Травление п/п ИМС

НТУУ “КПИ” РТФ

Доклад

тема: “Травление п/п ИМС”

Выполнил:

студент 2-го курса

группы РТ-22

Кираль С. О.

Kиев 2004

Введение

Одним из определяющих технологических процессов в микроэлектронике в течение более 40 лет продолжает оставаться литография. Литография или микролитография, а сейчас может быть уместно, говорить о нанолитографии, предназначена для создания топологического рисунка на поверхности монокристаллической кремниевой пластины. Базовый литографический процесс представлен на рис. 1 и включает в себя, по крайней мере, 10 ступеней. Темой нашей лекции будут только два этапа, связанные с непосредственным переносом изображения маски на поверхность полупроводниковой структуры (ступени 8 и 9).

1. подготовка поверхности (промывка и сушка)

2. нанесение резиста (тонкая пленка полимера наносится ценрифугированием)

3. сушка (удаление растворителя и перевод резиста в твердую растворимую фазу)

4. совмещение фотошаблона и экспонирование (положительный резист под действием света переходит в нерастворимую фазу)

5. проявление резиста (промывка в растворителе, удаляющем неэкспонированный резист)

6. стабилизирующий отжиг (удаление остатков растворителя)

7. контроль и исправление дефектов

8. травление (непосредственный перенос рисунка маски на поверхность полупроводниковой структуры)

9. удаление фоторезиста

10. финишный контроль

 

Рис. 1 10 ступеней литографического процесса

Долгие годы для проведения травления использовались различные влажные химические процессы (термин влажные подразумевает использование для травления полупроводниковых структур водных и безводных растворов химически активных компонентов). Однако необходимость непрерывного повышения степени интеграции и информационной емкости микросхем привело к тому, что влажные процессы не могли обеспечить необходимого разрешения.
Для демонстрации этого утверждения рассмотрим один из элементов таких широко применяемых микросхем как динамическую память с произвольным доступом (DRAM).

Благодаря тому, что новые поколения компьютеров требуют все большей и большей емкости память, а также тому, что в составе этих микросхем используются огромное количество однотипных элементов, эти микросхемы обладают наивысшей степенью интеграции

Рис. 2 ячейка памяти с trench конденсатором

На рис. 2 показана одна из ячеек памяти DRAM чипа разработанного фирмой IBM. В состав ячейки входят МОП транзистор и конденсатор для хранения информационного заряда. В данном случае конденсатор имеет конфигурацию так называемого траншейного (trench) конденсатора. Он имеет ширину 0,25 мкм и технология его изготовления включает несколько литографических операций с разрешением 0,15 мкм. Всего же для изготовления такой микросхемы необходимо более 20 литографических операций с травлением самых различных материалов: кремния, диоксида кремния двух типов, поликремния, алюминия или меди, вольфрама.

Влажные процессы травления имеют очень высокую селективность и с успехом ис-пользуются при изготовлении микросхем с размерами микронного масштаба. Однако при травлении линий с субмикронным разрешением и одновременно с высоким отношением высоты линии к ее ширине влажные процессы перестают работать. Можно выделить следующие причины, лимитирующие применение влажных процессов.
1. Размер рисунка не может быть меньше 2 мкм.
2. Влажное травление – изотропный процесс, что приводит к формированию рисунка с наклонными стенками.
3. Влажное травление требует многоступенчатой промывки и сушки.
4. Используемые химикаты, как правило, сильноядовиты и токсичны.
5. Влажные процессы вносят дополнительные загрязнения.
Все это привело к тому, что вначале 70 годов основным технологическим процессом травления стали различные формы плазменной обработки.
Обычно выделяют две разновидности плазменных процессов травления – непосредственно плазменные и ионнолучевые. Под плазменными понимаются процессы, в которых обрабатываемая подложка или ее держатель являются в той или иной мере элементами плазменного реактора и участвуют в ионизации рабочего газа. Так как удаляемые травлением слои, как правило, имеют высокое сопротивление (изоляторы или полупроводники), то для исключения зарядки поверхности используют высокочастотный разряд. В ионнолучевых процессах обработка подложек происходит потоком ионов или нейтральных частиц, образованных в автономном источнике.
На рис. 3 представлена классификация процессов, используемых в микроэлектронике для травления полупроводниковых структур.

Плазменное травление

В плазменном травлении, которое иногда называют физическим травлением, реализуется хорошо известный и широко применяемый (например, для осаждения тонких пленок) процесс катодного распыления подложки ионами инертного газа. Однако эта техника не получила широкого применения по причине низкой селективности процесса.
Высокая селективность достигается в реактивном плазменном процессе. Суть этой техники достаточно прозрачна. Различные формы разряда формируют в плазмообразующем газе химически активные частицы, которые, взаимодействуя с поверхностью полупроводника или металла, образуют легко летучие химические соединения, удаляемые вакуумной системой.


Рис. 3 классификация процессов травления в литографии

Первыми были разработаны реакторы цилиндрического типа (barrel etcher). В подобных реакторах обрабатываемые подложки помещаются в центре вакуумной камеры, а ВЧН-разряд создается внешней катушкой (см. рис.4).

Таблица 1. Материалы для которых необходимы процессы травления

Материал

Применение

Моно Si

Базовые кристаллы

Термическая SiO2

Маска при травлении Si

Химически осажденная SiO2

Подзатворный диэлектрик, изоляция между слоями

Si3N4

Маска в некоторых операциях травления, диэлектрик в структурах с накоплением заряда

Al, Cu, W

Металлизация

Сr

Фотошаблоны

Та, Ti, Mo

Подслой

Та2O5

Диэлектрик в структурах с накоплением заряда

TiN

Подслой

В таких реакторах ионы движутся не перпендикулярно к подложке, что приводит к изотропному травлению и формированию рисунка с наклонными стенками. Другим недостатком цилиндрических реакторов является то, что в подобных системах ионы приобретают достаточно высокую энергию. Это приводит к созданию различного рода радиационных дефектов в полупроводниковых структурах. Для снижения плотности дефектов в цилиндрических реакторах вводится дополнительная экранирую-щая сетка, которая изолирует зону разряда от обрабатываемых пластин (см. рис. 5). В этом случае реализуется так называемое радикальное травление – происходит химическое взаимодействие поверхностных слоев с электрически нейтральными реактивными свободными радикалами, всегда присутствующими в плазме используемых реактивных газов.
Цилиндрические реакторы широко применяются для создания микроструктур с низкой и средней степенью интеграции, когда размер топологических линий не превышает 1-2 мкм.

Рис. 4 цилиндрический плазменный реактор


Рис. 5 плазменный цилиндрический реактор с защитной сеткой

Для прецизионного травления былиразработаны планарные реакторы. Схема такого реактора представлена на рис.6. Полупроводниковая подложка располагается на плоском ВЧ электроде. Над ней размещается плоский заземленный электрод, который, как правило, снабжен сложной зонтичной системой подачи реактивного газа для увеличения однородности травления. В таких системах достигается предельная на сегодняшний день анизотропность травления, так как ионы движутся практически перпендикулярно к поверхности подложки. Для увеличения анизотропии травления в таких системах используют дополнительное смещение подложки постоянным напряжением. Производительность таких систем определяется плотностью плазмы и, следовательно, рабочим давлением. Стремление к снижению различных загрязнений требует работы при низких давлениях, это в свою очередь увеличивает длину свободного пробега электронов и снижает плотность ионов в плазме. Компромиссные рабочие режимы достигаются при давлениях в десятки миллиТорр.
Увеличение производительности планарных реакторов требует применения более сложных плазменных систем, в которых используются различные приемы увеличения плотности плазмы. В первую очередь разрабатывались реакторы, в которых для увеличения длины свободного пробега электронов вводится параллельное подложке магнитное поле. Такой тип разряда известен как разряд Пеннинга, магнетронный разряд или разряд в скрещенных электрических и магнитных полях. Действие силы Лоренца приводит к сложному криволи-нейному движению электронов вблизи рабочей поверхности, что увеличивает число актов ионизации и приводит к формированию плотного плазменного поля вблизи поверхности подложки.

Отметим, что применение таких систем для создания субмикронных рисунков выдвигает очень высокие требования к однородности магнитного поля.
Разработка новых плазменных систем для травления микроструктур продолжается по самым различным направлениям. Для получения плазмы высокой плотности, но горящей при низком давлении используется системы с СВЧ возбуждением разряда. При этом часто создаются сложные системы электрических и магнитных полей позволяющие реализовать режимы электронного циклотронного резонанса, возбуждения геликоидальных волн и т.д.

В настоящее время наиболее перспективным считаются системы, которые получили название реакторы с индуктивно-возбуждаемой плазмой (inductively coupled plasma, ICP etcher). Высокую анизотропию травления можно достичь в системах, когда ионы атакуют поверхность травления, двигаясь по перпендикулярным к ней направлениям. Такой режим легко реализуется в плазменных система с конденсаторным расположением электродов (Е-разряд), т.е. в обычных планарных реакторах (рис. 6).

Рис. 6 схема типичной конструкции планарного реактора
Однако более плотную плазму проще получить в индуктивно возбуждаемом разряде (Н-разряд). Разработчики технологического оборудования попытались совместить в одной системе оба типа разряда, что привело к соз-данию систем, схема которых представлена на рис. 7. Плазменное поле создается индуктивным ВЧ разрядом, возбуждаемым генератором 1. Частота генератора и конструкция катушки оптимизированы для получения плазмы высокой плотности. Реактивные ионы экстрагируются из плазменного поля ВЧ смещением поодложкодержателя с полупроводниковой пластиной, создаваемым генератором 2. Как правило, частота генератора 2 ниже частоты генератора 1 и она, наряду с амплитудой напряжения, определяет энергию ионов падающих на обрабатываемую пластину. Таким образом, в ICP реакторах возможно раздельное управление плотностью плазмы и энергией реактивных ионов. Отметим, что оптимизация энергии ионов возможна и в обычных планарных ректорах, в которых обычно осуществляется дополнительное смещение подложки источником постоянного напряжения. Меняя величину и полярность этого напряжения можно в определенных пределах изменять энергию ионов.


Обладая целым рядом преимуществ и удовлетворяя практически всем требованиям для прецизионного травления, ICP реакторы фактически являются стандартным оборудованием при производстве микросхем с субмикронным разрешением.

Анализ ключевых аспектов плазменного травления

Скорость травления. Скорость травления определяется многочисленными факторами, главными из которых являются: конфигурация плазменной системы, оптимальный выбор плазмообразующих газов, ВЧ мощность и рабочее давление. Как уже отмечалось выше, наиболее оптимальной является конструкция, обеспечивающая получение плазмы высокой плотности. Использование систем типа ICP реакторов с ВЧ генераторами с мощность от 0,5 до 2 кВт позволяет создать вблизи поверхности подложки плотность ионов от 3*1010 до 3*1012 см-3 . Рабочее давление влияет на скорость изотропность и однородность травления через изменение длины свободного пробега ионов. Высокое давление увиличивает однородность процесса, но приводит к изотропному травлению и снижению величины скорости процесса. Понижение давления улучшает разрешение процесса за счет усиления анизотропии процесса, увеличивает скорость травления, но увеличивает число радиационных повреждений в микроструктурах. В современных системах оптимальное давление лежит в пределах от 0,2 – 50 мТор.

Рис. 7 схема типичной конструкции ICP реактора
Сильное влияние на скорость травления оказывает правильный выбор реактивного газа или смеси газов. Однако подбор оптимальной газовой среды определяется не только производительностью процесса, но и достижением высокой селективности травления. В зависимости от конструкции микроструктуры и следовательно комбинации ее материалов скорости травления могут изменяться от 600 до 2000 A/мин.
Селективность. Селективность определяется через отношение скоростей травления различных пар материалов, входящих в состав микроструктуры. При проведении процесса травления ключевым моментом является оптимальная остановка процесса и отсутствие такого нежелательного явления как перетрав (overeth), заключающийся в травлении нижележащего слоя.. В идеале время травления можно рассчитать, зная толщину удаляемого слоя и скорость травления материала в заданных условиях. Однако на практике всегда присутствую такие негативные явления как неоднородность толщины и состава обрабатываемых слоев. Кроме того, при травлении сложных многоплановых структур проявляются эффекты различия скоростей травления для малых и больших площадей (microloading). Этот эффект присутствует, например при вскрытии контактных окон в сложных структурах. Кроме того, обрабатываемые слои на различных участках схемы могут иметь различные толщины, что так-же приводит к перетраву.
Вторым важным моментом при рассмотрении проблемы селективности есть оптимальное соотношение скорости травления удаляемого слоя и фоторезиста. Сухие плазменные процессы имеют достаточно высокие скорости травления резистов. Особенно сильно эта проблема проявляется при травлении с высоким разрешением, так как в этом случае толщина резиста не может превышать толщины линии, или при получении структур с высоким отношением высоты линии к ее ширине.
Для выбора оптимальной селективности процесса используют следующие приемы и методы
1. Выбор оптимального реактивного газа.
2. Выбор оптимальной скорости травления
3. Снижение концентрации реактивного газа при завершении процесса травления.
4. Введение в систему различных устройств определения окончания процесса (endpoint detector).
Возможность травления структур с высоким отношением высоты линии к ее ширине. Новые конфигурации транзисторных структур с вертикальным расположением активных областей (полевой транзистор с вертикальным каналом, туннельный резонансный транзистор и т.д.) предъявляют новые требования к технологии травления. В частности она должна обеспечивать травление линий, в которых высота в несколько раз превышает ширину линии (lines with high-aspect-ratio features). При этом возникает целый ряд специфичных проблем, главная из которых заключается в неоднородном заряжении микроструктур (aspect ra-tio charging or electron shadowing). Суть этого явления заключается в следующем: плазма обычно заряжена положительно по отношению к стенкам реактора и обрабатываемой по-верхности. Положительные ионы движутся из поля плазмы перпендикулярно к поверхности. Электроны в общем случае не попадают на поверхность пластин.

Рис.8 cхема реактора с магнитной ловушкой для горячих электронов.
Однако в системах с высокой плотностью плазмы, при большом положительном смещении полупроводниковой пластины, наблюдается существенный поток горячих электронов (с энергией до 10000-50000 К) к обрабатываемой поверхности. Так как электроны имеют большую энергию, то это движение носит диффузный и, следовательно, изотропный характер. Электроны захватываются верхними диэлектрическими слоями микроструктуры, что приводит к отрицательному заряжению этих слоев по отношению к слоям, формирующим дно линии. Это приводит к появлению большой разности потенциалов, котрая формирует электрическое поле отталкивающее положительные ионы от дна микрорельефа на стенки линии, что проявляется в боковом перетраве и формировании линий с невертикальными стенками.Предлагаются различные приемы снижения отрицательного заряжения поверхности пластин. Один из них заключается в импульсном возбуждении плазмы высокой плотности. В то время, когда обрабатываемая поверхность поляризуется положительно, возбуждающий плазму импульс выключается. Показано, что за время порядка 10 мкс горячие электроны сбрасывают свою энергию приблизительно до единиц эВ, что существенно снижает эффект заряжения. В ряде разработок используются различные ловушки горячих электронов, двигающихся по направлению к обрабатываемой пластине. Одна из таких конструкций приведена на рис. 9. На горячие электроны при их движении к подложке действует сила Лоренца препятствующая их проникновению к обрабатываемой поверхности.
Отметим, что создание реакторов с высокой плотностью реактивных ионов и холодной электронной компонентой является все же не решенной задачей, и технологи чаще пользуются различными приемами защиты боковых стенок линий, введением различных пассивирующих добавок в плазмообразующие смеси. Так, например, при травлении Si добавка кислорода приводят к тому, что оксидная фаза образующаяся на вертикальных и горизонтальных поверхностях микроструктуры медленнее стравливается с боковых поверхностей.

Рис.9 cхема ионно-лучевого травления
Материалы. Для реализации реактивного травления необходимо обеспечить появление в ходе плазмохимических реакций на поверхности образование легколетучих компонентов, т.е. веществ с низкой температурой плавления и испарения. Такими свойствами обладают фториды, хлориды и некоторые гидратные формы полупроводниковых соединений. Именно поэтому для реактивного травления используются газообразные соединения F, Cl иногда Br. В таблице 2 приведены основные плазмообразующие газы используемые для реактивного травления.
Важной материаловедческой проблемой остается сильная химическая активность реактивной плазмы и химических продуктов процесса травления. Особенно это относится к Cl содержащим газам. Их применение предъявляет высокие требования к коррозионной стойкости конструкционных материалов реактора, нанесение различных пассивирующих покрытий и тщательной процедуры очистки реактора и обрабатываемых изделий от остатков процесса травления. Серьезной проблемой остается химическая стойкость рабочих жидкостей турбомолекулярных и механических насосов. Все это приводит к тому, что существует общее стремление к использованию плазмообразующих газов на основе фторуглеродных соединений (CnFv).
Резист. Одной из ключевых проблем субмикронной литографии является низкая стойкость к плазменным процессам существующих резистов. Представляя собой органические полимерные композиции они легко разрушаются в ходе плазменного травления. Кроме того плазменная обработка сопровождается определенным нагревом обрабатываемой поверхности, что приводит к дополнительной деградации резистивного слоя. При создании структур с высоким отношением высоты линии к ширине толщина резиста не может превышать ширину линии. Это приводит к необходимости использования сложных многослойных резистов, в которых обычные полимерные композиции обеспечивают высокую экспозиционную чувствительность, тогда как другие добавляют необходимую плазмо- и термостойкость. Альтернативный подход заключается в разработке принципиально новых резистов на основе неорганических материалов, которые по своей природе имеют высокую стойкость к плазменным и термическим обработкам.

Таблица 2. Реактивные плазмообразующие газы

Материалы

Используемые газы

Новые газы

Примечания

Si

SF6 + CHF3; CF4+ CHF3; CF4 + O2

C2F6; C3F8

CHF3 – пассивирующий газ

SiO2

CF4; CCl2F2; SF6 + CHF3

C2F6; C3F8

Поли Si

Cl2 или BCl3 + CHF3 или CCl4

HBr + O2

CHF3 или CCl4 -пассивирующие газы

Al

Cl2 ; BCl3

HBr + Cl2

Нет загрязнений C

Si3N4

CCl2F2 ; CHF3

CF4 + H3

W

SF6 + Cl2 + CCl4

.NF3 + Cl2

Не травит ТiW, TiN

TiW

SF6 + Cl2 + O2

SF6

GaAs

CCl2F2

SiCl4 + SF6

Не травит AlGaAs

InP

нет

СH4 + H3

 

 

 

Ионно-лучевое травление

Рис. 7 схема типичной конструкции ICP реактора

Второй разновидностью ионных процессов применяемых в технологии травления микроструктур является ионно-лучевое травление. Схема ионно-лучевой установки приведена рис. 7. В ранних системах использовалось физическое ионное травление, когда поток ионов инертного газа (Ar) бомбардировал поверхностные слои микроструктуры, травя ее по механизму катодного распыления. Для создания достаточно широкого и плотного пучка ионов использовались различные типы ионных пушек с горячим катодом. Однако подобные процессы обладали низкой селективностью. После того, как были разработаны ионные источники без горячего катода, основное внимание уделялось разработке систем для реактивного ионно-лучевого травления, которое осуществлялось потоком ионов реактивных газов. Подобные системы обладают рядом преимуществ перед обычными плазменными и демонстрируют, в частности, высокую селективность процесса. Так при травлении диоксида кремния на кремнии было достигнуто отношение скоростей травления до 35:1, тогда как для плазменных планарных систем это отношение не превышает 10:1. Кроме того, показано, что по-добные системы уменьшают загрязнения структур и снижают требования к корозионной стойкости материалов реактора.

Химическое травление потоком нейтральных частиц

Рис.10 cхема реактора для химического(радикального) травления

В системах травления на основе ионных процессов происходит обработка микро-структур заряженными частицами с высокой энергией – ионами, электронами. В системе присутствуют сильные магнитные и электрические поля. Все это неизбежно приводит к созданию различного рода радиационных повреждений в обрабатываемой схеме. Кроме того, в ряде случаев плазменные процессы обладают недостаточной селективностью. Все это приводит к тому, что продолжается работа над разработкой систем для травления структур незаряженными частицами. Одним из наиболее продвинутых процессов является травление потоком химически активных но нейтральных частиц (сhemical downstream etching or CDE process). К таким частицам относятся свободные радикалы и некоторые короткоживущие молекулярные комплексы, которые возникаю в плазме соответствующих газов. Типичная схема установки для травления потоком частиц приведена на рис. 10.

СВЧ разряд в реактивном газе возбуждается в кварцевой трубе, помещенной в волновод. За счет разницы давлений в разрядной камере и реакторе плазма распространяется по транспортной трубе в разрядную камеру. Однако заряженные частицы быстро рекомбинируют, тогда как радикалы достигают обрабатываемой пластины.

Основное применение такого процесса находится в технологических операциях связанных с изотропным но высоко селективным травлением. Например, при удалении рези-стов, при травлении маски из нитрида кремния на оксиде или поликремнии в LOCOS процессах. При применении CDE процессов в комбинации с созданием пассивирующими слоями на боковых стенках линий было достигнуто травление с высокой анизотропией, достаточной для травления структур с высоким отношением высоты к ширине линий.

Заключение

Процессы плазменного травления широко применяются в микроэлектронике для создания топографического рельефа при производстве микросхем высокой степени интеграции. Существующие системы и процессы, в совокупности с прецизионным подбором сложных плазмообразующих смесей и применением многослойных резистов, позволяют решить все возникающие задачи. Однако сложность и разнообразие задач заставляет применять практически для каждого литографического процесса при производстве многослойной схемы индивидуальные для каждой операции системы ионного или химического травления.
Наиболее широкое применение находят относительно дешевые планарные реакторы с конденсаторно возбуждаемой плазмой. Однако наметилась общая тенденция перехода к более сложным и следовательно более дорогим системам с индуктивно возбуждаемой плазмой. Возможность раздельного управления плотностью плазмы и энергией реактивных ионов позволяет легче приспособить процесс к возникающим технологическим задачам.
Однако переход к новому уровню интеграции, связанному с внедрением нового литографического процесса (110 нм), переход к 300 мм полупроводниковым пластинам ставит перед разработчиками задачу создания новых систем, в которых и процессов травления, в которых высокие параметры процесса будут достигаться при приемлемой цене оборудования.