МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 3, с. 209-224
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЦЕССА АНИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ В ПЛАЗМЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ТИПА
© 2004 г. Н. Л. Казанский, В. А. Колпаков, А. И. Колпаков*
Институт систем обработки изображений Российской АН *Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика СП. Королева
E-mail: kolpakov@samara21.ru Поступила в редакцию 12.10.2003 г.
Экспериментально исследован процесс анизотропного травления диоксида кремния в плазме, сформированной газовым разрядом высоковольтного типа в смеси хладона - 14 (CF4) и кислорода (O2). Показана возможность анизотропного травления карбида кремния, кремния, алмазных пленок и халькогенидных стеклополупроводников. Показано, что основными технологическими факторами, влияющими на скорость травления, являются: процентное содержание кислорода в плазме CF4/O2, параметры газового разряда и температура подложки. Установлено, что максимальные скорости травления достигаются при значениях тока разряда 80.. .140 мА, процентном содержании кислорода 0.8.. .1.5% и температуре подложки 390.440 К. Неравномерность травления составила менее 1%.
ВВЕДЕНИЕ
Анизотропное травление в плазме находит широкое применение в микроэлектронике и дифракционной оптике. Чрезмерное отклонение (более 20°) от вертикали боковых стенок профиля окон в маскирующем слое, через которое проводится диффузия примесных атомов, приводит к снижению четкости границ р-я-переходов и, как следствие, к усилению гальванической связи между транзисторами и диодами интегральных микросхем [1]. Формирование бинарного или многоуровневого дифракционного микрорельефа с невертикальным профилем стенок снижает дифракционную эффективность и качество работы оптического элемента [2].
Таким образом, повышением анизотропии травления можно добиться улучшения рабочих характеристик как элементов интегральных микросхем, так и дифракционных оптических элементов.
В настоящее время эта задача в большинстве случаев решается с применением низкотемпературной плазмы [3-8]. Однако конструкции реакторов и способы генерации низкотемпературной плазмы обладают существенными недостатками.
- загрязняют частицами плазмы поверхности подложки, технологической оснастки и рабочей камеры [6];
- загрязняют поверхность образца распыленными частицами материала катода;
- обладают зависимостью параметров заряженных частиц от режимов работы устройства, что приводит к неравномерности скорости трав-
ления по поверхности подложки (эффект загрузки) [7];
- возможность одновременной обработки только одной пластины [8];
- сложность оборудования, его большие размеры и вес, а также отсутствие единого для всех типов реакторов диапазона рабочих режимов затрудняют процесс интеграции кластерных систем [6];
- высокая себестоимость конечного продукта, обусловленная дороговизной применяемого энергоемкого оборудования и используемых электронных газов.
Для устранения вышеперечисленных недостатков необходимо использовать при травлении материалов направленную плазму (потоки плазмы), генерируемую за пределами электродов газоразрядного устройства, заряженные и химически активные частицы которой не взаимодействовали бы с боковыми стенками рабочей камеры и имели бы равномерное распределение по сечению плазменного потока. Газоразрядное устройство должно обладать простой конструкцией, малыми размером, весом и стоимостью, меньшей по сравнению с существующими видами реакторов, энергоемкостью, возможностью установки его на любой тип промышленной вакуумной установки (универсальность газоразрядного устройства). Такими свойствами, как следует из ряда публикаций [9-12], обладают плазма газового разряда высоковольтного типа и формирующее ее газоразрядное устройство высоковольтного типа. В работе [12] показана принципиальная возможность применения газового разряда высоковольтного
ш
Рис. 1. Внешний вид газоразрядного устройства высоковольтного типа и схема реактора с газоразрядным устройством высоковольтного типа: а - вид сбоку; б - вид спереди: 1 - корпус-анод; 2 - изоляция катода от корпуса; 3 - изоляция высоковольтного ввода; 4 - устройство крепления газоразрядного устройства в рабочей камере; 5 - высоковольтный ввод; 6 - анодная сетка; 7 - кольцо крепления анодной сетки; в - схема реактора.
типа для плазмохимического и ионно-химическо-го травления материалов. Однако в современной литературе отсутствуют результаты практических исследований механизмов и особенностей процесса анизотропного травления в плазме газового разряда высоковольтного типа.
Цель настоящей работы - исследование механизмов и особенностей процесса анизотропного травления в плазме газового разряда высоковольтного типа на примере диоксида кремния (8Ю2), ши-
роко применяемого в микроэлектронике и дифракционной оптике.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Травление слоев БЮ2 проводилось в рабочей камере установки вакуумного напыления УВН-2М-1 с установленным в ней газоразрядным устройством высоковольтного типа (рис. 1а,б), формирующим направленные потоки плазмы с энергией частиц до 6 кэВ и током, изменяющимся в диапазоне 0-140 мА. Для увеличения эмиссии электро-
нов катод газоразрядного устройства высоковольтного типа изготавливали из алюминия. При необходимости размеры газоразрядного устройства высоковольтного типа позволяют установить на данном технологическом оборудовании до четырех таких устройств, способных одновременно обрабатывать пластины диаметром 200 мм. Схема реактора с газоразрядным устройством высоковольтного типа показана на рис. 1в. Рабочая камера реактора откачивается до исходных давлений 10-4-10-2 торр. Напуском рабочего газа устанавливается давление 10-1-10-2 торр, после чего на катод от высоковольтного источника питания подается регулируемое в диапазоне 0.3-6 кВ напряжение. В области каждой ячейки сетчатого анода, за пределами электродов, загорается газовый разряд высоковольтного типа, формирующий направленный к поверхности подложки поток плазмы. Таким образом, плазма газового разряда высоковольтного типа представляет собой совокупность одинаковых плазменных потоков, формируемых каждой ячейкой сетчатого анода. Именно этим достигаются высокие равномерность заряженных частиц по сечению плазмы и их направленность к поверхности подложки. В качестве рабочих газов для травления слоев БЮ2 применялись СБ4 (хладон-14) и его смесь с кислородом (СР4/02).
Травились пленки БЮ2 толщиной 0.2-1.5 мкм с фоторезистивной маской толщиной 1-1.5 мкм, сушку которой проводили при температуре 390 К, а также с маской из хрома толщиной 0.15 мкм. Профиль и высоту канавок травления определяли как на сканирующем зондовом микроскопе Р4-БРМ-МБТ, работающем в силовом режиме, так и на профилографе-профилометре 170311. Рентге-ноструктурный анализ состава материала, осаждаемого на поверхности катода в процессе травления, выполнялся на установке ДР0Н-2.0.
ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОМ
И ИОННО-ХИМИЧЕСКОМ ТРАВЛЕНИИ В ПЛАЗМЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ТИПА
В работе [12] отмечалось, что в плазме газового разряда высоковольтного типа возможно осуществить как плазмохимическое, так и ионно-хи-мическое травление в зависимости от величины подаваемого на электроды напряжения или путем изменения расстояния от катода до обрабатываемой подложки. В случае плазмохимическо-го травления имеет место ионная бомбардировка в направлении нормали к поверхности образца. Это повышает анизотропность процесса и усиливает травление поверхности БЮ2 за счет образования реакционных частиц, таких как атомарный
фтор, непосредственно на поверхности подложки. Причем их образование осуществляется в результате ионно-молекулярных взаимодействий отрицательных ионов с нейтральными молекулами рабочего газа, которые были первоначально адсорбированы из газовой фазы. Ионная бомбардировка при плазмохимическом травлении в плазме газового разряда высоковольтного типа является основным источником химически активных частиц. Покажем это, рассмотрев реакции, протекающие в плазме и приводящие к образованию химически активных частиц (нейтральных радикалов), когда плазмообразующим газом является СБ4. Традиционно в плазме хладона - 14 высокочастотных и сверхвысокочастотных разрядов, образование химически активных частиц возможно как в ее объеме, так и на поверхности обрабатываемой подложки в результате диссоциации нейтральной молекулы электронным ударом. Реакции протекают по схеме [13]:
в~ + СР4^ СР+ + Р* + 2 в~, (1)
в~ + СР4 —- СР3* + Р* + в", (2)
в~ + СР4 —► СБ* + Р-. (3)
Высоковольтный разряд в газе является аномальной разновидностью тлеющего разряда. Дадим этому пояснение. При сближении анода и катода до темного астонового пространства тлеющий разряд прекращается, так как выполняется неравенство пО < 1, где п и О - число электронов (отрицательных ионов) и положительных ионов, соответственно. Однако, если в аноде проделать сквозное отверстие, то в его области уже не будет запрета для выполнения неравенства пО > 1 [9], т.е. появляются условия возникновения газового разряда за пределами анода. В плазме газового разряда высоковольтного типа по этой причине происходит строгое разделение зарядов по направлению их движения: в момент образования отрицательного иона или электрона, который начнет свое движение по направлению к подложке, должен возникнуть положительный ион, который будет двигаться в направлении катода. С другой стороны, возможны акты взаимодействия с появлением двух и более отрицательных частиц, но одновременно с этими взаимодействиями должны протекать и реакции, в которых образуется адекватное количество положительных ионов. Иными словами, в плазме должно сохраняться равновесие движущихся заряженных частиц. Там, где данное условие (неравенство пО > 1) нарушается, газовый разряд высоковольтного типа прекращает свое существование. Это может произойти тогда, когда энергии отрицательно заряженных частиц (ионов или электронов) будет недостаточно для образования положительного иона при взаимодействии с молекулами р
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.