переходят от возвратно-поступательного перемещения между
электродами к колебательному движению со все меньшей амплитудой в
области разряда. При высоких частотах амплитуда колебаний ионов становится
ничтожной по сравнению с межэлектродным расстоянием.
При подаче ВЧ-напряжения вначале возникает переходный процесс,
обусловленный тем, что за счет высокой подвижности электронов на
потенциальный электрод за время положительной полуволны их поступает
гораздо больше, чем необходимо для нейтрализации ионов. В результате этого
«излишки» электронов образуют распределенный по электроду
отрицательный заряд. С каждым новым полупериодом этот заряд
накапливается, что приводит к возникновению отрицательного потенциала
автосмещения.
В результате этого в приэлектродной области образуется напряжение
смещения U
СМ
, постоянно ускоряющее положительные ионы на электрод, в то
время как ВЧ-колебания практически не оказывают влияния на их движение.
Величина U
СМ на электроде определяет среднюю энергию бомбардирующих
его ионов Е
И, а следовательно, скорость ионного распыления его
поверхности.
Механизм возникновения U
СМ
в ВЧ диодных системах (ВЧ
ДС), а также методы управления U
СМ
,
определяются влиянием реактивных составляющих нагрузки.
В первую очередь величина U
СМ определяется емкостью между границей плазмы и соответствующим
электродом и протеканием ВЧ-тока через эту емкость.
Если плазма не локализована, то ВЧ-токи протекают через три области:
•катод-плазма (I
КП
) емкостью С
КП
,
•плазма - подложкодержатель (I
ПП) емкостью С
ПП и
•плазма-стенки камеры (I
ПС) емкостью С
ПС.
На схеме диоды, шунтирующие емкости, отражают выпрямляющие свойства приэлектродного слоя, а С
к и
С
П учитывают емкости, определяемые конструктивным исполнением изоляции электродов на камере.
СМ
в ВЧ диодных системах (ВЧ
ДС), а также методы управления U
СМ
,
определяются влиянием реактивных составляющих нагрузки.
В первую очередь величина U
СМ определяется емкостью между границей плазмы и соответствующим
электродом и протеканием ВЧ-тока через эту емкость.
Если плазма не локализована, то ВЧ-токи протекают через три области:
•катод-плазма (I
КП
) емкостью С
КП
,
•плазма - подложкодержатель (I
ПП) емкостью С
ПП и
•плазма-стенки камеры (I
ПС) емкостью С
ПС.
На схеме диоды, шунтирующие емкости, отражают выпрямляющие свойства приэлектродного слоя, а С
к и
С
П учитывают емкости, определяемые конструктивным исполнением изоляции электродов на камере.
Если к электроду, например
подложкодержателю, подключить относительно
корпуса последовательную LC- цепочку, то
регулировкой L можно изменять сопротивление
ВЧ-току и тем самым управлять величиной U
СМ.
Максимальное значение U
СМ будет
наблюдаться при условиях
последовательного резонанса индуктивной
реактивности подключенной LC-цепи с
емкостью соответствующей области (С
ПП для
подложкодержателя).
подложкодержателю, подключить относительно
корпуса последовательную LC- цепочку, то
регулировкой L можно изменять сопротивление
ВЧ-току и тем самым управлять величиной U
СМ.
Максимальное значение U
СМ будет
наблюдаться при условиях
последовательного резонанса индуктивной
реактивности подключенной LC-цепи с
емкостью соответствующей области (С
ПП для
подложкодержателя).
Следует также отметить, что при локализации
плазмы, например, с помощью магнитного
поля, влияние заземленных элементов будет
уменьшаться (ток I
ПС снизится). Учитывая
также, что емкость прямо пропорциональна
площади электрода и обратно
пропорциональна ширине приэлектродной
области, можно сделать вывод о возможности
регулировки U
СМ
путем подбора соотношения
площадей электродов и изменения параметров,
влияющих на ширину приэлектродной области
(давления, магнитного поля и др.).
плазмы, например, с помощью магнитного
поля, влияние заземленных элементов будет
уменьшаться (ток I
ПС снизится). Учитывая
также, что емкость прямо пропорциональна
площади электрода и обратно
пропорциональна ширине приэлектродной
области, можно сделать вывод о возможности
регулировки U
СМ
путем подбора соотношения
площадей электродов и изменения параметров,
влияющих на ширину приэлектродной области
(давления, магнитного поля и др.).
Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing J Reece Roth Department of Electrical and Computer
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Потенциал смещения растет до такой
величины, при которой будет обеспечиваться
равенство электронного и ионного токов в
течение каждого периода ВЧ-напряжения.
Условием стабилизации процесса накопления
заряда является равенство переносимых зарядов
во время положительного и отрицательного
полупериодов:
Е е n
Э μ
ПЭ t
+ = Е q n
И μ
ПИ t
–
где t
+
и t
–
- длительности положительных и
отрицательных полуволн синусоидального
напряжения.
величины, при которой будет обеспечиваться
равенство электронного и ионного токов в
течение каждого периода ВЧ-напряжения.
Условием стабилизации процесса накопления
заряда является равенство переносимых зарядов
во время положительного и отрицательного
полупериодов:
Е е n
Э μ
ПЭ t
+ = Е q n
И μ
ПИ t
–
где t
+
и t
–
- длительности положительных и
отрицательных полуволн синусоидального
напряжения.
По физико-химическому механизму взаимодействия частиц НГП с поверхностью
образца процессы травления можно разделить на группы:
1.Ионное травление (ИТ), при котором поверхностные слои удаляются только в результате
физического распыления. Распыление осуществляются энергетическими ионами инертных газов. Под
энергетическими ионами и атомами понимаются частицы с энергией 0,1 - 2,0 кэВ.
•Если поверхность обрабатываемого материала находится в контакте с плазмой, то травление
называется ионно-плазменным (ИПТ).
•Если поверхность образца не контактирует с плазмой, которая используется только как источник
химически нейтральных ионов, осуществляющих физическое распыление, то травление называют
ионно-лучевым (ИЛТ).
•Если поверхность образца не контактирует с плазмой, а используемые газы имеют сложный
химический состав, то такое травление называют реактивным ионно-лучевым травлением (РИЛТ). В
процессе РИЛТ поверхность материала подвергается воздействию молекулярных и атомарных ионов,
которые кроме физического распыления в результате ударной диссоциации и нейтрализации образуют
ХАЧ, вступающие в химические реакции с обрабатываемым материалом. Химические реакции могут,
как ускорить, так и замедлять процесс физического распыления.
2.Плазмохимическое травление (ПХТ) – травление при котором поверхностные слои материалов
удаляются, в основном, в результате химических реакций, с образованием летучих продуктов. При ПХТ
химические реакции стимулируются низкоэнергетическими электронной и ионной бомбардировками, а
также воздействием излучения.
3.Если поверхность образца не контактирует с плазмой, которая используется только как источник
ХАЧ, то такое травление называют радикальным травлением (РТ). РТ осуществляется спонтанно без
стимуляции электронной и ионной бомбардировками, а в ряде случаев и при отсутствии воздействия
излучения.
4.При реактивном ионном (РИТ) слои материала удаляются в результате как физического распыления
энергетическими ионами, так и химическими реакциями между ХАЧ и атомами материала. при этом на
поверхность образца воздействуют энергетические ионы, свободные атомы и радикалы, электроны и
излучение. Процесс физического распыления может, как ускорятся, так и замедлятся химическими
реакциями.
образца процессы травления можно разделить на группы:
1.Ионное травление (ИТ), при котором поверхностные слои удаляются только в результате
физического распыления. Распыление осуществляются энергетическими ионами инертных газов. Под
энергетическими ионами и атомами понимаются частицы с энергией 0,1 - 2,0 кэВ.
•Если поверхность обрабатываемого материала находится в контакте с плазмой, то травление
называется ионно-плазменным (ИПТ).
•Если поверхность образца не контактирует с плазмой, которая используется только как источник
химически нейтральных ионов, осуществляющих физическое распыление, то травление называют
ионно-лучевым (ИЛТ).
•Если поверхность образца не контактирует с плазмой, а используемые газы имеют сложный
химический состав, то такое травление называют реактивным ионно-лучевым травлением (РИЛТ). В
процессе РИЛТ поверхность материала подвергается воздействию молекулярных и атомарных ионов,
которые кроме физического распыления в результате ударной диссоциации и нейтрализации образуют
ХАЧ, вступающие в химические реакции с обрабатываемым материалом. Химические реакции могут,
как ускорить, так и замедлять процесс физического распыления.
2.Плазмохимическое травление (ПХТ) – травление при котором поверхностные слои материалов
удаляются, в основном, в результате химических реакций, с образованием летучих продуктов. При ПХТ
химические реакции стимулируются низкоэнергетическими электронной и ионной бомбардировками, а
также воздействием излучения.
3.Если поверхность образца не контактирует с плазмой, которая используется только как источник
ХАЧ, то такое травление называют радикальным травлением (РТ). РТ осуществляется спонтанно без
стимуляции электронной и ионной бомбардировками, а в ряде случаев и при отсутствии воздействия
излучения.
4.При реактивном ионном (РИТ) слои материала удаляются в результате как физического распыления
энергетическими ионами, так и химическими реакциями между ХАЧ и атомами материала. при этом на
поверхность образца воздействуют энергетические ионы, свободные атомы и радикалы, электроны и
излучение. Процесс физического распыления может, как ускорятся, так и замедлятся химическими
реакциями.
ПХТ и РИТ происходят в плазме
химически активных газов, и в них
поверхность обрабатываемого материала
подвергается воздействию одинакового
набора частиц: ионов, электронов свободных
атомов и радикалов, а также
излучения. Поэтому очень важно уметь
различать эти процессы. В качестве условной
границы использовано значение энергии
ионов E
i , бомбардирующих поверхность
образца. Если E
i
< 100 эВ, то травление
является плазмохимическим, если E
i > 100
эВ, то происходит РИТ
химически активных газов, и в них
поверхность обрабатываемого материала
подвергается воздействию одинакового
набора частиц: ионов, электронов свободных
атомов и радикалов, а также
излучения. Поэтому очень важно уметь
различать эти процессы. В качестве условной
границы использовано значение энергии
ионов E
i , бомбардирующих поверхность
образца. Если E
i
< 100 эВ, то травление
является плазмохимическим, если E
i > 100
эВ, то происходит РИТ
Процессы травления должны обеспечивать:
•скорость,
•селективность,
•степень анизотропии,
•равномерность,
•заданный профиль травления,
•воспроизводимость параметров формируемых структур по пластине и от
цикла к циклу,
•отсутствие фатальных загрязнений и нарушений обрабатываемой
поверхности
•высокую производительность.
•Совместимость со смежными операциями
Указанные характеристики зависят от вакуумно-технических параметров
процессов травления, таких как:
•Конструкция реактора и способ возбуждения разряда
•предельное давление.
•рабочее давление;
•состав и расход рабочего газа;
•соотношение расходов компонентов смеси
•скорость откачки;
•смещение на образце
•Температура подложки
•Стабильность параметров во время процесса и от цикла к циклу
•скорость,
•селективность,
•степень анизотропии,
•равномерность,
•заданный профиль травления,
•воспроизводимость параметров формируемых структур по пластине и от
цикла к циклу,
•отсутствие фатальных загрязнений и нарушений обрабатываемой
поверхности
•высокую производительность.
•Совместимость со смежными операциями
Указанные характеристики зависят от вакуумно-технических параметров
процессов травления, таких как:
•Конструкция реактора и способ возбуждения разряда
•предельное давление.
•рабочее давление;
•состав и расход рабочего газа;
•соотношение расходов компонентов смеси
•скорость откачки;
•смещение на образце
•Температура подложки
•Стабильность параметров во время процесса и от цикла к циклу
Основные выходные контролируемые
параметры процесса травления:
•Скорость травления
•Селективность травления (S= V
1/V
2)
•Анизотропия травления (A= 1- V
г/V
в)
•Профиль травления
•Уровень внесенных радиационных
нарушений поверхности
•Уровень внесенных химических нарушений
поверхности
•Степень изменения морфологии
поверхности
параметры процесса травления:
•Скорость травления
•Селективность травления (S= V
1/V
2)
•Анизотропия травления (A= 1- V
г/V
в)
•Профиль травления
•Уровень внесенных радиационных
нарушений поверхности
•Уровень внесенных химических нарушений
поверхности
•Степень изменения морфологии
поверхности
В основе процессов ПХТ лежат гетерогенные химические
реакции, происходящие на границе двух фаз: твердой и
газообразной – между ХАЧ, образующимися при
диссоциации в плазме молекул рабочих газов, и
активными центрами обрабатываемого материала,
представляющими собой поверхностные атомы со
свободными валентностями.
В результате реакций образуются стабильные летучие
при температуре процесса продукты реакции, которые
десорбируют с поверхности, переходят в газовую фазу и
откачиваются вакуумным насосом. На ход этих реакций
оказывает влияние энергетическое воздействие на
поверхность травимого материала: электронная и
ионная бомбардировка, облучение (например,
ультрафиолетом).
реакции, происходящие на границе двух фаз: твердой и
газообразной – между ХАЧ, образующимися при
диссоциации в плазме молекул рабочих газов, и
активными центрами обрабатываемого материала,
представляющими собой поверхностные атомы со
свободными валентностями.
В результате реакций образуются стабильные летучие
при температуре процесса продукты реакции, которые
десорбируют с поверхности, переходят в газовую фазу и
откачиваются вакуумным насосом. На ход этих реакций
оказывает влияние энергетическое воздействие на
поверхность травимого материала: электронная и
ионная бомбардировка, облучение (например,
ультрафиолетом).
В механизме процесса ПХТ можно выделить
следующие стадии:
•доставка молекул рабочего газа в зону плазмы
газового разряда;
•активация газа в плазме, превращение его
молекул в энергетические и химически активные
частицы;
•доставка частиц к поверхности материала;
•взаимодействие частиц с поверхностью;
•отвод продуктов взаимодействия от поверхности.
Скорость процесса травления определяется
скоростью наиболее медленной (лимитирующей)
стадии.
следующие стадии:
•доставка молекул рабочего газа в зону плазмы
газового разряда;
•активация газа в плазме, превращение его
молекул в энергетические и химически активные
частицы;
•доставка частиц к поверхности материала;
•взаимодействие частиц с поверхностью;
•отвод продуктов взаимодействия от поверхности.
Скорость процесса травления определяется
скоростью наиболее медленной (лимитирующей)
стадии.
Независимые входные
параметры
Реактор
Входная мощность
Рабочая частота
Импульсная частота
Смещение подложки
Конструкционные
параметры реактора
Параметры плазмы
Зависимые (выходные)
параметры
Рабочие газы
Тип газа
Соотношение в смеси
Скорость потока
Давление
Геометрия
Распределение газов
Площадь электрода
Положение пластины
Плотность электронов
Температура электронов
Распределение ионов по энергиям
Концентрация заряженных ионов и
нейтральных частиц
Плотность и энергия ионного потока
Плотность потока нейтральных
частиц
Плотность потока химически
активных частиц
Скорость травления
Анизотропия
травления
Селективность
травления
Однородность
травления
Форма профиля
травления
Морфология
поверхности
Химический состав
поверхности
Базовые входные, плазменные и
выходные параметры травления
параметры
Реактор
Входная мощность
Рабочая частота
Импульсная частота
Смещение подложки
Конструкционные
параметры реактора
Параметры плазмы
Зависимые (выходные)
параметры
Рабочие газы
Тип газа
Соотношение в смеси
Скорость потока
Давление
Геометрия
Распределение газов
Площадь электрода
Положение пластины
Плотность электронов
Температура электронов
Распределение ионов по энергиям
Концентрация заряженных ионов и
нейтральных частиц
Плотность и энергия ионного потока
Плотность потока нейтральных
частиц
Плотность потока химически
активных частиц
Скорость травления
Анизотропия
травления
Селективность
травления
Однородность
травления
Форма профиля
травления
Морфология
поверхности
Химический состав
поверхности
Базовые входные, плазменные и
выходные параметры травления
В системах вакуумного плазменного травления (ВПТ)
диапазон давлений рабочего газа определяется
условиями существования рабочих разрядов.
В указанном диапазоне следует выбирать такое
давление P
опт
, при котором достигаются минимальный
потенциал зажигания разряда и максимальная
проводимость плазмы. При P
опт в плазме разряда
скорости генерации ХАЧ и энергетических частиц
максимальны, а следовательно максимальны
скорости травления материалов. Значение P
опт
для
конкретной системы ВПТ определяется видом
используемого рабочего газа.
диапазон давлений рабочего газа определяется
условиями существования рабочих разрядов.
В указанном диапазоне следует выбирать такое
давление P
опт
, при котором достигаются минимальный
потенциал зажигания разряда и максимальная
проводимость плазмы. При P
опт в плазме разряда
скорости генерации ХАЧ и энергетических частиц
максимальны, а следовательно максимальны
скорости травления материалов. Значение P
опт
для
конкретной системы ВПТ определяется видом
используемого рабочего газа.
См*Торр
В
Кривые Пашена для различных газов
Закон Пашена, устанавливает, что наименьшее напряжение
зажигания газового разряда между двумя плоскими
электродами (в однородном электрическом поле) есть
величина постоянная (и характерная для данного газа) при
одинаковых значениях pd, где р — давление газа, d —
расстояние между электродами.
В
Кривые Пашена для различных газов
Закон Пашена, устанавливает, что наименьшее напряжение
зажигания газового разряда между двумя плоскими
электродами (в однородном электрическом поле) есть
величина постоянная (и характерная для данного газа) при
одинаковых значениях pd, где р — давление газа, d —
расстояние между электродами.
Si
solid
+ 4F SiF
4gas
Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing J Reece Roth Department of Electrical and Computer
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
solid
+ 4F SiF
4gas
Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing J Reece Roth Department of Electrical and Computer
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Транспорт частиц в микроструктуре
Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing J Reece Roth Department of Electrical and Computer
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing J Reece Roth Department of Electrical and Computer
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Материал Активный элемент Исходный газ
Травящий Материал Основные фрагменты и их относительные
газ интенсивности
Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing J Reece Roth Department of Electrical and Computer
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Некоторые углерод-галогенные газы и их фрагменты по
результатам масс-спектрометрии
газ интенсивности
Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing J Reece Roth Department of Electrical and Computer
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Некоторые углерод-галогенные газы и их фрагменты по
результатам масс-спектрометрии
CkHlFmCl(Br)n
МЕТАН CH4 - CHF3 X-23
ЭТАН C2H6 - C2Cl3F3 X-113
ЦИКЛОБУТАН C4H8 - C4F6 X-318
Номенклатура специальных газов
МЕТАН CH4 - CHF3 X-23
ЭТАН C2H6 - C2Cl3F3 X-113
ЦИКЛОБУТАН C4H8 - C4F6 X-318
Номенклатура специальных газов
Давление, мТорр
Скорость и профиль травления кремния в зависимости от
давления газа
Скорость и профиль травления кремния в зависимости от
давления газа
Влияние добавок кислорода на скорость травления кремния
Lecture Notes on PRINCIPLES OF PLASMA PROCESSING Francis F. Chen Electrical Engineering Department Jane P. Chang Chemical
Engineering Department University of California, Los Angeles, Plenum/Kluwer Publishers 2002
Engineering Department University of California, Los Angeles, Plenum/Kluwer Publishers 2002
Зависимость скорости травления SiO
2
от напряжения
ВЧ-смещения в высокоплотной фторуглеродной плазме
2
от напряжения
ВЧ-смещения в высокоплотной фторуглеродной плазме
Благодаря химической инертности SiO
2 для его травления с приемлемыми
скоростями требуются значительные энергии ионной бомбардировки. При
высоких энергиях ионов физическое распыление играет значительную роль,
что создает проблемы остановки травления на подслое или маске. Решением
этой проблемы (увеличения соответствующих селективностей травления)
является покрытие поверхности резиста и нижележащего слоя (кремния,
нитрида кремния и т.п.) тонким устойчивым пассивирующим слоем, чтобы
предотвратить его ионно-стимулированное травление и обеспечить
необходимую селективность процесса. Это достигается использованием
обедненных фтором, склонных к полимеризации разрядов во
фторуглеродных газах, например, разрядов в CHF
3
, CF
4
, C
2
F
6
, C
3
F
6
, или C
4
F
8
с возможными добавками Н
2 и СО. Если к пластине приложен достаточно
высокий потенциал смещения, то комплексный баланс фторуглеродного
осаждения меняется. Зависимость скорости травления SiO
2
от напряжения
ВЧ-смещения в высокоплотной фторуглеродной плазме приводит к
появлению во время травления тонкой фторуглеродной
пленки на защищаемых поверхностях структуры. Химические
отличия между материалами подложки позволяют достичь селективного
травления, поскольку данный баланс для одного материала может
способствовать травлению, в то время как для другого – осаждению.
2 для его травления с приемлемыми
скоростями требуются значительные энергии ионной бомбардировки. При
высоких энергиях ионов физическое распыление играет значительную роль,
что создает проблемы остановки травления на подслое или маске. Решением
этой проблемы (увеличения соответствующих селективностей травления)
является покрытие поверхности резиста и нижележащего слоя (кремния,
нитрида кремния и т.п.) тонким устойчивым пассивирующим слоем, чтобы
предотвратить его ионно-стимулированное травление и обеспечить
необходимую селективность процесса. Это достигается использованием
обедненных фтором, склонных к полимеризации разрядов во
фторуглеродных газах, например, разрядов в CHF
3
, CF
4
, C
2
F
6
, C
3
F
6
, или C
4
F
8
с возможными добавками Н
2 и СО. Если к пластине приложен достаточно
высокий потенциал смещения, то комплексный баланс фторуглеродного
осаждения меняется. Зависимость скорости травления SiO
2
от напряжения
ВЧ-смещения в высокоплотной фторуглеродной плазме приводит к
появлению во время травления тонкой фторуглеродной
пленки на защищаемых поверхностях структуры. Химические
отличия между материалами подложки позволяют достичь селективного
травления, поскольку данный баланс для одного материала может
способствовать травлению, в то время как для другого – осаждению.
Скорость травления поликристаллического кремния
для газовых смесей, основанных на HBr- и Cl
2
,- от
расхода смеси В диапазоне 75-150 см
3
/с
потока для содержащей Cl
2
газовой смеси, скорость
травления ограничена
поставкой реагента к
поверхности подложки. Как
может быть замечено, при
потоках Cl
2
в 200 см
3
/с и
больше, скорость травления
выходит в насыщение на
уровень скорости ионно-
стимулированных реакций.
В случае HBr-основанных
систем, с увеличивающимся
расходом реагента никакое
изменение в скорости
травления не наблюдалось.
Предполагается, что
основанный на HBr-процесс
травления ограничен
скоростью поверхностной
реакции более, нежели
потоком травящих частиц к
поверхности.
для газовых смесей, основанных на HBr- и Cl
2
,- от
расхода смеси В диапазоне 75-150 см
3
/с
потока для содержащей Cl
2
газовой смеси, скорость
травления ограничена
поставкой реагента к
поверхности подложки. Как
может быть замечено, при
потоках Cl
2
в 200 см
3
/с и
больше, скорость травления
выходит в насыщение на
уровень скорости ионно-
стимулированных реакций.
В случае HBr-основанных
систем, с увеличивающимся
расходом реагента никакое
изменение в скорости
травления не наблюдалось.
Предполагается, что
основанный на HBr-процесс
травления ограничен
скоростью поверхностной
реакции более, нежели
потоком травящих частиц к
поверхности.
Зависимость скорости травления слоев проводника от
соотношения газовых потоков в смеси.
Оптимизация
соотношения газовых
потоков, также как
других параметров
системы (например, ВЧ
- смещения, мощности и
давления) важна для
достижения
равномерности
травления, контроля
наращивания бокового
полимера и
минимизации остатков
соотношения газовых потоков в смеси.
Оптимизация
соотношения газовых
потоков, также как
других параметров
системы (например, ВЧ
- смещения, мощности и
давления) важна для
достижения
равномерности
травления, контроля
наращивания бокового
полимера и
минимизации остатков
Разрядное пространство заключено между двумя плоскими вертикально размещенными электродами, что позволяет снизить
вероятность попадания на поверхность обрабатываемой подложки дефектообразующих частиц крупных размеров.
На потенциальный электрод подложкодержатель подается высокочастотный потенциал с 13,56 МГц.
Для повышения эффективности теплоотвода от обрабатываемой поверхности во время процесса травления электрод
подложкодержатель имеет сферическую поверхность, что позволяет осуществить более плотный прижим подложки к
поверхности электрода. Дополнительно для повышения эффективности теплоотвода предусмотрена подача в пространство
между подложкой и электродом газообразного гелия.
Для управления величиной автосмещения на электроде - подложкодержателе предусмотрена подача на противоположный
электрод независимого от основного разряда напряжения смещения.
Для оптимизации параметров разряда предусмотрены возможность изменения межэлектродного расстояния за счет
перемещения свободного электрода.
Магнитная система источника состоит из четырех бескаркасных катушек сечением 40*40 мм. Каждая пара катушек (в каждой
паре - диаметрально противоположные катушки) питается напряжениями, сдвинутыми на /2 одно относительно другого.
Поэтому результирующий вектор магнитного поля вращается в плоскости обрабатываемой пластины с частотой, равной
частоте питающего напряжения. Для типового времени процесса травления, равного 1 минуте и более, оптимальным является
период вращения магнитного поля 3-4 с., что обеспечивает высокую однородность процесса травления.
Оптимизация параметров магнетронного источника плазмы
вероятность попадания на поверхность обрабатываемой подложки дефектообразующих частиц крупных размеров.
На потенциальный электрод подложкодержатель подается высокочастотный потенциал с 13,56 МГц.
Для повышения эффективности теплоотвода от обрабатываемой поверхности во время процесса травления электрод
подложкодержатель имеет сферическую поверхность, что позволяет осуществить более плотный прижим подложки к
поверхности электрода. Дополнительно для повышения эффективности теплоотвода предусмотрена подача в пространство
между подложкой и электродом газообразного гелия.
Для управления величиной автосмещения на электроде - подложкодержателе предусмотрена подача на противоположный
электрод независимого от основного разряда напряжения смещения.
Для оптимизации параметров разряда предусмотрены возможность изменения межэлектродного расстояния за счет
перемещения свободного электрода.
Магнитная система источника состоит из четырех бескаркасных катушек сечением 40*40 мм. Каждая пара катушек (в каждой
паре - диаметрально противоположные катушки) питается напряжениями, сдвинутыми на /2 одно относительно другого.
Поэтому результирующий вектор магнитного поля вращается в плоскости обрабатываемой пластины с частотой, равной
частоте питающего напряжения. Для типового времени процесса травления, равного 1 минуте и более, оптимальным является
период вращения магнитного поля 3-4 с., что обеспечивает высокую однородность процесса травления.
Оптимизация параметров магнетронного источника плазмы
300
400
500
600
0 10 20 30 40 50
Процентное содержание гелия в смеси SF6/He,
%
С
к
о
р
о
с
т
ь
т
р
а
в
л
е
н
и
я
S
iO
2
, А
/м
и
н
Наблюдаемое снижение скорости травления окисла может быть
объяснено, как снижением температуры поверхности подложки
с увеличением расхода охлаждающего газа, так и разбавлением
смеси, что снижает концентрацию активного фтора у
поверхности образца.
400
500
600
0 10 20 30 40 50
Процентное содержание гелия в смеси SF6/He,
%
С
к
о
р
о
с
т
ь
т
р
а
в
л
е
н
и
я
S
iO
2
, А
/м
и
н
Наблюдаемое снижение скорости травления окисла может быть
объяснено, как снижением температуры поверхности подложки
с увеличением расхода охлаждающего газа, так и разбавлением
смеси, что снижает концентрацию активного фтора у
поверхности образца.
C увеличением расхода гелия процесс травления становится
более равномерным, что можно объяснить более плавным
распределением температуры на поверхности подложки за
счет интенсивного охлаждения электрода и более
однородного горения разряда по объему реактора.
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50
Процентное содержание гелия в смеси,%
О
д
н
о
р
о
д
н
о
с
т
ь
т
р
а
в
л
е
н
и
я
,
%
более равномерным, что можно объяснить более плавным
распределением температуры на поверхности подложки за
счет интенсивного охлаждения электрода и более
однородного горения разряда по объему реактора.
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50
Процентное содержание гелия в смеси,%
О
д
н
о
р
о
д
н
о
с
т
ь
т
р
а
в
л
е
н
и
я
,
%
250
350
450
550
650
750
20 30 40 50 60 70
Межэлектродное расстояние,мм
С
к
о
р
о
с
т
ь
т
р
а
в
л
е
н
и
я
,
А
/
м
и
н
86
88
90
92
94
96
98
20 30 40 50 60 70
Межэлектродное расстояние,мм
О
д
н
о
р
о
д
н
о
с
т
ь
т
р
а
в
л
е
н
и
я
,
%
При увеличении межэлектродного расстояния наблюдается снижение скорости
травления, что, возможно, связано с ростом потерь активных частиц на стенках
реактора и уменьшением объемной плотности плазмы. В то же время процесс
становится более равномерным, что можно объяснить более однородным
распределением химически активных частиц (ХАЧ), электрического и магнитного
полей в области обработки пластины.
Рабочее давление = 1 Па, индукция магнитного поля 100 Гс, ВЧ -мощность = 100
Вт, расход элегаза = 2 л/час, содержание гелия в смеси – 35%).
Зависимость однородности травления SiO
2
() и Si
3N
4 () от межэлектродного
расстояния в смеси SF
6/He, при Р =1 Па, N
=100 Вт.
Зависимость скорости травления SiO2 () и Si3N4
() от межэлектродного расстояния в смеси
SF6/He, при Р=1 Па, N=100 Вт.
350
450
550
650
750
20 30 40 50 60 70
Межэлектродное расстояние,мм
С
к
о
р
о
с
т
ь
т
р
а
в
л
е
н
и
я
,
А
/
м
и
н
86
88
90
92
94
96
98
20 30 40 50 60 70
Межэлектродное расстояние,мм
О
д
н
о
р
о
д
н
о
с
т
ь
т
р
а
в
л
е
н
и
я
,
%
При увеличении межэлектродного расстояния наблюдается снижение скорости
травления, что, возможно, связано с ростом потерь активных частиц на стенках
реактора и уменьшением объемной плотности плазмы. В то же время процесс
становится более равномерным, что можно объяснить более однородным
распределением химически активных частиц (ХАЧ), электрического и магнитного
полей в области обработки пластины.
Рабочее давление = 1 Па, индукция магнитного поля 100 Гс, ВЧ -мощность = 100
Вт, расход элегаза = 2 л/час, содержание гелия в смеси – 35%).
Зависимость однородности травления SiO
2
() и Si
3N
4 () от межэлектродного
расстояния в смеси SF
6/He, при Р =1 Па, N
=100 Вт.
Зависимость скорости травления SiO2 () и Si3N4
() от межэлектродного расстояния в смеси
SF6/He, при Р=1 Па, N=100 Вт.
0
50
100
150
0 50 100 150 200
В, Гс
U
с
м
,
В
0
50
100
150
200
0 100 200 300
Мощность разряда, Вт
Н
а
п
р
я
ж
е
н
и
е
с
м
е
щ
е
н
и
я
,
В
В присутствии магнитного поля концентрация плазмы при давлении в реакторе порядка 1-3
Па в области подложки достигает величины порядка 10
10
см
-3
, что обеспечивает требуемую
скорость травления. Также при этом происходит снижение потенциала автосмещения
электрода – подложкодержателя и, соответственно, энергии бомбардирующих
обрабатываемую поверхность ионов.
50
100
150
0 50 100 150 200
В, Гс
U
с
м
,
В
0
50
100
150
200
0 100 200 300
Мощность разряда, Вт
Н
а
п
р
я
ж
е
н
и
е
с
м
е
щ
е
н
и
я
,
В
В присутствии магнитного поля концентрация плазмы при давлении в реакторе порядка 1-3
Па в области подложки достигает величины порядка 10
10
см
-3
, что обеспечивает требуемую
скорость травления. Также при этом происходит снижение потенциала автосмещения
электрода – подложкодержателя и, соответственно, энергии бомбардирующих
обрабатываемую поверхность ионов.
Особым достоинством метода является возможность проводить процессы
травления при более низком, чем в случае классического РИТ рабочем давлении и
пониженном смещении на электроде – подложкодержателе, что обеспечивает
достижение высоких анизотропии и скорости травления, при одновременно
относительно низком радиационном воздействии на обрабатываемые структуры.
Процессы проводятся при следующих параметрах: рабочее давление 1-3 Па, мощность разряда 250 Вт,
индукция магнитного поля 100 Гс, межэлектродное расстояние 40 мм, смесь газов (SF6+Cl2) или (Ar+Cl2)
+Не при суммарном расходе 1 л/час и 30% содержании гелия.
травления при более низком, чем в случае классического РИТ рабочем давлении и
пониженном смещении на электроде – подложкодержателе, что обеспечивает
достижение высоких анизотропии и скорости травления, при одновременно
относительно низком радиационном воздействии на обрабатываемые структуры.
Процессы проводятся при следующих параметрах: рабочее давление 1-3 Па, мощность разряда 250 Вт,
индукция магнитного поля 100 Гс, межэлектродное расстояние 40 мм, смесь газов (SF6+Cl2) или (Ar+Cl2)
+Не при суммарном расходе 1 л/час и 30% содержании гелия.
Загрузочный эффект
где R
o
- скорость травления в пустом реакторе, R
m
- скорость травления при наличии m пластин. Следует отметить, что
A и Aw представляют собой площади поверхности реактора и пластины соответственно, тогда как k
w
и k
s
представляют собой коэффициенты скорости рекомбинации реагента на поверхностях реактора и скорости реакции на
пластине соответственно. Следовательно, φ - это наклон кривой нагрузки, как схематически показано на рисунке
Эффект загрузки при травлении поликремния с использованием плазмы CF4 / O2, CF3Br / He и
CF3Cl
Lecture Notes on PRINCIPLES OF PLASMA PROCESSING Francis F. Chen Electrical Engineering Department Jane P. Chang Chemical
Engineering Department University of California, Los Angeles, Plenum/Kluwer Publishers 2002
где R
o
- скорость травления в пустом реакторе, R
m
- скорость травления при наличии m пластин. Следует отметить, что
A и Aw представляют собой площади поверхности реактора и пластины соответственно, тогда как k
w
и k
s
представляют собой коэффициенты скорости рекомбинации реагента на поверхностях реактора и скорости реакции на
пластине соответственно. Следовательно, φ - это наклон кривой нагрузки, как схематически показано на рисунке
Эффект загрузки при травлении поликремния с использованием плазмы CF4 / O2, CF3Br / He и
CF3Cl
Lecture Notes on PRINCIPLES OF PLASMA PROCESSING Francis F. Chen Electrical Engineering Department Jane P. Chang Chemical
Engineering Department University of California, Los Angeles, Plenum/Kluwer Publishers 2002
Эффект микрозагрузки
Показано, что при работе с травителями, такими как ClF3, необходима модель двух травителей, в
которой имеются заметные концентрации как F, так и Cl.
Эффект загрузки может быть минимизирован путем увеличения количества рекомбинантной
поверхности или путем использования более эффективной рекомбинантной поверхности, но с
потерей скорости травления.
Увеличение скорости потока газа может уменьшить эффект загрузки, если использование газа
велико, т. е. если количество материала, которое можно травить, учитывая стехиометрию
реакции и скорость потока, приближается к тому, которое определяется произведением скорости
травления и открытой площади.
На слайде показан набор кривых, которые демонстрируют влияние скорости потока на травление.
Следует отметить, что если использование рабочего газа является высоким, это может проявиться
как отсутствие сильной зависимости от мощности.
При очень низких расходах типичный процесс будет реагировать линейно со скоростью потока
при данной мощности, при более высоких потоках скорость травления будет расти медленнее и
пройдет через максимум.
При очень высоких потоках скорость травления уменьшается, поскольку нереагировавшие
частицы уносятся. Точно так же эффект микрозагрузки также наблюдается при изготовлении
приборов. Наблюдается разная скорость травления на пластине, когда на пластине есть области
плотнорасположенных элементов и изолированных линий. Аналогично общеизвестному
эффекту, заключающемуся в том, что средняя скорость травления зависит от того, сколько
кремниевых пластин нужно травить, площадь экспонированного кремния в локальном масштабе
вызывает изменение скорости травления. Различия в локальной плотности элементов структуры
приводит к их различным скоростям травления.
которой имеются заметные концентрации как F, так и Cl.
Эффект загрузки может быть минимизирован путем увеличения количества рекомбинантной
поверхности или путем использования более эффективной рекомбинантной поверхности, но с
потерей скорости травления.
Увеличение скорости потока газа может уменьшить эффект загрузки, если использование газа
велико, т. е. если количество материала, которое можно травить, учитывая стехиометрию
реакции и скорость потока, приближается к тому, которое определяется произведением скорости
травления и открытой площади.
На слайде показан набор кривых, которые демонстрируют влияние скорости потока на травление.
Следует отметить, что если использование рабочего газа является высоким, это может проявиться
как отсутствие сильной зависимости от мощности.
При очень низких расходах типичный процесс будет реагировать линейно со скоростью потока
при данной мощности, при более высоких потоках скорость травления будет расти медленнее и
пройдет через максимум.
При очень высоких потоках скорость травления уменьшается, поскольку нереагировавшие
частицы уносятся. Точно так же эффект микрозагрузки также наблюдается при изготовлении
приборов. Наблюдается разная скорость травления на пластине, когда на пластине есть области
плотнорасположенных элементов и изолированных линий. Аналогично общеизвестному
эффекту, заключающемуся в том, что средняя скорость травления зависит от того, сколько
кремниевых пластин нужно травить, площадь экспонированного кремния в локальном масштабе
вызывает изменение скорости травления. Различия в локальной плотности элементов структуры
приводит к их различным скоростям травления.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ОБРАБАТЫВАЕМЫМ
МАТЕРИАЛОМ
Несмотря на большое разнообразие все процессы вакуумного
газоплазменного травления (ВГПТ) по механизму
взаимодействия с обрабатываемым материалом можно отнести к
пяти типам:
- спонтанное химическое травление (spontaneous chemical etching
- SC etching);
- ионное травление физическим распылением (ion etching by
physical sputtering - PS etching);
- ионное травление химически модифицированным физическим
распылением (ion etching by chemically modified physical sputtering
- CMPS etching);
- радиационно-стимулированное химическое травление (radiation
assisted chemical etching - RAC etching);
-радиационно-возбуждаемое химическое травление (radiation
excited chemical etching - REC etching).
Handbook of VLSI Microlithography. /Editted by J.N. Helbert. – 2-nd edition. - New Jersey: Noyes Publication. 2001. – 1001 pp.
МАТЕРИАЛОМ
Несмотря на большое разнообразие все процессы вакуумного
газоплазменного травления (ВГПТ) по механизму
взаимодействия с обрабатываемым материалом можно отнести к
пяти типам:
- спонтанное химическое травление (spontaneous chemical etching
- SC etching);
- ионное травление физическим распылением (ion etching by
physical sputtering - PS etching);
- ионное травление химически модифицированным физическим
распылением (ion etching by chemically modified physical sputtering
- CMPS etching);
- радиационно-стимулированное химическое травление (radiation
assisted chemical etching - RAC etching);
-радиационно-возбуждаемое химическое травление (radiation
excited chemical etching - REC etching).
Handbook of VLSI Microlithography. /Editted by J.N. Helbert. – 2-nd edition. - New Jersey: Noyes Publication. 2001. – 1001 pp.
Классификация процессов вакуумного газо-плазменного травления (ВГПТ) по
механизму взаимодействия с обрабатываемым материалом
механизму взаимодействия с обрабатываемым материалом
Спонтанное химическое травление
материалов.
В процессах спонтанного химического травления
(spontaneous chemical etching - SC etching) основной
вклад в удаление материала функционального слоя
(ФС) вносят самопроизвольные химические реакции с
участием химически активных частиц (ХАЧ)
(свободных атомов и радикалов) (radicals). К такому
типу травления относятся:
-не стимулированные процессы газового
травления (ГТ) (gas etching - GE);
-не стимулированные процессы радикального
травления (РТ) (radical etching - RE);
материалов.
В процессах спонтанного химического травления
(spontaneous chemical etching - SC etching) основной
вклад в удаление материала функционального слоя
(ФС) вносят самопроизвольные химические реакции с
участием химически активных частиц (ХАЧ)
(свободных атомов и радикалов) (radicals). К такому
типу травления относятся:
-не стимулированные процессы газового
травления (ГТ) (gas etching - GE);
-не стимулированные процессы радикального
травления (РТ) (radical etching - RE);
Необходимым условием для протекания спонтанного травления материала
ФС является образование в результате химической реакции хотя бы одного
летучего и стабильного при температуре T
pr и давлении процесса p
pr
продукта.
При использовании органических защитных масок (ОЗМ), к которым
относятся маски из органических фото-, электроно- и
рентгенорезистов, печатных слоев, антиотражающих и
планаризующих покрытий, температура процессов размерного
травления T
pr
обычно лежит в диапазоне (320 - 400) K или (50 - 130) °C
Термин «летучий» означает, что при температуре и давлении процесса
травления, давление паров образующего продукта реакции должно
быть достаточно высоко, чтобы он самопроизвольно испарялся с
поверхности обрабатываемого материала, т.е. чтобы выполнялось
условие:
T
pr
>> T
ev
,
где T
ev - температура испарения (evaporation temperature) образующегося
продукта реакции.
Киреев В.Ю., Данилин Б.С., Кузнецов В.И. Плазмохимическое и ионно-химическое травление
микроструктур. – М.: Радио и связь", 1983. – 126 с.
ФС является образование в результате химической реакции хотя бы одного
летучего и стабильного при температуре T
pr и давлении процесса p
pr
продукта.
При использовании органических защитных масок (ОЗМ), к которым
относятся маски из органических фото-, электроно- и
рентгенорезистов, печатных слоев, антиотражающих и
планаризующих покрытий, температура процессов размерного
травления T
pr
обычно лежит в диапазоне (320 - 400) K или (50 - 130) °C
Термин «летучий» означает, что при температуре и давлении процесса
травления, давление паров образующего продукта реакции должно
быть достаточно высоко, чтобы он самопроизвольно испарялся с
поверхности обрабатываемого материала, т.е. чтобы выполнялось
условие:
T
pr
>> T
ev
,
где T
ev - температура испарения (evaporation temperature) образующегося
продукта реакции.
Киреев В.Ю., Данилин Б.С., Кузнецов В.И. Плазмохимическое и ионно-химическое травление
микроструктур. – М.: Радио и связь", 1983. – 126 с.
Из-за отсутствия данных по температурам испарения многих соединений, летучесть
продуктов реакций, образующихся в процессах спонтанного химического травления
материалов ФС, в первом приближении определяется по значениям их температур плавления
T
m
(melting temperature), кипения T
b
(boiling temperature) или сублимации T
sb
(sublimation
temperature), приводимых в химических справочниках, энциклопедиях и табл.
Из данных табл. видно, что условие реализации спонтанного химического травления в частности
выполняется при травлении кремния (Si), титана (Ti), вольфрама (W), молибдена (Mo), тантала (Ta) и
ниобия (Nb) атомами (радикалами) фтора (F) и при травлении кремния, титана, алюминия (Al), тантала (Ta),
ниобия (Nb) и арсенида галлия (AsGa) атомами (радикалами) хлора (Cl). углерода (C) и всех органических
пленок на его основе;
- при травлении атомами (радикалами) водорода (H) слоев кремния, углерода и всех органических пленок на
их основе.
продуктов реакций, образующихся в процессах спонтанного химического травления
материалов ФС, в первом приближении определяется по значениям их температур плавления
T
m
(melting temperature), кипения T
b
(boiling temperature) или сублимации T
sb
(sublimation
temperature), приводимых в химических справочниках, энциклопедиях и табл.
Из данных табл. видно, что условие реализации спонтанного химического травления в частности
выполняется при травлении кремния (Si), титана (Ti), вольфрама (W), молибдена (Mo), тантала (Ta) и
ниобия (Nb) атомами (радикалами) фтора (F) и при травлении кремния, титана, алюминия (Al), тантала (Ta),
ниобия (Nb) и арсенида галлия (AsGa) атомами (радикалами) хлора (Cl). углерода (C) и всех органических
пленок на его основе;
- при травлении атомами (радикалами) водорода (H) слоев кремния, углерода и всех органических пленок на
их основе.
Если материал ФС не образует летучих двухкомпонентных соединений с ХАЧ
(атомами и радикалами), то необходимо рассмотреть его трехкомпонентные
соединения. Например, все галогениды хрома нелетучи и имеют температуры
кипения (T
b
) выше 1273 K, однако оксихлорид хрома CrO
2
Cl
2
имеет T
b
= 391 K.
Поэтому травление ФС хрома следует проводить при совместном действии
атомов (радикалов) хлора и кислорода, т.е. в плазме (или ее послесвечении)
газовой смеси хлора (хлорсодержащего газа) и кислорода, при их соотношении в
смеси 1:1
В общем случае, если обрабатывающая газовая или плазменная среда не
содержит частиц, которые могут пассивировать обрабатываемую поверхность
материала ФС, то
скорость спонтанного травления материала тем
выше, чем ниже температура кипения его
галогенида (продукта реакции травления).
В частности, атомами (радикалами) фтора кремний травится гораздо быстрее,
чем атомами (радикалами) хлора, т.к. температура кипения SiF
4
T
b
(SiF
4
) = 208 K
значительно ниже температуры кипения SiCl
4
T
b
(SiCl
4
) = 331 K
(атомами и радикалами), то необходимо рассмотреть его трехкомпонентные
соединения. Например, все галогениды хрома нелетучи и имеют температуры
кипения (T
b
) выше 1273 K, однако оксихлорид хрома CrO
2
Cl
2
имеет T
b
= 391 K.
Поэтому травление ФС хрома следует проводить при совместном действии
атомов (радикалов) хлора и кислорода, т.е. в плазме (или ее послесвечении)
газовой смеси хлора (хлорсодержащего газа) и кислорода, при их соотношении в
смеси 1:1
В общем случае, если обрабатывающая газовая или плазменная среда не
содержит частиц, которые могут пассивировать обрабатываемую поверхность
материала ФС, то
скорость спонтанного травления материала тем
выше, чем ниже температура кипения его
галогенида (продукта реакции травления).
В частности, атомами (радикалами) фтора кремний травится гораздо быстрее,
чем атомами (радикалами) хлора, т.к. температура кипения SiF
4
T
b
(SiF
4
) = 208 K
значительно ниже температуры кипения SiCl
4
T
b
(SiCl
4
) = 331 K
Характеристики процесса спонтанного травления во
фторуглеродных газах существенно зависят от
относительного содержания фтора и углерода. В настоящее
время фторуглеродные газы характеризуются величиной F/C,
например для CF
4
величина F/C = 4.
С уменьшением отношения F/C снижается скорость
травления материалов с одновременным повышением
селективности травления кислородосодержащих
соединений относительно соединений, не содержащих
кислорода, например SiO
2 относительно Si и Si
3N
4.
При уменьшении отношения F/C возрастает количество
ненасыщенных фторуглеродных частиц (частиц, у которых
атомы углерода имеют свободные валентности или
двойные и тройные связи), которые способны
полимеризоваться
фторуглеродных газах существенно зависят от
относительного содержания фтора и углерода. В настоящее
время фторуглеродные газы характеризуются величиной F/C,
например для CF
4
величина F/C = 4.
С уменьшением отношения F/C снижается скорость
травления материалов с одновременным повышением
селективности травления кислородосодержащих
соединений относительно соединений, не содержащих
кислорода, например SiO
2 относительно Si и Si
3N
4.
При уменьшении отношения F/C возрастает количество
ненасыщенных фторуглеродных частиц (частиц, у которых
атомы углерода имеют свободные валентности или
двойные и тройные связи), которые способны
полимеризоваться
Добавка кислорода в диапазоне (20 – 40) % при спонтанном
травлении материалов в плазме фторуглеродных газов
увеличивает выход свободных атомов фтора и скорость
травления.
Атомы водорода интенсивно реагируют с атомами фтора в
плазме разряда, формируя очень стабильные молекулы HF.
Поэтому добавка водорода в плазму фторуглеродных газов
уменьшает концентрацию атомов фтора, а, следовательно,
увеличивает концентрации ненасыщенных частиц,
которые проявляют склонность к полимеризации на
поверхностях.
Добавкой водорода можно вызвать осаждение полимерных
пленок на поверхности в плазме CF
4
или C
2
F
6
.
Аналогичное влияние на скорость и селективность
спонтанного травления материалов оказывает использование в
качестве рабочих газов соединений, содержащих водород,
таких как СHF
3
, CH
2
F
2
и др.
Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. – М.:
Энергоатомиздат, 1987. – 264 с.
травлении материалов в плазме фторуглеродных газов
увеличивает выход свободных атомов фтора и скорость
травления.
Атомы водорода интенсивно реагируют с атомами фтора в
плазме разряда, формируя очень стабильные молекулы HF.
Поэтому добавка водорода в плазму фторуглеродных газов
уменьшает концентрацию атомов фтора, а, следовательно,
увеличивает концентрации ненасыщенных частиц,
которые проявляют склонность к полимеризации на
поверхностях.
Добавкой водорода можно вызвать осаждение полимерных
пленок на поверхности в плазме CF
4
или C
2
F
6
.
Аналогичное влияние на скорость и селективность
спонтанного травления материалов оказывает использование в
качестве рабочих газов соединений, содержащих водород,
таких как СHF
3
, CH
2
F
2
и др.
Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. – М.:
Энергоатомиздат, 1987. – 264 с.
В механизме спонтанного химического гетерогенного
травления можно выделить следующие основные стадии:
- доставка химически активных частиц (ХАЧ) к поверхности
обрабатываемого материала;
- адсорбция ХАЧ на поверхности материала;
- диффузия адсорбированных ХАЧ через адсорбционный слой
реагентов и продуктов реакции к атомам (молекулам)
травимого материала;
- взаимодействие ХАЧ с атомами (молекулами) материала с
образованием летучих и стабильных продуктов реакции;
- диффузия продуктов реакции через адсорбционный слой к
границе раздела слой - газовая (плазменная среда);
- десорбция продуктов травления с поверхности в газовую
фазу;
- отвод продуктов травления из газовой фазы реакционной
зоны.
Скорость гетерогенных многостадийных процессов
определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей)
стадии.
травления можно выделить следующие основные стадии:
- доставка химически активных частиц (ХАЧ) к поверхности
обрабатываемого материала;
- адсорбция ХАЧ на поверхности материала;
- диффузия адсорбированных ХАЧ через адсорбционный слой
реагентов и продуктов реакции к атомам (молекулам)
травимого материала;
- взаимодействие ХАЧ с атомами (молекулами) материала с
образованием летучих и стабильных продуктов реакции;
- диффузия продуктов реакции через адсорбционный слой к
границе раздела слой - газовая (плазменная среда);
- десорбция продуктов травления с поверхности в газовую
фазу;
- отвод продуктов травления из газовой фазы реакционной
зоны.
Скорость гетерогенных многостадийных процессов
определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей)
стадии.
Скорость спонтанного травления материала ФС в результате химической
реакции (spontaneous chemical etching - SC etching) в кинетической области
определяется выражением :
селективность спонтанного химического травления одного материала
относительно другого определяется выражением:
реакции (spontaneous chemical etching - SC etching) в кинетической области
определяется выражением :
селективность спонтанного химического травления одного материала
относительно другого определяется выражением:
По своему механизму процессы спонтанного химического
травления материалов потоками атомов и радикалов
должны быть изотропными, также как процессы жидкостного
химического травления (ЖХТ) с показателем анизотропии A =
1. Однако пониженное давление и коллимирующее действие
маскирующих покрытий придают некоторую
направленность потокам ХАЧ, и анизотропия спонтанного
химического травления обычно лежит в диапазоне (2,0 - 5,0)
Характерный профиль травления пленки материала функционального слоя для жидкостного химического
травления с δ = h и для спонтанного химического травления потоками атомов и радикалов при
пониженном давлении с δ = (0,2 - 0,5)∙h.
травления материалов потоками атомов и радикалов
должны быть изотропными, также как процессы жидкостного
химического травления (ЖХТ) с показателем анизотропии A =
1. Однако пониженное давление и коллимирующее действие
маскирующих покрытий придают некоторую
направленность потокам ХАЧ, и анизотропия спонтанного
химического травления обычно лежит в диапазоне (2,0 - 5,0)
Характерный профиль травления пленки материала функционального слоя для жидкостного химического
травления с δ = h и для спонтанного химического травления потоками атомов и радикалов при
пониженном давлении с δ = (0,2 - 0,5)∙h.
Ионное травление материалов физическим
распылением
В процессах ионного травления физическим
распылением (ion etching by physical sputtering - PS
etching) скорость травления материала
функционального слоя (ФС) определяется только
процессом его физического распыления за счет
кинетической энергии ионов или атомов инертных
газов, т.к. никакие химические реакции не протекают.
К такому типу относятся процессы:
- ионно-плазменного травления (ИПТ);
- ионно-лучевого травления (ИЛТ);
- и атомно-лучевого травления (АЛТ).
распылением
В процессах ионного травления физическим
распылением (ion etching by physical sputtering - PS
etching) скорость травления материала
функционального слоя (ФС) определяется только
процессом его физического распыления за счет
кинетической энергии ионов или атомов инертных
газов, т.к. никакие химические реакции не протекают.
К такому типу относятся процессы:
- ионно-плазменного травления (ИПТ);
- ионно-лучевого травления (ИЛТ);
- и атомно-лучевого травления (АЛТ).
Процесс физического распыления материалов
количественно характеризуется коэффициентом
распыления (КР) (sputtering yield), который определяется
как число атомов, выбиваемых (распыляемых) из
материала одним падающим (бомбардирующим) ионом.
КР обычно не является целым числом, и должен
рассматриваться как среднестатистическое значение по
большому количеству бомбардирующих ионов. В
соответствии с определением КР Y
s
определяется по
формуле:
Ys = N
a
/N
i
[атом/ион],
где N
a
- число выбитых (распыленных) атомов
материала; N
i
- число ионов, бомбардирующих
материал.
количественно характеризуется коэффициентом
распыления (КР) (sputtering yield), который определяется
как число атомов, выбиваемых (распыляемых) из
материала одним падающим (бомбардирующим) ионом.
КР обычно не является целым числом, и должен
рассматриваться как среднестатистическое значение по
большому количеству бомбардирующих ионов. В
соответствии с определением КР Y
s
определяется по
формуле:
Ys = N
a
/N
i
[атом/ион],
где N
a
- число выбитых (распыленных) атомов
материала; N
i
- число ионов, бомбардирующих
материал.
Значение КР материалов ионами инертных газов зависит от следующих
факторов:
1. Массы бомбардирующих ионов m
i
. КР материалов возрастает с увеличением
массы (атомного номера) бомбардирующих ионов в области энергий используемых
для травления материалов физическим распылением. Причем, если рост значений КР
материалов при переходах от гелия к неону и от неона к аргону значительный, то при
переходах от аргона криптону и от криптона к ксенону он резко уменьшается.
2. От энергии бомбардирующих ионов Е
i. КР материалов растет прямо
пропорционально с увеличением энергии ионов до значения , которое лежит в
диапазоне (300 - 500) эВ. При рост КР с повышением энергии ионов
замедляется.
где a = 0,8853a
0
∙(z
i
2/3
+ z
a
2/3)-1/2
- характерный радиус экранирующего электронного
облака по модели Томаса - Ферми; a
0
= 5,29∙10-11 м - первый боровский радиус атома
водорода; z
i
и z
a
- атомные номера бомбардирующего иона и распыляемого
материала; m
i
и m
a
- массы бомбардирующего иона и распыляемого материала.
факторов:
1. Массы бомбардирующих ионов m
i
. КР материалов возрастает с увеличением
массы (атомного номера) бомбардирующих ионов в области энергий используемых
для травления материалов физическим распылением. Причем, если рост значений КР
материалов при переходах от гелия к неону и от неона к аргону значительный, то при
переходах от аргона криптону и от криптона к ксенону он резко уменьшается.
2. От энергии бомбардирующих ионов Е
i. КР материалов растет прямо
пропорционально с увеличением энергии ионов до значения , которое лежит в
диапазоне (300 - 500) эВ. При рост КР с повышением энергии ионов
замедляется.
где a = 0,8853a
0
∙(z
i
2/3
+ z
a
2/3)-1/2
- характерный радиус экранирующего электронного
облака по модели Томаса - Ферми; a
0
= 5,29∙10-11 м - первый боровский радиус атома
водорода; z
i
и z
a
- атомные номера бомбардирующего иона и распыляемого
материала; m
i
и m
a
- массы бомбардирующего иона и распыляемого материала.
3. От атомного номера распыляемого материала z
a. Наблюдается сложная
периодическая зависимость КР от атомного номера распыляемого
материала, в которой можно выделить такую закономерность: в пределах
каждого периода таблицы Менделеева КР возрастает по мере заполнения
электронных d-оболочек.
4. От угла падения ионов на поверхность распыляемого материала . С
ростом этого угла от 0 (отсчет ведется от нормали к поверхности) до (50 - 70)°
наблюдается увеличение КР материалов. Угол падения ионов на поверхность
распыляемого материала, который соответствует максимальному КР,
обозначается как
max
. Экспериментально определенные значения
max
составляют для монокристаллического кремния соответственно 50°, 53,5° и
62° при энергии ионов аргона Е
i
350 эВ, 500 эВ и 1000эВ.
Скорость ионного травления материала физическим распылением (ion etching by
physical sputtering - PS etching) в точке с координатами (x,y) на его
поверхности при падании ионов под углом (угол отсчитывания от
нормали к поверхности материала) определяется по формуле:
где Y
s
(Еi, ) - коэффициент распыления материала, зависящий от энергии Е
i
и угла
падения ионов (атомов) на поверхность материалов , атом/ион; j
i(x,y) - плотность
ионного тока в точке с координатами (x,y) на поверхности материала, мА/см2; n
M -
атомная плотность материала в атом/см
3
.
a. Наблюдается сложная
периодическая зависимость КР от атомного номера распыляемого
материала, в которой можно выделить такую закономерность: в пределах
каждого периода таблицы Менделеева КР возрастает по мере заполнения
электронных d-оболочек.
4. От угла падения ионов на поверхность распыляемого материала . С
ростом этого угла от 0 (отсчет ведется от нормали к поверхности) до (50 - 70)°
наблюдается увеличение КР материалов. Угол падения ионов на поверхность
распыляемого материала, который соответствует максимальному КР,
обозначается как
max
. Экспериментально определенные значения
max
составляют для монокристаллического кремния соответственно 50°, 53,5° и
62° при энергии ионов аргона Е
i
350 эВ, 500 эВ и 1000эВ.
Скорость ионного травления материала физическим распылением (ion etching by
physical sputtering - PS etching) в точке с координатами (x,y) на его
поверхности при падании ионов под углом (угол отсчитывания от
нормали к поверхности материала) определяется по формуле:
где Y
s
(Еi, ) - коэффициент распыления материала, зависящий от энергии Е
i
и угла
падения ионов (атомов) на поверхность материалов , атом/ион; j
i(x,y) - плотность
ионного тока в точке с координатами (x,y) на поверхности материала, мА/см2; n
M -
атомная плотность материала в атом/см
3
.
Эволюция профиля ионного травления подложки через защитную маску: a – профиль маски и
подложки до проведения процесса ионного травления; b – начало образования граней на маске; c –
грани маски достигли начальной плоскости подложки; d – изменение формы и размеров
вытравливаемого в подложке профиля
Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Ионное травление микроструктур. – М.: Сов. Радио, 1979. – 104 с.
подложки до проведения процесса ионного травления; b – начало образования граней на маске; c –
грани маски достигли начальной плоскости подложки; d – изменение формы и размеров
вытравливаемого в подложке профиля
Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Ионное травление микроструктур. – М.: Сов. Радио, 1979. – 104 с.
Влияние эффекта переосаждения распыленного материала (sputtered material)
подложки (substrate) на профиль ионного травления структуры через
фоторезистивную маску (photoresist)
подложки (substrate) на профиль ионного травления структуры через
фоторезистивную маску (photoresist)
Влияние на профиль получаемой при ионном травлении структуры (etched film)
эффекта отражения ионов от боковых стенок структуры (ion reflection from
sidewall), способствующего образованию на дне структуры пристеночных
канавок (trenching)
Jackson M.J. Micro and nanomanufacturing. Springer Science+Business Media, LLC, N.Y., USA, 2007. - 699 p.
эффекта отражения ионов от боковых стенок структуры (ion reflection from
sidewall), способствующего образованию на дне структуры пристеночных
канавок (trenching)
Jackson M.J. Micro and nanomanufacturing. Springer Science+Business Media, LLC, N.Y., USA, 2007. - 699 p.
Применительно к процессам травления материалов физическим
распылением, следует отметить два важных аспекта:
1. Существующие теории физического распыления материалов потоками ионов,
используемые в настоящее время, создавались при условии, что плотность потока
ионов значительно меньше поверхностной плотности атомов материалов. Поэтому
распыление каждого атома материала падающим ионом является актом,
независимым от воздействия предыдущих ионов. Такое условие справедливо при
плотностях ионного тока в диапазоне (0,3 - 3,0) мА/см2. Однако уже созданы
источники ионов на основе плазмы высокой плотности (high density plasma - HDP),
позволяющие получать ионные пучки с плотностями ионного тока (10 - 20) мА/см2
[10], при которых условие независимости ионных воздействий не выполняется.
Для таких пучков требуется провести комплекс исследований, чтобы определить
механизм удаления материалов и вывести закономерности его влияния на
технологические характеристики.
2. Промышленно доступные источники, позволяющие создавать потоки
нейтральных ускоренных атомов, появились только в последнее десятилетие. А до
этого, в качестве потоков нейтральных частиц, использовались ионные пучки с
компенсированным суммарным зарядом за счет введения (впрыска) в них пучков
электронов. Поэтому для распыления материалов потоками ускоренных
нейтральных атомов тоже надо провести комплекс исследований по выявлению его
механизма и закономерностей.
распылением, следует отметить два важных аспекта:
1. Существующие теории физического распыления материалов потоками ионов,
используемые в настоящее время, создавались при условии, что плотность потока
ионов значительно меньше поверхностной плотности атомов материалов. Поэтому
распыление каждого атома материала падающим ионом является актом,
независимым от воздействия предыдущих ионов. Такое условие справедливо при
плотностях ионного тока в диапазоне (0,3 - 3,0) мА/см2. Однако уже созданы
источники ионов на основе плазмы высокой плотности (high density plasma - HDP),
позволяющие получать ионные пучки с плотностями ионного тока (10 - 20) мА/см2
[10], при которых условие независимости ионных воздействий не выполняется.
Для таких пучков требуется провести комплекс исследований, чтобы определить
механизм удаления материалов и вывести закономерности его влияния на
технологические характеристики.
2. Промышленно доступные источники, позволяющие создавать потоки
нейтральных ускоренных атомов, появились только в последнее десятилетие. А до
этого, в качестве потоков нейтральных частиц, использовались ионные пучки с
компенсированным суммарным зарядом за счет введения (впрыска) в них пучков
электронов. Поэтому для распыления материалов потоками ускоренных
нейтральных атомов тоже надо провести комплекс исследований по выявлению его
механизма и закономерностей.
Ионное травление химически модифицированным
физическим распылением материалов.
При ионном травлении химически модифицированным физическим
распылением (ion etching by chemically modified physical sputtering - CMPS
etching) спонтанные, радиационно-стимулированные или радиационно-
возбуждаемые реакции с образованием нелетучих соединений (продуктов)
модифицируют поверхностные слои обрабатываемого материала
функционального слоя (ФС), которые удаляются в результате физического
распыления. Например, поверхность кремния под воздействием плазмы
аргон/кислород сразу превращается в слой двуокиси кремния (SiO
2), и
скорость травления кремния определяется скоростью физического
распыления слоев SiO
2
.
Наиболее ярко выражен этот эффект при травлении ионами инертных
газов таких легко окисляющихся материалов, как алюминий (Al) и
титан (Ti). В этих случаях даже повышения остаточного давления в
вакуумной камере установки с 6,7·10-4 Па (5
∙10-6 мм рт. ст.) до 6,7·10-3
Па (5
∙10-5 мм рт. ст.) приводит к снижению скорости ионного травления
слоев алюминия и титана в несколько раз за счет окисления их
поверхности.
физическим распылением материалов.
При ионном травлении химически модифицированным физическим
распылением (ion etching by chemically modified physical sputtering - CMPS
etching) спонтанные, радиационно-стимулированные или радиационно-
возбуждаемые реакции с образованием нелетучих соединений (продуктов)
модифицируют поверхностные слои обрабатываемого материала
функционального слоя (ФС), которые удаляются в результате физического
распыления. Например, поверхность кремния под воздействием плазмы
аргон/кислород сразу превращается в слой двуокиси кремния (SiO
2), и
скорость травления кремния определяется скоростью физического
распыления слоев SiO
2
.
Наиболее ярко выражен этот эффект при травлении ионами инертных
газов таких легко окисляющихся материалов, как алюминий (Al) и
титан (Ti). В этих случаях даже повышения остаточного давления в
вакуумной камере установки с 6,7·10-4 Па (5
∙10-6 мм рт. ст.) до 6,7·10-3
Па (5
∙10-5 мм рт. ст.) приводит к снижению скорости ионного травления
слоев алюминия и титана в несколько раз за счет окисления их
поверхности.
Скорость травления химически модифицированных
поверхностных слоев материала за счет физического распыления
может быть как больше, так и меньше скорости физического
распыления исходного материала. В первом случае происходит
химически ускоренное физическое распыление, а, во втором - химически
замедленное физическое распыление. К такому типу относятся некоторые
процессы :
- реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ);
- реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ);
- реактивного атомно-лучевого травления (РАЛТ);
а также те процессы ионно-плазменного (ИПТ), ионно-лучевого (ИЛТ) и
атомно-лучевого травления (АЛТ), в которых активные частицы
остаточных газов (кислорода и азота) способны проводить быструю
химическую модификацию поверхности обрабатываемого материала.
Процессы химически модифицированного физического распыления
наиболее часто используются при травлении ионами аргона в
присутствии кислорода (его молекул, атомов или ионов)
неокисляющихся (Au, Pt) или слабо окисляющихся (Cu, Ni)
материалов через маски из сильно окисляющихся материалов (Al, Ti)
для повышения селективности травления.
поверхностных слоев материала за счет физического распыления
может быть как больше, так и меньше скорости физического
распыления исходного материала. В первом случае происходит
химически ускоренное физическое распыление, а, во втором - химически
замедленное физическое распыление. К такому типу относятся некоторые
процессы :
- реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ);
- реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ);
- реактивного атомно-лучевого травления (РАЛТ);
а также те процессы ионно-плазменного (ИПТ), ионно-лучевого (ИЛТ) и
атомно-лучевого травления (АЛТ), в которых активные частицы
остаточных газов (кислорода и азота) способны проводить быструю
химическую модификацию поверхности обрабатываемого материала.
Процессы химически модифицированного физического распыления
наиболее часто используются при травлении ионами аргона в
присутствии кислорода (его молекул, атомов или ионов)
неокисляющихся (Au, Pt) или слабо окисляющихся (Cu, Ni)
материалов через маски из сильно окисляющихся материалов (Al, Ti)
для повышения селективности травления.
Радиационно-стимулированное химическое травление
материалов.
При радиационно-стимулированном химическом травлении (radiation assisted
chemical etching - RAC etching) спонтанные химические реакции вносят
существенный вклад в удаление материала функционального слоя (ФС).
Радиационное воздействие (РВ), в качестве которого может выступать
облучение поверхности обрабатываемого материала потоками ионов,
электронов, фотонов или их комбинацией в виде плазмы, производит
стимуляцию (активацию) химических реакций и значительно увеличивает
скорость травления материалов. Доля физического распыления в удалении
материалов мала. К такому типу относятся процессы:
- радиационно-стимулированного газового травления (РСГТ);
- радиационно-стимулированного радикального травления (РСРТ);
- плазменного травления (ПТ);
- реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ);
- реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ);
- и реактивного атомно-лучевого травления (РАЛТ);
в которых нейтральные газовые частицы спонтанно травят обрабатываемый
материал.
материалов.
При радиационно-стимулированном химическом травлении (radiation assisted
chemical etching - RAC etching) спонтанные химические реакции вносят
существенный вклад в удаление материала функционального слоя (ФС).
Радиационное воздействие (РВ), в качестве которого может выступать
облучение поверхности обрабатываемого материала потоками ионов,
электронов, фотонов или их комбинацией в виде плазмы, производит
стимуляцию (активацию) химических реакций и значительно увеличивает
скорость травления материалов. Доля физического распыления в удалении
материалов мала. К такому типу относятся процессы:
- радиационно-стимулированного газового травления (РСГТ);
- радиационно-стимулированного радикального травления (РСРТ);
- плазменного травления (ПТ);
- реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ);
- реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ);
- и реактивного атомно-лучевого травления (РАЛТ);
в которых нейтральные газовые частицы спонтанно травят обрабатываемый
материал.
Скорость радиационно-стимулированного химического
травления (radiation assisted chemical etching - RAC etching)
материала определяется выражением:
Где - вероятность радиационно-
стимулированной химической реакции, зависящая от
энергии РВ; - коэффициент выхода материала в
результате радиационно-стимулированной химической
реакции, зависящий от энергии РВ, атом/частица; -
плотность потока РВ на поверхность материала,
частиц/(см
2
*с);
Киреев В.Ю. Газоплазменные процессы и оборудование микроэлектронного производства. - Глава 5 в энциклопедии
«Машиностроение», том III-8. «Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении». /Под
общ. ред. Ю.В. Панфилова. – Изд-во «Машиностроение», М.: 2000. – 744 с.
травления (radiation assisted chemical etching - RAC etching)
материала определяется выражением:
Где - вероятность радиационно-
стимулированной химической реакции, зависящая от
энергии РВ; - коэффициент выхода материала в
результате радиационно-стимулированной химической
реакции, зависящий от энергии РВ, атом/частица; -
плотность потока РВ на поверхность материала,
частиц/(см
2
*с);
Киреев В.Ю. Газоплазменные процессы и оборудование микроэлектронного производства. - Глава 5 в энциклопедии
«Машиностроение», том III-8. «Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении». /Под
общ. ред. Ю.В. Панфилова. – Изд-во «Машиностроение», М.: 2000. – 744 с.
Сравнивая выражение для радиационно-стимулированного
химического травления с формулой для спонтанного травления,
его можно представить в виде:
v
RACet = v
SCet + v
ACet,
где v
SCet
и v
ACet
- соответственно спонтанная и
стимулированная (вызванная радиационной стимуляцией)
компоненты скорости радиационно-стимулированного
химического травления.
Тогда анизотропия радиационно-стимулированного
химического травления может быть выражена как:
A = v
RACet/v
SCet = 1 + v
ACet/v
SCet,
т.е. значением анизотропии можно управлять с помощью
изменения плотности потока радиационного воздействия.
химического травления с формулой для спонтанного травления,
его можно представить в виде:
v
RACet = v
SCet + v
ACet,
где v
SCet
и v
ACet
- соответственно спонтанная и
стимулированная (вызванная радиационной стимуляцией)
компоненты скорости радиационно-стимулированного
химического травления.
Тогда анизотропия радиационно-стимулированного
химического травления может быть выражена как:
A = v
RACet/v
SCet = 1 + v
ACet/v
SCet,
т.е. значением анизотропии можно управлять с помощью
изменения плотности потока радиационного воздействия.
Типичный профиль ионно-стимулированного газового или
радикального травления
Coburn J.W., Winters H.F. Plasma etching - a discussion of mechanisms. - J. Vac. Sci. Technol., 1979, v. 16, No. 2, p. 391 - 403.
радикального травления
Coburn J.W., Winters H.F. Plasma etching - a discussion of mechanisms. - J. Vac. Sci. Technol., 1979, v. 16, No. 2, p. 391 - 403.
Стимулирующее воздействие ионов на
химические реакции прямо
пропорционально растет с их энергией до
значений в диапазоне (120 - 150) эВ, а дальше
рост начинает резко замедляться.
Таким образом, оптимальные по
энергетической эффективности воздействия
ионов инертных газов, стимулирующие
химические реакции травления материалов,
происходят при значительно меньших
энергиях, чем оптимальные по энергетической
эффективности процессы физического
распыления этих материалов.
химические реакции прямо
пропорционально растет с их энергией до
значений в диапазоне (120 - 150) эВ, а дальше
рост начинает резко замедляться.
Таким образом, оптимальные по
энергетической эффективности воздействия
ионов инертных газов, стимулирующие
химические реакции травления материалов,
происходят при значительно меньших
энергиях, чем оптимальные по энергетической
эффективности процессы физического
распыления этих материалов.
Радиационно-возбуждаемое химическое травление
материалов.
При радиационно-возбуждаемом химическом травлении (radiation excited
chemical etching - REC etching) спонтанные химические реакции
травления материала функционального слоя (ФС) не протекают .
Основной вклад в удаление материала вносят возбуждаемые радиационной
стимуляцией химические реакции, доля физического распыления мала. К
такому типу относятся процессы:
-радиационно-стимулированного газового травления (РСГТ);
- радиационно-стимулированного радикального травления (РСРТ);
- плазменного травления (ПТ);
- реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ);
- реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ);
- реактивного атомно-лучевого травления (РАЛТ);
в которых нейтральные газовые частицы спонтанно не травят
обрабатываемый материал
материалов.
При радиационно-возбуждаемом химическом травлении (radiation excited
chemical etching - REC etching) спонтанные химические реакции
травления материала функционального слоя (ФС) не протекают .
Основной вклад в удаление материала вносят возбуждаемые радиационной
стимуляцией химические реакции, доля физического распыления мала. К
такому типу относятся процессы:
-радиационно-стимулированного газового травления (РСГТ);
- радиационно-стимулированного радикального травления (РСРТ);
- плазменного травления (ПТ);
- реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ);
- реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ);
- реактивного атомно-лучевого травления (РАЛТ);
в которых нейтральные газовые частицы спонтанно не травят
обрабатываемый материал
В этом случае радиационное воздействие (РВ) само
возбуждает химические реакции, и его параметры (вид,
энергия, интенсивность, пространственное распределение)
непосредственно определяют характеристики травления
материала ФС.
Скорость радиационно-возбуждаемого химического травления
(radiation excited chemical etching - REC etching) материала ФС
определяется выражением:
Где - вероятность радиационно-возбуждаемой
химической реакции, зависящая от энергии РВ;
Y
recr
(Е
re
)
- коэффициент выхода материала в результате
радиационно-возбуждаемой химической реакции,
зависящий от энергии РВ, атом/частица; q
re
- плотность
потока РВ на поверхность материала, частиц/(см
2
*с); n
M
–
атомная плотность материала в атом/см
3
.
возбуждает химические реакции, и его параметры (вид,
энергия, интенсивность, пространственное распределение)
непосредственно определяют характеристики травления
материала ФС.
Скорость радиационно-возбуждаемого химического травления
(radiation excited chemical etching - REC etching) материала ФС
определяется выражением:
Где - вероятность радиационно-возбуждаемой
химической реакции, зависящая от энергии РВ;
Y
recr
(Е
re
)
- коэффициент выхода материала в результате
радиационно-возбуждаемой химической реакции,
зависящий от энергии РВ, атом/частица; q
re
- плотность
потока РВ на поверхность материала, частиц/(см
2
*с); n
M
–
атомная плотность материала в атом/см
3
.
В процессах ионно-возбуждаемого газового и радикального травления
(ИВГТ и ИВРТ), когда возбуждение химической реакции травления
материала (substrate ―A) определенными химически активными
нейтральными частицами (neutral CAP - R) (газовыми молекулами,
атомами или радикалами) проводится потоком ионов инертного газа
(ion), формируемого в автономном ионном источнике с заданными
значениями энергии, плотности тока и угла падения, то типичный
профиль травления должен иметь вид
Киреев В.Ю. Основы нанотехнологий. - Сб. трудов 6-й Международной Научно-практической конференции по физике и
технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «МОКЕРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ», 20-21 мая 2015 года, М.: НИЯУ «МИФИ»,
с. 119 – 120.
(ИВГТ и ИВРТ), когда возбуждение химической реакции травления
материала (substrate ―A) определенными химически активными
нейтральными частицами (neutral CAP - R) (газовыми молекулами,
атомами или радикалами) проводится потоком ионов инертного газа
(ion), формируемого в автономном ионном источнике с заданными
значениями энергии, плотности тока и угла падения, то типичный
профиль травления должен иметь вид
Киреев В.Ю. Основы нанотехнологий. - Сб. трудов 6-й Международной Научно-практической конференции по физике и
технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «МОКЕРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ», 20-21 мая 2015 года, М.: НИЯУ «МИФИ»,
с. 119 – 120.
Типичные зависимости скорости травления материалов
для
1.спонтанного химического травления v
SCet,
2.радиационно-стимулированного химического травления v
RACet
3.радиационно-возбуждаемого химического травления v
RECet.
Величина v
ACet
является стимулированной компонентой скорости радиационно-
стимулированного химического травления.
для
1.спонтанного химического травления v
SCet,
2.радиационно-стимулированного химического травления v
RACet
3.радиационно-возбуждаемого химического травления v
RECet.
Величина v
ACet
является стимулированной компонентой скорости радиационно-
стимулированного химического травления.
При проведении процессов травления в условиях
плазмы (низкотемпературной неравновесной
газоразрядной плазмы - ННГП) процессы
взаимодействия различных ХАЧ, которые могут
образовывать летучие и нелетучие продукты
реакций с поверхностью материала, а также
полимерные пленки на его поверхности,
одновременно стимулируются потоками ионов,
электронов и излучения плазмы. Такой широкий
спектр одновременного воздействия различных
химических реакций и стимулирующих факторов не
дает возможности выделить вклад каждого из них в
процесс травления и независимо управлять его
параметрами.
плазмы (низкотемпературной неравновесной
газоразрядной плазмы - ННГП) процессы
взаимодействия различных ХАЧ, которые могут
образовывать летучие и нелетучие продукты
реакций с поверхностью материала, а также
полимерные пленки на его поверхности,
одновременно стимулируются потоками ионов,
электронов и излучения плазмы. Такой широкий
спектр одновременного воздействия различных
химических реакций и стимулирующих факторов не
дает возможности выделить вклад каждого из них в
процесс травления и независимо управлять его
параметрами.
Повышение концентрации электронов, например, за счет увеличения
мощности, вкладываемой в плазму, автоматически изменит концентрацию
и энергию ионов, а также интенсивность излучения плазмы. Еще сложнее
дело обстоит, когда плазма служит одновременно средой, в которой
находится обрабатываемая пластина, источником химических частиц,
производящих реакции травления, модификации и полимеризации на
поверхности материала, а также стимулятором или возбудителем
(инициатором) этих реакций, как процессах плазменного (ПТ) и
реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ).
В этом случае изменение стимулирующего воздействия (концентрации
электронов) приводит к изменению еще и концентрации различных ХАЧ,
производящих реакции травления, модификации и полимеризации на
поверхности обрабатываемых материалов. Невозможность точного
выделения стимулирующего или возбуждающего воздействия плазмы, а
также отсутствие независимого управления его параметрами без изменения
типа и характеристик потоков химических частиц и производимых ими
реакций, приводят к различным профилям плазмо-стимулированного
газового или радикального травления материалов.
мощности, вкладываемой в плазму, автоматически изменит концентрацию
и энергию ионов, а также интенсивность излучения плазмы. Еще сложнее
дело обстоит, когда плазма служит одновременно средой, в которой
находится обрабатываемая пластина, источником химических частиц,
производящих реакции травления, модификации и полимеризации на
поверхности материала, а также стимулятором или возбудителем
(инициатором) этих реакций, как процессах плазменного (ПТ) и
реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ).
В этом случае изменение стимулирующего воздействия (концентрации
электронов) приводит к изменению еще и концентрации различных ХАЧ,
производящих реакции травления, модификации и полимеризации на
поверхности обрабатываемых материалов. Невозможность точного
выделения стимулирующего или возбуждающего воздействия плазмы, а
также отсутствие независимого управления его параметрами без изменения
типа и характеристик потоков химических частиц и производимых ими
реакций, приводят к различным профилям плазмо-стимулированного
газового или радикального травления материалов.
Сравнительные технологические характеристики
процессов вакуумного газоплазменного травления
процессов вакуумного газоплазменного травления
Состав и параметры оборудования вакуумного
газоплазменного травления функциональных слоев.
Оборудование вакуумного газоплазменного травления (ВГПТ) материалов функциональных слоев (ФС)
состоит из следующих основных функциональных систем:
1.Реактора (системы травления), служащего для проведения процесса травления ФС на пластине
(подложке) и состоящего из рабочей камеры и расположенных внутри нее или присоединенных к ней
снаружи подложкодержателей, экранов, электродов, нагревательных элементов, источников радиационных
(плазменных, фотонных, электронных, ионных, атомных) воздействий и химически активных частиц
(ХАЧ).
2.Газовой системы, служащей для подачи требуемых потоков (или порций потоков) газов, паров или
парогазовых смесей в рабочую камеру и автономные источники радиационных воздействий и ХАЧ, их
распределения в пространстве и во времени и состоящей из нескольких каналов, в состав которых входят
фильтры, трубки, испарители, вентили, клапана, измерители и регуляторы расхода газов, коллекторы и
стабилизаторы давления газов.
3.Вакуумной системы, служащей для обеспечения требуемых остаточных и рабочих давлений, а также
скоростей откачки или отвода поступающих реагентов и продуктов реакций в рабочей, транспортной и
шлюзовой камерах, автономных источниках радиационных воздействий и ХАЧ, и состоящей из откачных
(отводных) коллекторов или отверстий, труб, клапанов, заслонок, измерителей и регуляторов давлений и
скоростей откачки, ловушек, фильтров, вакуумных насосов, скрубберов или нейтрализаторов выхлопных
газов.
4.Системы возбуждения и поддержания плазмы разряда в рабочей камере при проведении плазменных
процессов травления и процессов автоматической очистки элементов рабочей камеры, а также в
автономных источниках для активации реагентов, состоящей из генераторов и источников электрических и
магнитных полей, согласующих устройств, кабелей или волноводов, измерителей и регуляторов
подводимых мощностей.
газоплазменного травления функциональных слоев.
Оборудование вакуумного газоплазменного травления (ВГПТ) материалов функциональных слоев (ФС)
состоит из следующих основных функциональных систем:
1.Реактора (системы травления), служащего для проведения процесса травления ФС на пластине
(подложке) и состоящего из рабочей камеры и расположенных внутри нее или присоединенных к ней
снаружи подложкодержателей, экранов, электродов, нагревательных элементов, источников радиационных
(плазменных, фотонных, электронных, ионных, атомных) воздействий и химически активных частиц
(ХАЧ).
2.Газовой системы, служащей для подачи требуемых потоков (или порций потоков) газов, паров или
парогазовых смесей в рабочую камеру и автономные источники радиационных воздействий и ХАЧ, их
распределения в пространстве и во времени и состоящей из нескольких каналов, в состав которых входят
фильтры, трубки, испарители, вентили, клапана, измерители и регуляторы расхода газов, коллекторы и
стабилизаторы давления газов.
3.Вакуумной системы, служащей для обеспечения требуемых остаточных и рабочих давлений, а также
скоростей откачки или отвода поступающих реагентов и продуктов реакций в рабочей, транспортной и
шлюзовой камерах, автономных источниках радиационных воздействий и ХАЧ, и состоящей из откачных
(отводных) коллекторов или отверстий, труб, клапанов, заслонок, измерителей и регуляторов давлений и
скоростей откачки, ловушек, фильтров, вакуумных насосов, скрубберов или нейтрализаторов выхлопных
газов.
4.Системы возбуждения и поддержания плазмы разряда в рабочей камере при проведении плазменных
процессов травления и процессов автоматической очистки элементов рабочей камеры, а также в
автономных источниках для активации реагентов, состоящей из генераторов и источников электрических и
магнитных полей, согласующих устройств, кабелей или волноводов, измерителей и регуляторов
подводимых мощностей.
5. Системы термостатирования электродов, стенок камеры, подложкодержателей, испарителей жидких
реагентов, участков газовых каналов и откачных магистралей, служащей для измерения, регулирования
и стабилизации их температуры и состоящей из нагревателей, термостатов, труб, емкостей хладагентов,
устройств их перекачки, подачи и распределения, измерителей и регуляторов температуры.
6. Системы загрузки – выгрузки пластин, кассет, СМИФ (стандартный механический интерфейс)
контейнеров, транспортирования и позиционирования пластин внутри установки, состоящей из СМИФ
загрузчиков, приемных и передающих кассет, загрузочных и транспортных камер, устройств загрузки,
перемещения, позиционирования и прижима пластин на подложкодержателях внутри установки.
7. Системы контроля момента окончания процесса травления ФС (времени травления), состоящей из
датчиков сигналов на основе оптического эмиссионно-спектрального, лазерного интерферометрического или
масс-спектрометрического методов, оптических и электронных устройств, а также специализированных
программно-аппаратных вычислительных комплексов для обработки полученных сигналов по требуемому
алгоритму.
8. Системы управления, служащей для управления перечисленными выше системами, контроля
режимов их работы и исправности входящих в них устройств, и состоящей из управляющей ЭВМ с
программным обеспечением, клавиатурой ввода команд, дисплеем и устройств записи, хранения и передачи
информации по локальным и глобальным компьютерным сетям.
реагентов, участков газовых каналов и откачных магистралей, служащей для измерения, регулирования
и стабилизации их температуры и состоящей из нагревателей, термостатов, труб, емкостей хладагентов,
устройств их перекачки, подачи и распределения, измерителей и регуляторов температуры.
6. Системы загрузки – выгрузки пластин, кассет, СМИФ (стандартный механический интерфейс)
контейнеров, транспортирования и позиционирования пластин внутри установки, состоящей из СМИФ
загрузчиков, приемных и передающих кассет, загрузочных и транспортных камер, устройств загрузки,
перемещения, позиционирования и прижима пластин на подложкодержателях внутри установки.
7. Системы контроля момента окончания процесса травления ФС (времени травления), состоящей из
датчиков сигналов на основе оптического эмиссионно-спектрального, лазерного интерферометрического или
масс-спектрометрического методов, оптических и электронных устройств, а также специализированных
программно-аппаратных вычислительных комплексов для обработки полученных сигналов по требуемому
алгоритму.
8. Системы управления, служащей для управления перечисленными выше системами, контроля
режимов их работы и исправности входящих в них устройств, и состоящей из управляющей ЭВМ с
программным обеспечением, клавиатурой ввода команд, дисплеем и устройств записи, хранения и передачи
информации по локальным и глобальным компьютерным сетям.
Состав оборудования ВГПТ материалов ФС определяет
перечень операционных (целенаправленно выставляемых
режимных) параметров, к которым относятся:
1. Остаточное давление (Р
ост) и диапазон его возможного изменения (ΔР
ост) в
установке.
2. Рабочее давление (Р
p
) и диапазон его возможного изменения (ΔР).
3. Расходы рабочих газов и паров (Q
1
, Q
2
, … Q
n
), определяющие состав рабочей
смеси, и диапазоны их возможного изменения (ΔQ
1
, ΔQ
2
, … ΔQ
n
).
4. Мощности плазменных разрядов (W), подаваемые на различные электроды и/или
напряжения и плотности токов различных источников, а также диапазоны их
возможного изменения (ΔW)
5. Температуры подложкодержателя (T
sub
), электродов (T
el
) и стенок камеры
(реактора) (T
cw
) и диапазоны их возможного изменения (ΔT
sub
), (ΔT
el
) и (ΔT
cw
).
6. Время процесса травления (etching) всего ФС (tet) или время отдельных стадий
(step) процесса травления (t
s1, t
s2,…, t
sn).
Указанные шесть операционных параметров встречаются во всех видах
оборудования ВГПТ, тогда как для отдельных групп оборудования могут
добавляться дополнительные операционные параметры.
перечень операционных (целенаправленно выставляемых
режимных) параметров, к которым относятся:
1. Остаточное давление (Р
ост) и диапазон его возможного изменения (ΔР
ост) в
установке.
2. Рабочее давление (Р
p
) и диапазон его возможного изменения (ΔР).
3. Расходы рабочих газов и паров (Q
1
, Q
2
, … Q
n
), определяющие состав рабочей
смеси, и диапазоны их возможного изменения (ΔQ
1
, ΔQ
2
, … ΔQ
n
).
4. Мощности плазменных разрядов (W), подаваемые на различные электроды и/или
напряжения и плотности токов различных источников, а также диапазоны их
возможного изменения (ΔW)
5. Температуры подложкодержателя (T
sub
), электродов (T
el
) и стенок камеры
(реактора) (T
cw
) и диапазоны их возможного изменения (ΔT
sub
), (ΔT
el
) и (ΔT
cw
).
6. Время процесса травления (etching) всего ФС (tet) или время отдельных стадий
(step) процесса травления (t
s1, t
s2,…, t
sn).
Указанные шесть операционных параметров встречаются во всех видах
оборудования ВГПТ, тогда как для отдельных групп оборудования могут
добавляться дополнительные операционные параметры.
Способ крепления пластины к охлаждаемому подложкодержателю и обеспечения ее хорошего
теплового контакта в оборудовании вакуумного газоплазменного травления:с помощью прижимного
кольца (clamping ring) и напуска гелия (He) под пластину;
Способ крепления пластины к охлаждаемому подложкодержателю и обеспечения ее хорошего
теплового контакта в оборудовании вакуумного газоплазменного травления с помощью
электростатического прижима, создаваемого с подачей высокого постоянного напряжения (V) между
двумя изолированными частями подложкодержателя
теплового контакта в оборудовании вакуумного газоплазменного травления:с помощью прижимного
кольца (clamping ring) и напуска гелия (He) под пластину;
Способ крепления пластины к охлаждаемому подложкодержателю и обеспечения ее хорошего
теплового контакта в оборудовании вакуумного газоплазменного травления с помощью
электростатического прижима, создаваемого с подачей высокого постоянного напряжения (V) между
двумя изолированными частями подложкодержателя
Изображение ICP системы для травления. Электростатический экран между катушкой и
диэлектрическим окном (кварцевая труба) обеспечивает индуктивное связывание и предотвращает
емкостное связывание между плазмой и катушкой. Образец загружается рукой – роботом, специально
разработанной для безопасной загрузки образцов MEMS
диэлектрическим окном (кварцевая труба) обеспечивает индуктивное связывание и предотвращает
емкостное связывание между плазмой и катушкой. Образец загружается рукой – роботом, специально
разработанной для безопасной загрузки образцов MEMS
Схема форвакуумного насоса
Диффузионный насос
Турбомолекулярный насос
Схема криогенного насоса
Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing J Reece Roth Department of Electrical and Computer
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
а – эмиссионный спектр ВЧ-
разряда на смеси 92% CF
4 –
8% O
2; б – эмиссионный
спектр разряда на смеси
того же состава при
травлении пленки нитрида
кремния, осажденной в
плазме
разряда на смеси 92% CF
4 –
8% O
2; б – эмиссионный
спектр разряда на смеси
того же состава при
травлении пленки нитрида
кремния, осажденной в
плазме
Основные системы размерного вакуумного газоплазменного травления функциональных слоев ИС
первого поколения: a - цилиндрический реактор (barrel reactor) для группового плазменного травления
(ПТ) пластин с возможностью установки внутри него металлического перфорированного экрана (Faraday
cage) и реализации процесса радикального травления РТ); b - планарный плазменный реактор с
плоскопараллельными электродами (plasma parallel plate reactor), характеризующийся расположением
пластин на заземленном электроде; c - планарная система реактивного ионно-плазменного травления
(РИПТ) с плоскопараллельными электродами (planar RIE system), характеризующаяся расположением
пластин на ВЧ электроде; d - система ионно-лучевого травления (ИЛТ) с автономным ионным
источником, пристыкованным к вакуумной камере (vacuum chamber)
первого поколения: a - цилиндрический реактор (barrel reactor) для группового плазменного травления
(ПТ) пластин с возможностью установки внутри него металлического перфорированного экрана (Faraday
cage) и реализации процесса радикального травления РТ); b - планарный плазменный реактор с
плоскопараллельными электродами (plasma parallel plate reactor), характеризующийся расположением
пластин на заземленном электроде; c - планарная система реактивного ионно-плазменного травления
(РИПТ) с плоскопараллельными электродами (planar RIE system), характеризующаяся расположением
пластин на ВЧ электроде; d - система ионно-лучевого травления (ИЛТ) с автономным ионным
источником, пристыкованным к вакуумной камере (vacuum chamber)
Основные системы размерного вакуумного газоплазменного травления функциональных слоев ИС второго
поколения: a - планарная система магнитно-стимулированного реактивного ионно-плазменное
травление (МС РИПТ) (magnetically enhanced reactive ion etching - MERIE) с вращающимся магнитным
полем, создаваемым набором неподвижных электромагнитов (magnet); b - система магнетронного
реактивного ионно-плазменное травление (МРИПТ) (magnetron reactive ion etching - MRIE); c -
планарная система градиентного магнитно-стимулированного реактивного ионно-плазменное
травление (ГМС РИПТ) (dipole rotating magnet system - DRM system) с вращающейся системой из
постоянных магнитов (rotating permanent magnet assembly)
Handbook of
Semiconductor
Interconnection
Technology. /Edited by
G.C. Schwartz and K.V.
Srikrishnan. 2-nd edition.
CRC Press, Taylor &
Francis Group, N.Y., USA,
2006. - 506 p.
поколения: a - планарная система магнитно-стимулированного реактивного ионно-плазменное
травление (МС РИПТ) (magnetically enhanced reactive ion etching - MERIE) с вращающимся магнитным
полем, создаваемым набором неподвижных электромагнитов (magnet); b - система магнетронного
реактивного ионно-плазменное травление (МРИПТ) (magnetron reactive ion etching - MRIE); c -
планарная система градиентного магнитно-стимулированного реактивного ионно-плазменное
травление (ГМС РИПТ) (dipole rotating magnet system - DRM system) с вращающейся системой из
постоянных магнитов (rotating permanent magnet assembly)
Handbook of
Semiconductor
Interconnection
Technology. /Edited by
G.C. Schwartz and K.V.
Srikrishnan. 2-nd edition.
CRC Press, Taylor &
Francis Group, N.Y., USA,
2006. - 506 p.
Основные системы размерного вакуумного газоплазменного травления функциональных слоев ИС третьего поколения: a -
система с индукционно-связанной плазмой (inductive coupled plasma – ICP) высокой плотности, реализующая
различные процессы вакуумного газоплазменного травления; b - система с трансформаторно-связанной плазмой
(transformer coupled plasma – TCP) высокой плотности, реализующая различные процессы вакуумного газоплазменного
травления; c - система с плазмой высокой плотности на основе сверхвысокочастотного (СВЧ) или микроволнового
разряда на электронном циклотронном резонансе (ЭЦР) (electron cyclotron resonance - ECR), реализующая различные
процессы вакуумного газоплазменного травления; d - система с индукционно-связанной плазмой (inductive coupled
plasma – ICP) высокой плотности с нейтральным контуром (neutral loop discharge – NL discharge), реализующая
различные процессы вакуумного газоплазменного травления; e - система высокого (больше 100 Па) давления с плазмой
высокой плотности на основе СВЧ разряда на ЭЦР, реализующая различные процессы вакуумной газоплазменной
обработки и удаления резистов; f - система травления пучком нейтральных атомов, реализующая процессы атомно-
лучевого травления и атомно-стимулирующего газового и радикального травления
система с индукционно-связанной плазмой (inductive coupled plasma – ICP) высокой плотности, реализующая
различные процессы вакуумного газоплазменного травления; b - система с трансформаторно-связанной плазмой
(transformer coupled plasma – TCP) высокой плотности, реализующая различные процессы вакуумного газоплазменного
травления; c - система с плазмой высокой плотности на основе сверхвысокочастотного (СВЧ) или микроволнового
разряда на электронном циклотронном резонансе (ЭЦР) (electron cyclotron resonance - ECR), реализующая различные
процессы вакуумного газоплазменного травления; d - система с индукционно-связанной плазмой (inductive coupled
plasma – ICP) высокой плотности с нейтральным контуром (neutral loop discharge – NL discharge), реализующая
различные процессы вакуумного газоплазменного травления; e - система высокого (больше 100 Па) давления с плазмой
высокой плотности на основе СВЧ разряда на ЭЦР, реализующая различные процессы вакуумной газоплазменной
обработки и удаления резистов; f - система травления пучком нейтральных атомов, реализующая процессы атомно-
лучевого травления и атомно-стимулирующего газового и радикального травления
Для большинства применений плазменных
процессов в микро- и наноэлектронике
важно знать как распределено падение
потенциала в приэлектродном промежутке.
Это падение потенциала будет во многом
определять интенсивность распыления
материала, влияние ИБ на характер и
интенсивность химических взаимодействий
на обрабатываемой поверхности, а также
уровень привносимых радиационных
нарушений структуры материала
процессов в микро- и наноэлектронике
важно знать как распределено падение
потенциала в приэлектродном промежутке.
Это падение потенциала будет во многом
определять интенсивность распыления
материала, влияние ИБ на характер и
интенсивность химических взаимодействий
на обрабатываемой поверхности, а также
уровень привносимых радиационных
нарушений структуры материала
1) первая катодная темная область;
2) первое катодное свечение;
3) вторая катодная темная область;
4) второе катодное свечение (катодное тлеющее
свечение);
5) фарадеева темная область;
6) столб разряда;
7) анодная темная область;
8) анодное свечение.
2) первое катодное свечение;
3) вторая катодная темная область;
4) второе катодное свечение (катодное тлеющее
свечение);
5) фарадеева темная область;
6) столб разряда;
7) анодная темная область;
8) анодное свечение.
Схема РИТ
Основные факторы при травлении в плазме элементов с малыми
размерами и высоким аспектным соотношением:
1. Зарядка диэлектрических поверхностей (например, фоторезист или
диэлектрическая маска) – приводит к искажению профиля травления.
2. Эффект зарядового аспектного соотношения (разница в заряде
верхней и нижней частей структуры) или электронного затенения.
Проблемы:
•пробой диэлектрика и повреждение устройства, вызванное протеканием тока
через тонкие изолирующие слои,
•подтрав поликремния во время перетрава затворного электрода;
•сдвиг пороговых напряжений при травлении затворов;
•искажение профиля, наблюдаемое из-за потери ионного тока внизу щели при
травлении через диэлектрическую маску,
•не контролируемое пленкообразование внутри структуры.
•эффект аспектного отношения, известный как «Замедление РИТ»
(структуры с большими размерами травятся более быстро, чем структуры с
малыми размерами).
размерами и высоким аспектным соотношением:
1. Зарядка диэлектрических поверхностей (например, фоторезист или
диэлектрическая маска) – приводит к искажению профиля травления.
2. Эффект зарядового аспектного соотношения (разница в заряде
верхней и нижней частей структуры) или электронного затенения.
Проблемы:
•пробой диэлектрика и повреждение устройства, вызванное протеканием тока
через тонкие изолирующие слои,
•подтрав поликремния во время перетрава затворного электрода;
•сдвиг пороговых напряжений при травлении затворов;
•искажение профиля, наблюдаемое из-за потери ионного тока внизу щели при
травлении через диэлектрическую маску,
•не контролируемое пленкообразование внутри структуры.
•эффект аспектного отношения, известный как «Замедление РИТ»
(структуры с большими размерами травятся более быстро, чем структуры с
малыми размерами).
Четыре основных механизма снижения
анизотропии и задержки РИТ
1.Ионное затенение. Рассеивание и зарядовый обмен в ОПЗ делает поступающие
ионы изотропными.
2.Затенение нейтралами. Столкновения, как с другими частицами, так и с
боковыми стенками структуры, замедляет поток химически активных нейтралов
(например, F) внутрь структуры. Доступ нейтральных частиц к нижней части
структуры, необходимый для удаления полимера и формирования летучих
продуктов травления, затрудняется.
3.Накопление заряда. Электроны, из-за их высокого коэффициента диффузии и
большей средней длины свободного пробега, имеют тенденцию,
преимущественно заряжать верхние части травимой структуры и области
фоторезиста. Как результат, ионы отклоняются к боковым стенкам, что может
приводить к их травлению.
4.Транспортировка нейтральных продуктов. Обратный поток продуктов
травления со дна структуры может сталкиваться с входящими частицами и
переосаждаться на дне структуры, значительно увеличивая высадку полимера.
анизотропии и задержки РИТ
1.Ионное затенение. Рассеивание и зарядовый обмен в ОПЗ делает поступающие
ионы изотропными.
2.Затенение нейтралами. Столкновения, как с другими частицами, так и с
боковыми стенками структуры, замедляет поток химически активных нейтралов
(например, F) внутрь структуры. Доступ нейтральных частиц к нижней части
структуры, необходимый для удаления полимера и формирования летучих
продуктов травления, затрудняется.
3.Накопление заряда. Электроны, из-за их высокого коэффициента диффузии и
большей средней длины свободного пробега, имеют тенденцию,
преимущественно заряжать верхние части травимой структуры и области
фоторезиста. Как результат, ионы отклоняются к боковым стенкам, что может
приводить к их травлению.
4.Транспортировка нейтральных продуктов. Обратный поток продуктов
травления со дна структуры может сталкиваться с входящими частицами и
переосаждаться на дне структуры, значительно увеличивая высадку полимера.
В силу того, что в реальности во время травления результат процесса
определяется комбинацией:
•химического взаимодействия частиц плазмы с обрабатываемой поверхностью,
•ионно-стимулированных взаимодействий, включая ионно-стимулированные химические
реакции и физическое распыление,
•а также процессов осаждения нелетучих продуктов (пленок) и пассивации поверхности,
то идеальный профиль (вертикальные стенки и плоское дно)
наблюдается достаточно редко.
Существуют две основные причины появления нарушений формы
профиля:
•индивидуальные особенности обрабатываемой поверхности,
•процессы , связанные с переотражением потоков заряженных и
нейтральных частиц от стенок формируемой структуры.
определяется комбинацией:
•химического взаимодействия частиц плазмы с обрабатываемой поверхностью,
•ионно-стимулированных взаимодействий, включая ионно-стимулированные химические
реакции и физическое распыление,
•а также процессов осаждения нелетучих продуктов (пленок) и пассивации поверхности,
то идеальный профиль (вертикальные стенки и плоское дно)
наблюдается достаточно редко.
Существуют две основные причины появления нарушений формы
профиля:
•индивидуальные особенности обрабатываемой поверхности,
•процессы , связанные с переотражением потоков заряженных и
нейтральных частиц от стенок формируемой структуры.
Понимание причин, вызывающих появление несовершенств
профиля, которые могут проявляться во время травления, а также то,
как они могут быть устранены являются весьма важными для
разработчиков технологий плазменного травления.
Необходимо дополнительно (к особенностям используемого
оборудования) учитывать:
•Последовательность и физико-химические свойства
слоев, из которых состоит формируемая микроструктура,
•Исходные геометрические параметры слоев
формируемой структуры,
•Состав и геометрию слоев, используемых для
маскирования
•Форму, размер и частоту следования элементов
формируемой топологии обрабатываемой поверхности,
•Процент открытой для травления площади
обрабатываемой поверхности.
профиля, которые могут проявляться во время травления, а также то,
как они могут быть устранены являются весьма важными для
разработчиков технологий плазменного травления.
Необходимо дополнительно (к особенностям используемого
оборудования) учитывать:
•Последовательность и физико-химические свойства
слоев, из которых состоит формируемая микроструктура,
•Исходные геометрические параметры слоев
формируемой структуры,
•Состав и геометрию слоев, используемых для
маскирования
•Форму, размер и частоту следования элементов
формируемой топологии обрабатываемой поверхности,
•Процент открытой для травления площади
обрабатываемой поверхности.
а- «идеальный» профиль,
b - осаждение полимера на боковые стенки формируемой структуры,
с - проявляется химическая составляющая интегрального процесса травления, когда процессы пассивации боковых
стенок слабы.
d - защищающие боковые стенки полимерные пленки сформированы нейтральными частицами с большой адгезионной
способностью с недостатком их в донной части,
e - окна маски имеют наклон + избыточное содержание в газовой смеси кислорода, который снижает вероятность
образования защитной пленки на боковых стенках структуры и повышает концентрацию в газовой фазе разряда
химически активных травящих частиц,
f - переотражениtионного потока от боковых стенок формируемой структуры и перенаправлении этого потока в углы
донной части + локальная неоднородность потока пассивирующих частиц в донной части создаваемой структуры,
g - травление проходит в режиме малой концентрации химически активных нейтральных частиц, что приводит к
замедлению скорости травления в углах донной части структуры,
h - заряд на поверхности не может быть удален во внешнюю электрическую цепь или нейтрализован.
b - осаждение полимера на боковые стенки формируемой структуры,
с - проявляется химическая составляющая интегрального процесса травления, когда процессы пассивации боковых
стенок слабы.
d - защищающие боковые стенки полимерные пленки сформированы нейтральными частицами с большой адгезионной
способностью с недостатком их в донной части,
e - окна маски имеют наклон + избыточное содержание в газовой смеси кислорода, который снижает вероятность
образования защитной пленки на боковых стенках структуры и повышает концентрацию в газовой фазе разряда
химически активных травящих частиц,
f - переотражениtионного потока от боковых стенок формируемой структуры и перенаправлении этого потока в углы
донной части + локальная неоднородность потока пассивирующих частиц в донной части создаваемой структуры,
g - травление проходит в режиме малой концентрации химически активных нейтральных частиц, что приводит к
замедлению скорости травления в углах донной части структуры,
h - заряд на поверхности не может быть удален во внешнюю электрическую цепь или нейтрализован.
На рисунке а) показан профиль травления, который во многих случаях можно считать
«идеальным». В этом случае получены вертикальные стенки создаваемой структуры и
плоское дно.
На рисунке b) показан случай, когда режим плазменной обработки обеспечивает осаждение
полимера на боковые стенки формируемой структуры. Это приводит к снижению скорости
травления в углах донной части и наблюдается сужение формируемого профиля.
Соответственно образуется «конусообразный» профиль. В ряде случаев такой профиль
оказывается с технологической точки зрения более предпочтительный по сравнению с
идеально прямоугольным, поскольку позволяет конформно осаждать на поверхность
структуры пленки последующих слоев УБИС. Однако, если процесс полимеризации при
травлении протекает слишком интенсивно, травление структуры может остановиться и
наблюдается эффект «остановки травления». (см. фото на следующем слайде.).
На рисунке с) показан случай, когда наблюдается избыточно интенсивное травление
боковых стенок структуры (интенсивно проявляется химическая составляющая
интегрального процесса травления), когда процессы пассивации боковых стенок слабы.
Подтрав увеличивает ширину формируемого «окна» и уменьшает промежуток материала
слоя между соседними «окнами» (структурами).
На рисунке d) Если защищающие боковые стенки полимерные пленки сформированы
нейтральными частицами с большой адгезионной способностью, то при травлении структур
с высоким аспектным отношением, концентрация этих частиц вблизи дна структуры в
процессе травления будет уменьшаться и начнется подтрав стенок вблизи дна.
показан соответствующий профиль травления с отрицательным углом наклона боковых
стенок.
«идеальным». В этом случае получены вертикальные стенки создаваемой структуры и
плоское дно.
На рисунке b) показан случай, когда режим плазменной обработки обеспечивает осаждение
полимера на боковые стенки формируемой структуры. Это приводит к снижению скорости
травления в углах донной части и наблюдается сужение формируемого профиля.
Соответственно образуется «конусообразный» профиль. В ряде случаев такой профиль
оказывается с технологической точки зрения более предпочтительный по сравнению с
идеально прямоугольным, поскольку позволяет конформно осаждать на поверхность
структуры пленки последующих слоев УБИС. Однако, если процесс полимеризации при
травлении протекает слишком интенсивно, травление структуры может остановиться и
наблюдается эффект «остановки травления». (см. фото на следующем слайде.).
На рисунке с) показан случай, когда наблюдается избыточно интенсивное травление
боковых стенок структуры (интенсивно проявляется химическая составляющая
интегрального процесса травления), когда процессы пассивации боковых стенок слабы.
Подтрав увеличивает ширину формируемого «окна» и уменьшает промежуток материала
слоя между соседними «окнами» (структурами).
На рисунке d) Если защищающие боковые стенки полимерные пленки сформированы
нейтральными частицами с большой адгезионной способностью, то при травлении структур
с высоким аспектным отношением, концентрация этих частиц вблизи дна структуры в
процессе травления будет уменьшаться и начнется подтрав стенок вблизи дна.
показан соответствующий профиль травления с отрицательным углом наклона боковых
стенок.
На рисунке е) показан профиль, который формируется, если боковые стенки
профиля окна маски имеют наклон. В этом случае ионный поток, отражается от
этих стенок и распыляет пассивирующую пленку на боковых стенках
формируемой структуры. Это увеличивает вероятность химического
взаимодействия частиц плазмы с материалом травимого слоя, что приводит к
появлению бочкообразного профиля травления. К появлению данной формы
профиля также может способствовать избыточное содержание в газовой смеси
кислорода, который снижает вероятность образования защитной пленки на
боковых стенках структуры и повышает концентрацию в газовой фазе разряда
химически активных травящих частиц. (Например фтора при травлении слоев
поликристаллического кремния во фторсодержащей плазме).
На рисунке f) показан профиль, который может образоваться при
переотражении ионного потока от боковых стенок формируемой структуры и
перенаправлении этого потока в углы донной части. Это приводит к
интенсификации процесса травления в этих областях, что создает микроканавки в
донной части. Данный профиль может наблюдаться также из-за локальной
неоднородности потока пассивирующих частиц в донной части создаваемой
структуры.
На рисунке g) показан случай , когда травление проходит в режиме малой
концентрации химически активных нейтральных частиц, что приводит к
замедлению скорости травления в углах донной части структуры и появлению
эффекта закругления дна.
профиля окна маски имеют наклон. В этом случае ионный поток, отражается от
этих стенок и распыляет пассивирующую пленку на боковых стенках
формируемой структуры. Это увеличивает вероятность химического
взаимодействия частиц плазмы с материалом травимого слоя, что приводит к
появлению бочкообразного профиля травления. К появлению данной формы
профиля также может способствовать избыточное содержание в газовой смеси
кислорода, который снижает вероятность образования защитной пленки на
боковых стенках структуры и повышает концентрацию в газовой фазе разряда
химически активных травящих частиц. (Например фтора при травлении слоев
поликристаллического кремния во фторсодержащей плазме).
На рисунке f) показан профиль, который может образоваться при
переотражении ионного потока от боковых стенок формируемой структуры и
перенаправлении этого потока в углы донной части. Это приводит к
интенсификации процесса травления в этих областях, что создает микроканавки в
донной части. Данный профиль может наблюдаться также из-за локальной
неоднородности потока пассивирующих частиц в донной части создаваемой
структуры.
На рисунке g) показан случай , когда травление проходит в режиме малой
концентрации химически активных нейтральных частиц, что приводит к
замедлению скорости травления в углах донной части структуры и появлению
эффекта закругления дна.
В силу своей природы плазма содержит заряженные частицы – положительно зараженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Эти заряженные
частицы приходя на обрабатываемую поверхность могут приводить к появлению больших электрических полей, что наблюдается в случаях когда заряд
на поверхности не может быть удален во внешнюю электрическую цепь или нейтрализован. Возникающие электрические поля могут приводить к
искажению параметров формируемых в плазме структур. Например будет происходить искажение траекторий ионного потока внутри наноструктур. Это
приводит к локальному вытравливанию участков профиля. Классическим примером данного эффекта является случай формирования поликремниевых
затворов, когда поликремний полностью удален и на поверхности нижележащего слоя окисла происходит накапливание заряда, который не может
быть нейтрализован. Появляющееся электрическое поле искажает траекторию ионного потока и возникает эффект «выемки» в донной части структуры.
Этот случай изображен на рисунке h) предыдущего слайда.
Lecture Notes on PRINCIPLES OF PLASMA PROCESSING Francis F. Chen Electrical Engineering Department Jane P. Chang Chemical Engineering
Department University of California, Los Angeles, Plenum/Kluwer Publishers 2002
Формирование «выемки»в конце процесса травления токопроводящего материала на изолирующем
материале.
частицы приходя на обрабатываемую поверхность могут приводить к появлению больших электрических полей, что наблюдается в случаях когда заряд
на поверхности не может быть удален во внешнюю электрическую цепь или нейтрализован. Возникающие электрические поля могут приводить к
искажению параметров формируемых в плазме структур. Например будет происходить искажение траекторий ионного потока внутри наноструктур. Это
приводит к локальному вытравливанию участков профиля. Классическим примером данного эффекта является случай формирования поликремниевых
затворов, когда поликремний полностью удален и на поверхности нижележащего слоя окисла происходит накапливание заряда, который не может
быть нейтрализован. Появляющееся электрическое поле искажает траекторию ионного потока и возникает эффект «выемки» в донной части структуры.
Этот случай изображен на рисунке h) предыдущего слайда.
Lecture Notes on PRINCIPLES OF PLASMA PROCESSING Francis F. Chen Electrical Engineering Department Jane P. Chang Chemical Engineering
Department University of California, Los Angeles, Plenum/Kluwer Publishers 2002
Формирование «выемки»в конце процесса травления токопроводящего материала на изолирующем
материале.
Transmission electron microscopy cross-sections of nanowire structure. (Reprinted from
Yang, F.-L., Lee, D.-H., Chen, H.-Y., Chang, C.-Y., Liu, S.-D., Huang, C.-C., Chung, T.-X. et al.,
IEEE
Symposium on VLSI Technology, 196, 2004. With permission. Copyright 2004 IEEE.)
Lg = 5 nm
10 nm
Yang, F.-L., Lee, D.-H., Chen, H.-Y., Chang, C.-Y., Liu, S.-D., Huang, C.-C., Chung, T.-X. et al.,
IEEE
Symposium on VLSI Technology, 196, 2004. With permission. Copyright 2004 IEEE.)
Lg = 5 nm
10 nm
Микрофотография профиля щелевой структуры с
осажденными тонкими слоями TaN/Ta/Cu.
осажденными тонкими слоями TaN/Ta/Cu.
Возможные повреждения структур, присущие плазменным процессам.
Тип
повреждений
Основная
причина
Присутствие эффекта
при травлении или
осаждении
Затрагиваемые
материалы
Осадочные
загрязнения
Воздействие
плазмы
Обычно только при
травлении благодаря
реакции
взаимодействия
побочных продуктов на
поверхности
Все
Образование
новых
химических
соединений в
результате
взаимодействия
элементов
обрабатываемой
структуры
между собой
или с
плазменными
частицами.
Образование под
воздействием
плазмы
приповерхностно
го реакционного
слоя,
насыщенного
распыленными
элементами
структуры,
вступающими во
взаимодействие
между собой и
элементами
плазмы.
Травление, осаждение Все
Тип
повреждений
Основная
причина
Присутствие эффекта
при травлении или
осаждении
Затрагиваемые
материалы
Осадочные
загрязнения
Воздействие
плазмы
Обычно только при
травлении благодаря
реакции
взаимодействия
побочных продуктов на
поверхности
Все
Образование
новых
химических
соединений в
результате
взаимодействия
элементов
обрабатываемой
структуры
между собой
или с
плазменными
частицами.
Образование под
воздействием
плазмы
приповерхностно
го реакционного
слоя,
насыщенного
распыленными
элементами
структуры,
вступающими во
взаимодействие
между собой и
элементами
плазмы.
Травление, осаждение Все
Вызванное
плазмой
проникновение
частиц
Воздействие
плазмы
Травление, осаждение
Диэлектрики и
полупроводник
и
Разрушение
связей
Бомбардировка
фотонами и
частицами
плазмы
Травление, осаждение
Диэлектрики и
полупроводник
и
Токовые
повреждения
Токи,
возникающие в
течение
плазменной
обработки из-за
образования
зарядов или
индуцированные
токи
Травление, осаждение Диэлектрики
плазмой
проникновение
частиц
Воздействие
плазмы
Травление, осаждение
Диэлектрики и
полупроводник
и
Разрушение
связей
Бомбардировка
фотонами и
частицами
плазмы
Травление, осаждение
Диэлектрики и
полупроводник
и
Токовые
повреждения
Токи,
возникающие в
течение
плазменной
обработки из-за
образования
зарядов или
индуцированные
токи
Травление, осаждение Диэлектрики
Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing J Reece Roth Department of Electrical and Computer
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Элементы Фториды
Температура
кипения (C)
Хлориды
Температура
кипения (ºC)
Бромиды
Температура
кипения (ºC)
Гидриды
Температура
кипения (ºC)
Al AlF
3 1297 (subl.) AlCl
3 178 (subl.) AlBr
3 263
As AsF
3 -63 AsCl
3 130.2 AsBr
3 221 AsH
3 -55
AsF
5 -53 AsBr
5
C CF
4 -128 CCl
4 77 CBr
4 189 CH
4 -164
Cr CrF
2 >1300 CrO
2Cl
2 117 CrBr
2 842
Cu CuF 1100(subl.) CuCl 1490 CuBr 1345
CuF
2 950 CuCl
2 993
Ga GaF
3 1000 GaCl
3 201/3 GaBr
3 278/8 Ga(CH
3)
3 134
Ge GeF
4 -37(subl.) GeCl
4 84 GeBr
4 186.5 GeH
4 -88.5
In InF
3 >1200 InCl
3 300(subl.) In(CH
3
)
3 55.7
Mo MoF
5 213.6 MoCl
5 268
MoF
6 35 MoOCL
3 100(subl,)
MoO
2
F
2 270(subl.)
MoOF
4 180
P PF
3 -101.5 PCl
3 75 PBr
3 172.9 PH
3 -87.7
PF
5 -75 PCl
5 162(subl.) PBr
5 106
Si SiF
4 -86 SiCl
4 57.6 SiBr
4 154 SiH
4 -111.8
Ta TaF
5 229.5 TaCl
5 242 TaBr
5 348.8
Ti TiF
4 284(subl.) TiCl
4 136.4 TiBr
4 230
W WF
6 17.5 WCl
6 346.7
WOF
4 187.5 WCl
5 275.6 WBr
5 333
WOCl
4 227.5 WOBr
4 327
Перечень различных соединений, которые могут образовываться
на поверхности структур при их взаимодействии с плазменными частицами
Температура
кипения (C)
Хлориды
Температура
кипения (ºC)
Бромиды
Температура
кипения (ºC)
Гидриды
Температура
кипения (ºC)
Al AlF
3 1297 (subl.) AlCl
3 178 (subl.) AlBr
3 263
As AsF
3 -63 AsCl
3 130.2 AsBr
3 221 AsH
3 -55
AsF
5 -53 AsBr
5
C CF
4 -128 CCl
4 77 CBr
4 189 CH
4 -164
Cr CrF
2 >1300 CrO
2Cl
2 117 CrBr
2 842
Cu CuF 1100(subl.) CuCl 1490 CuBr 1345
CuF
2 950 CuCl
2 993
Ga GaF
3 1000 GaCl
3 201/3 GaBr
3 278/8 Ga(CH
3)
3 134
Ge GeF
4 -37(subl.) GeCl
4 84 GeBr
4 186.5 GeH
4 -88.5
In InF
3 >1200 InCl
3 300(subl.) In(CH
3
)
3 55.7
Mo MoF
5 213.6 MoCl
5 268
MoF
6 35 MoOCL
3 100(subl,)
MoO
2
F
2 270(subl.)
MoOF
4 180
P PF
3 -101.5 PCl
3 75 PBr
3 172.9 PH
3 -87.7
PF
5 -75 PCl
5 162(subl.) PBr
5 106
Si SiF
4 -86 SiCl
4 57.6 SiBr
4 154 SiH
4 -111.8
Ta TaF
5 229.5 TaCl
5 242 TaBr
5 348.8
Ti TiF
4 284(subl.) TiCl
4 136.4 TiBr
4 230
W WF
6 17.5 WCl
6 346.7
WOF
4 187.5 WCl
5 275.6 WBr
5 333
WOCl
4 227.5 WOBr
4 327
Перечень различных соединений, которые могут образовываться
на поверхности структур при их взаимодействии с плазменными частицами
Особенности свойств газовой фазы разряда в
многокомпонентных газовых смесях
Для проведения исследований использовалась экспериментальная установка плазмохимического
травления с реактором диодного типа. Электроды были выполнены из анодированного
алюминия, реакционная камера — из кварца. Межэлектродное расстояние составляло 25 мкм.
Для формирования реакционной смеси использовали следующие компоненты: CF
4
, SF
6
, CCL
4
,
O
2
, Ar, He. Спектр излучения ВЧ- разряда в области длин волн 200—850 нм регистрировали
фотоэлектрическим методом с использованием монохроматора МДР-23. Приемниками
излучения служили ФЭУ-39 и ФЭУ-79. Спектры идентифицировали с помощью таблиц.
Для регистрации изменения внутренних параметров плазмы в процессе травления в
плазмообразующую смесь вводили аргон или гелий в количестве не более 5% от общего
объемного расхода газов. Элементный состав поверхности кремния, обработанного в разряде,
определяли с помощью Оже-спектроскопии. Анализ химических связей элементов, находящихся
на обработанной поверхности кремния, проводили с помощью фотоэлектронной рентгеновской
спектроскопии.
Изучали кинетику травления монокристаллического кремния марки КЭФ (7,5) и
поликристаллического кремния, нанесенного на подслой термического окисла кремния.
Толщина слоя поликристаллического кремния составляла 0,6 мкм, а толщина слоя термического
окисла кремния — 0,3 мкм.
многокомпонентных газовых смесях
Для проведения исследований использовалась экспериментальная установка плазмохимического
травления с реактором диодного типа. Электроды были выполнены из анодированного
алюминия, реакционная камера — из кварца. Межэлектродное расстояние составляло 25 мкм.
Для формирования реакционной смеси использовали следующие компоненты: CF
4
, SF
6
, CCL
4
,
O
2
, Ar, He. Спектр излучения ВЧ- разряда в области длин волн 200—850 нм регистрировали
фотоэлектрическим методом с использованием монохроматора МДР-23. Приемниками
излучения служили ФЭУ-39 и ФЭУ-79. Спектры идентифицировали с помощью таблиц.
Для регистрации изменения внутренних параметров плазмы в процессе травления в
плазмообразующую смесь вводили аргон или гелий в количестве не более 5% от общего
объемного расхода газов. Элементный состав поверхности кремния, обработанного в разряде,
определяли с помощью Оже-спектроскопии. Анализ химических связей элементов, находящихся
на обработанной поверхности кремния, проводили с помощью фотоэлектронной рентгеновской
спектроскопии.
Изучали кинетику травления монокристаллического кремния марки КЭФ (7,5) и
поликристаллического кремния, нанесенного на подслой термического окисла кремния.
Толщина слоя поликристаллического кремния составляла 0,6 мкм, а толщина слоя термического
окисла кремния — 0,3 мкм.
Изменения интенсивности свечения некоторых компонентов разряда в
процессе травления слоя поликристаллического кремния (1—6) и
монокристаллического кремния (кривая 7).
Парциальные давления компонентов парогазовой смеси в реакторе в
данном случае составляли : P
CF4=6,6 Па; .P
CCl4=13,3 Па; P
O2==6,6 Па; P
Ar
==5,3 Па. Мощность разряда поддерживали на уровне 600 Вт.
1- изменение интенсивности излучения
полосы СО, длина волны =519,8 нм;
2- линия излучения гелия =588,3 нм;
3 –изменение интенсивности излучения
полосы CCl, = 460 нм;
4 - изменение интенсивности
излучения полосы CCl, = 258 нм,
5 – изменение интенсивности
излучения линии Ar, = 750,3 нм;
6- изменение интенсивности излучения
линии Cl, = 725 нм;
7 - изменение интенсивности
излучения линии Cl, = 725 нм для
случая травления
монокристаллического кремния при
заниженной скорости откачки.
процессе травления слоя поликристаллического кремния (1—6) и
монокристаллического кремния (кривая 7).
Парциальные давления компонентов парогазовой смеси в реакторе в
данном случае составляли : P
CF4=6,6 Па; .P
CCl4=13,3 Па; P
O2==6,6 Па; P
Ar
==5,3 Па. Мощность разряда поддерживали на уровне 600 Вт.
1- изменение интенсивности излучения
полосы СО, длина волны =519,8 нм;
2- линия излучения гелия =588,3 нм;
3 –изменение интенсивности излучения
полосы CCl, = 460 нм;
4 - изменение интенсивности
излучения полосы CCl, = 258 нм,
5 – изменение интенсивности
излучения линии Ar, = 750,3 нм;
6- изменение интенсивности излучения
линии Cl, = 725 нм;
7 - изменение интенсивности
излучения линии Cl, = 725 нм для
случая травления
монокристаллического кремния при
заниженной скорости откачки.
Частица , нм I, отн. ед.Частица , нм I, отн. ед.
СС1 258 7 С
2 509,7 5
N
2 281,9 4 С
2 516,5 4
СС1 306 3 СО 519,5 5
Cl 434,3 4 О 533 3
Cl 436,3 8 С1
+
539,2 3
СО 451,3 5 О 615,8 3
Cl 452 14 N
2 652,2 3
СС1 460 3 Cl 725,6 19
СО 483,5 6 Ar 750,3 10
С1
+
491,3 5 О 777 3
С
2 495,5 1 Cl 821 5
Интенсивность полос и линий излучения
частиц при травлении кремния
СС1 258 7 С
2 509,7 5
N
2 281,9 4 С
2 516,5 4
СС1 306 3 СО 519,5 5
Cl 434,3 4 О 533 3
Cl 436,3 8 С1
+
539,2 3
СО 451,3 5 О 615,8 3
Cl 452 14 N
2 652,2 3
СС1 460 3 Cl 725,6 19
СО 483,5 6 Ar 750,3 10
С1
+
491,3 5 О 777 3
С
2 495,5 1 Cl 821 5
Интенсивность полос и линий излучения
частиц при травлении кремния
Элемент Ат. % Элемент Ат. %
Si 28,9 N 2,4
А1 13,0 С 7,1
F 12,0 Cl 1,7
O 34,9
Элементный состав частиц на поверхности
образца кремния после травления
Si 28,9 N 2,4
А1 13,0 С 7,1
F 12,0 Cl 1,7
O 34,9
Элементный состав частиц на поверхности
образца кремния после травления
Отсутствие линий возбужденного фтора говорит о том, что его
концентрация в разряде смеси SF
6
+CCl
4
+O
2
(как и в разряде смеси
CF
4
+CCl
4
+O
2
) весьма мала (<1%). Однако, на поверхности кремния фтор
обнаружен в достаточно больших количествах, что, по-видимому, связано
с процессами поверхностной диссоциации соединений типа CF
x
.
При изучении влияния добавок СС1
4
на свойства исследуемой парогазовой
смеси установлено, что постепенное введение паров ССl
4
в разряд смеси
CF
4
+0
2
вызывает резкое снижение интенсивности линии возбужденного
фтора (703 нм), которая при расходе паров СС1
4 ~5% от общего расхода
смеси газов практически не фиксируется (оставаясь на уровне фонового
излучения). Снижение I
F
при этом происходит намного быстрее, чем I
Аг
(750,3 нм), что говорит об уменьшении концентрации свободного фтора в
разряде. Возможно, что этот факт связан с реакциями замещения типа
CCL
4+FCCL
3F+Cl.
концентрация в разряде смеси SF
6
+CCl
4
+O
2
(как и в разряде смеси
CF
4
+CCl
4
+O
2
) весьма мала (<1%). Однако, на поверхности кремния фтор
обнаружен в достаточно больших количествах, что, по-видимому, связано
с процессами поверхностной диссоциации соединений типа CF
x
.
При изучении влияния добавок СС1
4
на свойства исследуемой парогазовой
смеси установлено, что постепенное введение паров ССl
4
в разряд смеси
CF
4
+0
2
вызывает резкое снижение интенсивности линии возбужденного
фтора (703 нм), которая при расходе паров СС1
4 ~5% от общего расхода
смеси газов практически не фиксируется (оставаясь на уровне фонового
излучения). Снижение I
F
при этом происходит намного быстрее, чем I
Аг
(750,3 нм), что говорит об уменьшении концентрации свободного фтора в
разряде. Возможно, что этот факт связан с реакциями замещения типа
CCL
4+FCCL
3F+Cl.
Фотоэлектронная рентгеновская спектроскопия,
проведенная для анализа связей углерода и фтора, показала,
что:
•при малой концентрации углерода на поверхности кремния
углерод и фтор связаны с кремнием (при концентрации
углерода ~7,1
ат.%
).
•При дальнейшем увеличении концентрации углерода его
структура становится близкой к графиту (концентрация
углерода ~18,8 ат.%).
•При концентрации углерода более 18% появляются связи C—F.
При этом связь C—F появляется уже после того, как на
поверхности выросла почти сплошная углеродная пленка и
образование связи Si—F становится невозможным.
проведенная для анализа связей углерода и фтора, показала,
что:
•при малой концентрации углерода на поверхности кремния
углерод и фтор связаны с кремнием (при концентрации
углерода ~7,1
ат.%
).
•При дальнейшем увеличении концентрации углерода его
структура становится близкой к графиту (концентрация
углерода ~18,8 ат.%).
•При концентрации углерода более 18% появляются связи C—F.
При этом связь C—F появляется уже после того, как на
поверхности выросла почти сплошная углеродная пленка и
образование связи Si—F становится невозможным.
0
20
40
60
80
100
0 1 2 3 4 5 6 7
Расход O2,отн.ед.
Vтр,нм/мин
20
60
100
140
0 2 4 6 8 10
Расход CCl
4
,отн.ед.
Vтр,нм/мин
Изменение скоростей
травления Si (1) и SiO
2
(2) при
увеличении содержания
кислорода в смеси
CF
4
+CCL
4
+O
2
Изменение скоростей
травления Si (1) и SiO2
(2)при увеличении
содержания СС14 в смеси
CF4+CCL4+O2
20
40
60
80
100
0 1 2 3 4 5 6 7
Расход O2,отн.ед.
Vтр,нм/мин
20
60
100
140
0 2 4 6 8 10
Расход CCl
4
,отн.ед.
Vтр,нм/мин
Изменение скоростей
травления Si (1) и SiO
2
(2) при
увеличении содержания
кислорода в смеси
CF
4
+CCL
4
+O
2
Изменение скоростей
травления Si (1) и SiO2
(2)при увеличении
содержания СС14 в смеси
CF4+CCL4+O2
Номер и состав смеси при ПО
Концентрация элемента ат%
Si Al F O N C Cl
1. CHF
3
+O
2 31,22,1 0,849,82,3 13,8 0
2. CHF
3
+O
2
+CCl
4 35,20,3 1,345,82,2 13,6 1,6
3. CF
4
+O
2
+CCl
4 43,50,3 2,141,52,4 8,7 1,5
Не обработанная пластина 38,5 0 0 51,3 0 10,2 0
Химический состав поверхности кремния,
прошедшей плазменную обработку (ПО)
Изучение химического состава примесей, остающихся на поверхности обработанных в плазме пластин
кремния проводилось с использованием Оже- спектрометрии, рентгеновской фотоэлектронной
спектроскопии (РФС). Оже –спектры снимались с поверхности кремниевых пластин в режиме растра.
Концентрация элемента ат%
Si Al F O N C Cl
1. CHF
3
+O
2 31,22,1 0,849,82,3 13,8 0
2. CHF
3
+O
2
+CCl
4 35,20,3 1,345,82,2 13,6 1,6
3. CF
4
+O
2
+CCl
4 43,50,3 2,141,52,4 8,7 1,5
Не обработанная пластина 38,5 0 0 51,3 0 10,2 0
Химический состав поверхности кремния,
прошедшей плазменную обработку (ПО)
Изучение химического состава примесей, остающихся на поверхности обработанных в плазме пластин
кремния проводилось с использованием Оже- спектрометрии, рентгеновской фотоэлектронной
спектроскопии (РФС). Оже –спектры снимались с поверхности кремниевых пластин в режиме растра.
0
5
10
15
20
0 5 10
Время обработки,мин
С
, а
т
%
1
2
3
4
30
35
40
45
50
55
0 5 10 15
Время обработки, мин
О
,
а
т
%
4
1
2
3
Номер и состав смеси при
ПО
1. CHF
3+O
2
2. CHF
3
+O
2
+CCl
4
3. CF
4
+O
2
+CCl
4
Не обработанная пластина
5
10
15
20
0 5 10
Время обработки,мин
С
, а
т
%
1
2
3
4
30
35
40
45
50
55
0 5 10 15
Время обработки, мин
О
,
а
т
%
4
1
2
3
Номер и состав смеси при
ПО
1. CHF
3+O
2
2. CHF
3
+O
2
+CCl
4
3. CF
4
+O
2
+CCl
4
Не обработанная пластина
0
5
10
15
0 2 4 6 8 10 12
Время обработки
F
,
а
т
% 1
2
3
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 5 10
время обработки, мин
C
l,
а
т
%
2
3
Номер и состав смеси при ПО
1. CHF
3
+O
2
2. CHF
3+O
2+CCl
4
3. CF
4
+O
2
+CCl
4
Не обработанная пластина
5
10
15
0 2 4 6 8 10 12
Время обработки
F
,
а
т
% 1
2
3
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 5 10
время обработки, мин
C
l,
а
т
%
2
3
Номер и состав смеси при ПО
1. CHF
3
+O
2
2. CHF
3+O
2+CCl
4
3. CF
4
+O
2
+CCl
4
Не обработанная пластина
Поверхность кремния насыщается атомами
галогенов при одновременном снижении
поверхностной концентрации кислорода.
Последнее, по всей видимости, связано
замедлением скорости роста естественного
окисла на галогенизированной поверхности
кремния. Также для различных газовых
составов обнаруживается значительное
различие в поверхностной концентрации
углерода. Значительное увеличение
углеродной концентрации наблюдается для
смесей содержащих водород, что хорошо
согласуется с известными данными
галогенов при одновременном снижении
поверхностной концентрации кислорода.
Последнее, по всей видимости, связано
замедлением скорости роста естественного
окисла на галогенизированной поверхности
кремния. Также для различных газовых
составов обнаруживается значительное
различие в поверхностной концентрации
углерода. Значительное увеличение
углеродной концентрации наблюдается для
смесей содержащих водород, что хорошо
согласуется с известными данными
Было установлено, что:
•увеличение времени межоперационного хранения (после ПХО поверхности) до 2-4 часов не
приводит к увеличению в Оже-спектре пиков кислорода и углерода. Концентрация этих
элементов остается такой же, как и непосредственно после ПХО (20-30 ат % для кислорода и 7-9
ат % для углерода). Это говорит о том, что поверхность кремния хорошо пассирована и
защищена от воздействия окружающей среды. Естественный окисел на поверхности этих
пластин имеет толщину h ~ 2 нм. В то же время, на пластинах кремния, прошедших ЖХО
обнаруживается окисел толщиной 3-4 нм.
•в результате проведения ПХО поверхности кремния удаляется естественный окисел и часть
нарушенного слоя кремния. По сравнению с ЖХО наблюдается снижение поверхностных
концентраций атомов О и С. Это связано с тем, что после ПХО поверхность пластин пассирована
атомами галогенов и оказывается устойчивой к воздействию окружающей среды во время
межоперационного хранения.
•Загрязнение поверхности кремния атомами алюминия, в силу распыления материала электродов,
происходит менее интенсивно в хлорсодержащих составах плазмы, чему способствует
образование летучего соединения AlCl
3
.
•На поверхности кремния алюминий находится в связанном состоянии, образуя устойчивое
соединение с фтором AlF
3
.
•Поверхность кремния после проведения ПХО оказывается насыщенной атомами фтора, хлора,
углерода. При этом, в случае малой концентрации углерода на поверхности кремния (менее 10 ат
%), это дает положительный эффект, в силу того, что углерод находится на поверхности в
атомарной виде (не образуя полимерных пленок), способствует пассивации поверхности и легко
удаляется с нее во время операции термического окисления с образованием летучих CO и CO
2
.
•Остающиеся на поверхности кремния и связанные с ней атомы фтора и хлора дополнительно
пассивируют обработанную поверхность на время межоперационного хранения.
•увеличение времени межоперационного хранения (после ПХО поверхности) до 2-4 часов не
приводит к увеличению в Оже-спектре пиков кислорода и углерода. Концентрация этих
элементов остается такой же, как и непосредственно после ПХО (20-30 ат % для кислорода и 7-9
ат % для углерода). Это говорит о том, что поверхность кремния хорошо пассирована и
защищена от воздействия окружающей среды. Естественный окисел на поверхности этих
пластин имеет толщину h ~ 2 нм. В то же время, на пластинах кремния, прошедших ЖХО
обнаруживается окисел толщиной 3-4 нм.
•в результате проведения ПХО поверхности кремния удаляется естественный окисел и часть
нарушенного слоя кремния. По сравнению с ЖХО наблюдается снижение поверхностных
концентраций атомов О и С. Это связано с тем, что после ПХО поверхность пластин пассирована
атомами галогенов и оказывается устойчивой к воздействию окружающей среды во время
межоперационного хранения.
•Загрязнение поверхности кремния атомами алюминия, в силу распыления материала электродов,
происходит менее интенсивно в хлорсодержащих составах плазмы, чему способствует
образование летучего соединения AlCl
3
.
•На поверхности кремния алюминий находится в связанном состоянии, образуя устойчивое
соединение с фтором AlF
3
.
•Поверхность кремния после проведения ПХО оказывается насыщенной атомами фтора, хлора,
углерода. При этом, в случае малой концентрации углерода на поверхности кремния (менее 10 ат
%), это дает положительный эффект, в силу того, что углерод находится на поверхности в
атомарной виде (не образуя полимерных пленок), способствует пассивации поверхности и легко
удаляется с нее во время операции термического окисления с образованием летучих CO и CO
2
.
•Остающиеся на поверхности кремния и связанные с ней атомы фтора и хлора дополнительно
пассивируют обработанную поверхность на время межоперационного хранения.
После проведения операций нанесения металла,
фотолитографии по металлу, травления металла (жидкостного
химического травления) проводилось термокомпрессионное
присоединение гибких выводов к контактным площадкам,
размер которых составлял 150 150 мкм. Термокомпрессия
проводилась на установке ЭМ - 439А. Режим
термокомпрессионной сварки был следующий: температура
нагрева столика Т = 120
0
С. Диаметр шарика равнялся 1,5 - 3
диаметра проволоки (исходный размер золотой проволоки
равнялся 30 мкм).
Прочность сварного соединения на отрыв определялась с
помощью приспособления ЩИП - 2460. Метод контроля был
основан на измерении разрушающей нагрузки и определения
характера разрушений соединений, выполненных с
использованием термокомпрессионной сварки.
фотолитографии по металлу, травления металла (жидкостного
химического травления) проводилось термокомпрессионное
присоединение гибких выводов к контактным площадкам,
размер которых составлял 150 150 мкм. Термокомпрессия
проводилась на установке ЭМ - 439А. Режим
термокомпрессионной сварки был следующий: температура
нагрева столика Т = 120
0
С. Диаметр шарика равнялся 1,5 - 3
диаметра проволоки (исходный размер золотой проволоки
равнялся 30 мкм).
Прочность сварного соединения на отрыв определялась с
помощью приспособления ЩИП - 2460. Метод контроля был
основан на измерении разрушающей нагрузки и определения
характера разрушений соединений, выполненных с
использованием термокомпрессионной сварки.
3
3,5
4
4,5
5
5,5
0 10 20 30 40 50
F
о
т
р
,
1
0
6
н
/
м
2
Расход газа, см
3
/мин
1
2
3
4
ПГС CF
4
+CCl
4
+O
2
. Расход кислорода всегда оставался постоянным и поддерживался на уровне 15 см
3
/мин.
Ток разряда был зафиксирован на уровне 1А. При этом кривые 1 и 2 на рис. соответствуют случаю изменения
расхода паров CCl
4 при значениях расходов CF
4 и кислорода соответственно, 40 см
3
/мин и 15 см
3
/мин. Кривая
1 получена для слоя р
+
- кремния, а кривая 2 - для слоя n
+
- кремния. Кривые 3 и 4 соответствуют случаю
изменения расхода CF4 при расходе паров CCl
4
и кислорода, соответственно 10 см
3
/мин и 15 см
3
/мин. Кривая
3 получена для слоя р
+
- кремния, а кривая 4 - для слоя n
+
- кремния. Время обработки равнялось 15, давление
изменялось в диапазоне 30 - 40 Па.
3,5
4
4,5
5
5,5
0 10 20 30 40 50
F
о
т
р
,
1
0
6
н
/
м
2
Расход газа, см
3
/мин
1
2
3
4
ПГС CF
4
+CCl
4
+O
2
. Расход кислорода всегда оставался постоянным и поддерживался на уровне 15 см
3
/мин.
Ток разряда был зафиксирован на уровне 1А. При этом кривые 1 и 2 на рис. соответствуют случаю изменения
расхода паров CCl
4 при значениях расходов CF
4 и кислорода соответственно, 40 см
3
/мин и 15 см
3
/мин. Кривая
1 получена для слоя р
+
- кремния, а кривая 2 - для слоя n
+
- кремния. Кривые 3 и 4 соответствуют случаю
изменения расхода CF4 при расходе паров CCl
4
и кислорода, соответственно 10 см
3
/мин и 15 см
3
/мин. Кривая
3 получена для слоя р
+
- кремния, а кривая 4 - для слоя n
+
- кремния. Время обработки равнялось 15, давление
изменялось в диапазоне 30 - 40 Па.
Качественный контакт алюминиевой пленки к поверхности кремния может быть получен в том
случае, когда эта поверхность перед нанесением алюминия была очищена от посторонних
промежуточных слоев, естественного окисла, адсорбированных на поверхности паров воды,
углеродных загрязнений. Кроме этого, адгезия алюминиевой пленки к поверхности кремния
может быть увеличена, если предварительно ей был придан определенный уровень
шероховатости.
Введение в разряд CF
4
/O
2
паров CCl
4
приводит к снижению скоростей травления кремния и
окисла кремния. В данном случае (кр. 1 и 2), при увеличении расхода паров CCl
4 в исследуемой
ПГС, все большая часть от общего времени обработки поверхности будет затрачиваться на
стравливание естественного окисла (увеличение доли CCl
4
в общем составе смеси CF
4
+CCl
4
+O
2
,
приводит к достаточно резкому снижению скорости травления окисла кремния).
Соответственно, снижается степень воздействия ПХО на морфологию обрабатываемой
поверхности кремния, что приводит к уменьшению эффективной удельной площади контакта
алюминий - кремний. При этом также происходит увеличение поверхностной концентрации
углерода. В результате наблюдается снижение величины F
отр (кр. 1 - слой р
+
- кремния, кр. 2 -
слой n
+
- кремния) .
С другой стороны, увеличение CF
4
в ПГС приводит к возрастанию скоростей травления и окисла
кремния (например, скорость травления р
+
- слоя кремния в данном случае возрастает с 50
нм/мин до 250 нм/мин). Соответствующее увеличение степени шероховатости обработанной в
плазме поверхности вызывает возрастание величины F
отр
(кр.3- p
+
-Si, кр.4 – n
+-
Si).
случае, когда эта поверхность перед нанесением алюминия была очищена от посторонних
промежуточных слоев, естественного окисла, адсорбированных на поверхности паров воды,
углеродных загрязнений. Кроме этого, адгезия алюминиевой пленки к поверхности кремния
может быть увеличена, если предварительно ей был придан определенный уровень
шероховатости.
Введение в разряд CF
4
/O
2
паров CCl
4
приводит к снижению скоростей травления кремния и
окисла кремния. В данном случае (кр. 1 и 2), при увеличении расхода паров CCl
4 в исследуемой
ПГС, все большая часть от общего времени обработки поверхности будет затрачиваться на
стравливание естественного окисла (увеличение доли CCl
4
в общем составе смеси CF
4
+CCl
4
+O
2
,
приводит к достаточно резкому снижению скорости травления окисла кремния).
Соответственно, снижается степень воздействия ПХО на морфологию обрабатываемой
поверхности кремния, что приводит к уменьшению эффективной удельной площади контакта
алюминий - кремний. При этом также происходит увеличение поверхностной концентрации
углерода. В результате наблюдается снижение величины F
отр (кр. 1 - слой р
+
- кремния, кр. 2 -
слой n
+
- кремния) .
С другой стороны, увеличение CF
4
в ПГС приводит к возрастанию скоростей травления и окисла
кремния (например, скорость травления р
+
- слоя кремния в данном случае возрастает с 50
нм/мин до 250 нм/мин). Соответствующее увеличение степени шероховатости обработанной в
плазме поверхности вызывает возрастание величины F
отр
(кр.3- p
+
-Si, кр.4 – n
+-
Si).
Остановка травления при травлении окисла в результате интенсивной
полимеризации при травлении в смеси C4F8 во время формирования
самосовмещенного контакта. (б) – исключение эффекта «стоп-
травления» при добавке кислорода.
полимеризации при травлении в смеси C4F8 во время формирования
самосовмещенного контакта. (б) – исключение эффекта «стоп-
травления» при добавке кислорода.
Поперечное сечение нижней части канавки с подтравом, вызванным
переотражением ионов от заряженных стенок.
переотражением ионов от заряженных стенок.
Селективное плазменное травление нитрида для формирования
нитридного спейсера.
нитридного спейсера.
Микрофотография самосовмещенного контакта, вытравленного в системе
высокоплотной плазмы, иллюстрирующая низкую селективность на углах
структуры при понижении концентрации C
4
F
8
.
высокоплотной плазмы, иллюстрирующая низкую селективность на углах
структуры при понижении концентрации C
4
F
8
.
Микроснимок поперечного сечения щелей различной ширины,
протравленных в DRM системе в течение восьми минут.
Наблюдается снижение глубины щелей с высоким аспектным
соотношением из-за эффекта «задержки РИТ».
протравленных в DRM системе в течение восьми минут.
Наблюдается снижение глубины щелей с высоким аспектным
соотношением из-за эффекта «задержки РИТ».
Схематичное изображение щелевого конденсатора,
используемого в 256 Мгб ДОЗУ.
используемого в 256 Мгб ДОЗУ.
Вариации формы канавки для различных поколений ДОЗУ, приводящие к 10% изменениям площади
конденсатора, вызываемым отклонением параметров от их номинальных величин. Экстраполированные величины
показаны для 1 Гб. и 4 Гб. ДОЗУ.
Поколе
ние
ДОЗУ
Параметр
Ширина
w, нм
Глубина
d2
нижней
части,
мкм
Верхний
конусный
угол
,
град
Нижний
конусный
угол
,
град
Площадь
нижней
части,
мкм2
С, fF С, fF
256 Мб.
Номинальн
ое
отклонение
380
26 6,2
0,75 88,4
0,5 89,65
0,24 6,84
10% 47 62
1 Гб.
Номинальн
ое
отклонение
269
20
5,94
0,7
2
88,65
0,54 89,75
0,19 4,89
10% 34 45
4 Гб.
Номинальн
ое
отклонение
190
14
5,85
0,7
1
88,8
0,55 89,8
0,14 3,44
10% 24 31
конденсатора, вызываемым отклонением параметров от их номинальных величин. Экстраполированные величины
показаны для 1 Гб. и 4 Гб. ДОЗУ.
Поколе
ние
ДОЗУ
Параметр
Ширина
w, нм
Глубина
d2
нижней
части,
мкм
Верхний
конусный
угол
,
град
Нижний
конусный
угол
,
град
Площадь
нижней
части,
мкм2
С, fF С, fF
256 Мб.
Номинальн
ое
отклонение
380
26 6,2
0,75 88,4
0,5 89,65
0,24 6,84
10% 47 62
1 Гб.
Номинальн
ое
отклонение
269
20
5,94
0,7
2
88,65
0,54 89,75
0,19 4,89
10% 34 45
4 Гб.
Номинальн
ое
отклонение
190
14
5,85
0,7
1
88,8
0,55 89,8
0,14 3,44
10% 24 31
SF
6
/O
2
крио процесс с использованием
наноимпринт литографии. Суб-20 нм область.
6
/O
2
крио процесс с использованием
наноимпринт литографии. Суб-20 нм область.
26 нм элемент поликремния, протравленный с
высокой селективностью по отношению к
подзатворному окислу. 3 стадии травления:
«пробивание окисла», анизотропная стадия,
высокоселективный дотрав. 50нм/мин.
высокой селективностью по отношению к
подзатворному окислу. 3 стадии травления:
«пробивание окисла», анизотропная стадия,
высокоселективный дотрав. 50нм/мин.
27 нм линии в кремнии глубиной 450 нм.
1 мкм переходные контактные отверстия в
окисле кремния
окисле кремния
110 нм линии хрома.
100 нм линии. Аспектное отношение 10:1.
50 мкм элемент кремния.
50 мкм травление кремния с использованием
Bosch
Process
при изготовлении микромеханических
устройств
Bosch
Process
при изготовлении микромеханических
устройств
Травление кремния по РИТ технологии в
анизотропно-изотропном процессе для
формирования кантиливеров АСМ
анизотропно-изотропном процессе для
формирования кантиливеров АСМ
75 мкм травление кремния
400 мкм отверстие в кремнии, полученное по
технологии криогенного РИТ
технологии криогенного РИТ
Микрофотография поперечного сечения с трансмиссионного
электронного микроскопа (TEM) Al(Cu) проводника после
травления Cl
2
/HCl плазмой, сопровождаемой удалением резиста и
промывкой.
электронного микроскопа (TEM) Al(Cu) проводника после
травления Cl
2
/HCl плазмой, сопровождаемой удалением резиста и
промывкой.
Фотография полости в проводнике ("укус мыши") вызванной коррозией
проводника из Al(Cu).
проводника из Al(Cu).
Микрофотографии изотропных профилей травления
Si*: а) - W = 90 Вт, P = 45 Па, Q
SF6 = 3 л/ч, t = 40 с; б) -
W = 90 Вт, P = 45 Па, Q
SF6
= 3 л/ч, t = 55 с.
Si*: а) - W = 90 Вт, P = 45 Па, Q
SF6 = 3 л/ч, t = 40 с; б) -
W = 90 Вт, P = 45 Па, Q
SF6
= 3 л/ч, t = 55 с.
Микрофотографии нанопроволочной кремниевой
структуры (а) и чувствительного виброрезонансного
наноэлемента для атомных весов (б).
структуры (а) и чувствительного виброрезонансного
наноэлемента для атомных весов (б).
Зависимости скоростей травления Si*, SiO
2
и Si
3
N
4
от операционных параметров процесса: а) - от ВЧ-
мощности; б) – от давления; в) – от расхода SF
6.
Получение нанопроволочных структур
2
и Si
3
N
4
от операционных параметров процесса: а) - от ВЧ-
мощности; б) – от давления; в) – от расхода SF
6.
Получение нанопроволочных структур
Зависимости селективностей травления Si*/SiO
2
и Si*/Si
3
N
4
от операционных параметров процесса: а) от
ВЧ-мощности; б) – от давления; в) – от расхода SF
6.
Получение нанопроволочных структур
2
и Si*/Si
3
N
4
от операционных параметров процесса: а) от
ВЧ-мощности; б) – от давления; в) – от расхода SF
6.
Получение нанопроволочных структур
Схема типичного 0,25 мкм щелевого конденсатора ячейки ДОЗУ.
Поперечное сечение структуры самосовмещенного контакта.
Поперечное сечение структуры самосовмещенного контакта.
Линии шириной 22 нм протравленные в
кремнии через электронно-лучевой резист.
Аспектное отношение 7:1
кремнии через электронно-лучевой резист.
Аспектное отношение 7:1
Темы для рефератов:
1.Физико-химические свойства низкотемпературной
плазмы. Методы диагностики.
2.Физико-химическое воздействие НГП на обрабатываемую
поверхность.
3.Методы контроля окончания процесса травления
4.Влияние операционных параметров процесса травления на
результаты травления
5.Системы получения и контроля вакуума.
6.Состав и структура оборудования для травления
функциональных слоев ИМС в НГП .
7.Особенности травления: а) полупроводниковых, б)
диэлектрических и в)металлических слоев в НГП.
1.Физико-химические свойства низкотемпературной
плазмы. Методы диагностики.
2.Физико-химическое воздействие НГП на обрабатываемую
поверхность.
3.Методы контроля окончания процесса травления
4.Влияние операционных параметров процесса травления на
результаты травления
5.Системы получения и контроля вакуума.
6.Состав и структура оборудования для травления
функциональных слоев ИМС в НГП .
7.Особенности травления: а) полупроводниковых, б)
диэлектрических и в)металлических слоев в НГП.
Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing J Reece Roth Department of Electrical and Computer
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Nonthermal Plasma Processing J Reece Roth Department of Electrical and Computer
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Engineering University of Tennessee, Knoxville Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia
c IOP Publishing Ltd 2001.
Зависимость скорость РИТ SiO2 от скорости газового
потока
потока
Tags
Categories
GeneralDownload
Download Slideshow Get the original presentation fileQuick Actions
Statistics
- Views 2
- Slides 198
- Age 80 days
Related Slideshows
22
Pray For The Peace Of Jerusalem and You Will Prosper
RodolfoMoralesMarcuc
30 views
26
Don_t_Waste_Your_Life_God.....powerpoint
chalobrido8
32 views
31
VILLASUR_FACTORS_TO_CONSIDER_IN_PLATING_SALAD_10-13.pdf
JaiJai148317
30 views
14
Fertility awareness methods for women in the society
Isaiah47
29 views
35
Chapter 5 Arithmetic Functions Computer Organisation and Architecture
RitikSharma297999
26 views
5
syakira bhasa inggris (1) (1).pptx.......
ourcommunity56
28 views