Сухое травление

Методы так называемого сухого травления хорошо подходят для технологического процесса изготовления СБИС благодаря возможности анизотропного травления, что обуславливает высокое разрешение при переносе рисунка.

Сухое травление может осуществляться различными методами. При использовании методов ионного травления, включающего ионно-лучевое и ионно-плазменное травление, процесс травления происходит исключительно по механизму физического распыления. Реактивные методы, включающие собственно плазменное травление, реактивное электронно-лучевое травление и реактивное ионно-плазменное травление, основаны на различной степени сочетаний химических реакций, в ходе которых образуются летучие или квазилетучие соединения, и физических взаимодействий, таких, как ионная бомбардировка.

Ионно-плазменное и ионно-лучевое травление

Как ионно-плазменное, так и ионно-лучевое травление основаны на использовании образующихся в процессе разряда высокоэнергетических (>=500 эВ) ионов инертного газа, например Ar+. Ионно-плазменное травление проще всего осуществить в высокочастотной диодной системе, схема которой представлена на рис. 2. Материал, подвергаемый травлению, закрепляется на запитываемом электроде и бомбардируется притягиваемыми из плазмы ионами

 

 

 

 

 

 

 

1 - Рабочий газ; 2 - К насосу; 3 – Подложка; 4 – Катод; 5 - Заземленный экран; 6 - Источник ВЧ-напряжения.

Рис. 2. Высокочастотная диодная система для реактивного ионного травления.

(запитываемый электрод является катодом, а все остальные внутренние заземленные части реактора - анодом; при этом площадь катода намного меньше площади анода. Плазма не удерживается и занимает весь объем камеры. Заземленный экран предотвращает распыление защищаемых им участков поверхности запитываемого электрода).

 

В методе ионно-лучевого травления источником ионов обычно является разряд постоянного тока, ограничиваемый магнитным полем, причем область разряда физически отделена от стравливаемой подложки системой сеток (электродов), на которые подаются потенциалы смещения, обеспечивающие экстрагирование ионного пучка (обычно Аг+) из разряда. Для обеспечения используемых па практике плотностей тока пучка (<= 1 мА/см2) требуется сообщать нонам энергию выше 500 В. Для нейтрализации ионного пучка на его пути размещается разогреваемая нить накала, инжектирующая в пучок электроны низких энергий.

Хотя и ионно-плазменное, и ионно-лучевое травление обеспечивают в потенциале высокое разрешение, они не получили широкого применения в технологии СБИС. Основной причиной этого является неудовлетворительная селективность травления.

Плазменное травление

Для плазменного травления кремния, его соединений и некоторых металлов применяют молекулярные газы, содержащие в своих молекулах один или более атомов галогенов. Выбор таких газов объясняется тем, что образуемые ими в плазме элементы реагируют с материалами, подвергаемыми травлению, образуя летучие соединения при температурах, достаточно низких, чтобы обеспечить качественный перенос рисунка.

Для травления с высоким разрешением используются реакторы с электродами в виде параллельных пластин. Такие системы имеют ряд отличительных характеристик.

Во-первых, электроды почти симметричны. Уровень удержания плазмы относительно высок, поскольку электроды расположены близко друг к другу и имеют размеры в плоскости, соизмеримые с диаметром внутренней полости реактора. Удержание плазмы обеспечивает повышение ее потенциала. Другими отличительными характеристиками являются размещение подвергаемых травлению подложек на заземленном электроде и относительно высокое рабочее давление (от 13,3 до 1330 Па). Для исключения зарядки поверхности используют высокочастотный разряд.

Следует учитывать, что в процессе разряда могут образовываться химически агрессивные и (или) токсичные газы, например CO, COF2, COCl2, F2 и Cl2. Значения скорости подачи газа обычно лежат в интервале 50-500 см3/мин при стандартных температуре и давлении.

Первыми были разработаны реакторы цилиндрического типа. В подобных реакторах обрабатываемые подложки помещаются в центре вакуумной камеры, а ВЧ-разряд создается внешней катушкой (рис. 3). 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 экранирующая сетка, которая изолирует зону разряда от обрабатываемых пластин (рис. 4). 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. 3. Цилиндрический плазменный реактор. Рис. 4. Плазменный цилиндрический реактор с защитной сеткой.

Для прецизионного травления были разработаны планарные реакторы. Полупроводниковая подложка располагается на плоском ВЧ электроде. Над ней размещается плоский заземленный электрод. В таких системах достигается высокая анизотропность травления, так как ионы движутся практически перпендикулярно к поверхности подложки. Для увеличения анизотропии травления используют, кроме того, дополнительное смещение подложки постоянным напряжением.

Реактивное ионное и реактивное ионно-лучевое травление

Реактивное ионное травление, называемое также реактивным ионно-плазменным травлением, осуществляется в реакторах, аналогичных применяемым для ионно-плазменного травления. Однако в реактивном ионном травлении вместо плазмы инертного газа используется разряд в молекулярных газах аналогично тому, как это осуществляется при плазменном травлении.

Особенностями метода являются: асимметричные электроды (т. е. отношение площади катода к площади заземленной поверхности намного меньше 1); размещение подложек на запитываемом электроде; относительно низкие рабочие давления (0,133-13,3 Па).

Каждая из перечисленных особенностей метода обуславливает относительно высокую энергию ионов, бомбардирующих поверхность подложки в процессе травления. Низкие рабочие давления, используемые при реактивном ионном травлении, приводят к необходимости применения более сложных откачных систем и низких скоростей подачи рабочего газа (~10-100 см3/мин при стандартных температуре и давлении). В-остальном, системы реактивного ионного травления сходны с реакторами для плазменного травления с параллельным расположением электродов.

При реактивном ионно-лучевом травлении применяется оборудование, сходное с оборудованием, используемым при ионно-лучевом травлении. Аналогичными являются и рабочие характеристики. Однако вместо инертных газов источником ионов служат молекулярные газы - так же, как в методах плазменного и реактивного ионного травления.