4.3. Методы плазменного травления

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

В табл. 4.2 в качестве примера приведены технологические режимы плазмохимического травления (ПХТ) слоев Si0₂ се­лективные по отношению к монокристаллическому кремнию в ВЧ планарном реакторе с поштучной обработкой пластин.

Технологические режимы ПХТ слоев Si0₂

Наименование технологического параметра	Значения параметров на различных стадиях , процесса
	Стабилизация расхода газов	Травление	Охлаждение и продувка реактора
Давление, Па	90	90	90
Мощность, Вт	-	590	-
Расход Не, см3/мин.	30	30	30
Расход O2, см8/мин.	8	8	-
Расход C3F8, см3/мин.	90	90	-
Расход CHF3, см3/мин.	30	30	-
Время стадии, с.	15	30 - 110*	10
* - время травления устанавливается по результатам контрольного процесса

Основным плазмообразующим газом является C₃P₈, кото­рый диссоциирует, образуя химически активные радикалы СFХ, а также атомарный фтор:

C₃F₈ + е 2CF_X + 2F + е. Радикалы CFX (главным образом CF₃⁺) взаимодействуют с диоксидом кремния с образованием таких летучих продуктов, как SiF₄, СО, СО₂ COF₂:

CF_X + SiО₂ -> SiF₄ + (CO, CО₂ COF₂).

Добавка в газовую смесь кислорода способствует лучшему удалению из зоны травления нелетучих углеродсодержащих со­единений за счет образования таких газов, как COF₂, СО и СО₂. Добавка CHF₃ при диссоциации образует радикалы CF₃⁺, а так­же атомарный водород, связывающий атомы фтора:

CHF₃ → CF₃⁺ + Н, H + F → HF.

Поскольку фтор вступает в реакцию с чистым кремнием быстрее, чем радикалы CF₃⁺, то при добавлении в газовую смесь CHF₃ происходит увеличение скорости травления SiО₂ за счет увеличения концентрации радикалов CF₃⁺, и уменьшение скоро­сти травления чистого кремния за счет уменьшения концентра­ции атомов фтора. Это позволяет обеспечить селективность трав­ления SiО₂ по отношению к Si на уровне 10:1. Добавка в газо­вую смесь гелия позволяет эффективно охлаждать стенки реак­тора и пластину во время и после травления, что необходимо для сохранения геометрии фоторезистивной маски.

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

Таблица 4.3

Технологические режимы ПХТ слоев Si₃N₄

Наименование технологического параметра	Значения параметров на различных стадиях процесса
	Стабилизация расхода газов	Травление	Охлаждение и продувка реактора
Давление, Па Мощность, Вт Расход Не, см3/мин. Расход SF6, см3/мин. Время стадий, c.	40 " 100 160 15	40 150 100 150 50	40 - 100 - 9

В данном примере травление слоев осуществляется атомами фтора, которые освобождаются в плазме гексафторида серы. Поскольку атомы фтора быстрее вступают в реакцию с нитри-

дом кремния, чем с SiO₂, то данный процесс характеризуется селективностью травления Si₃N₄ по отношению к SiO₂. Добавка гелия выполняет функцию хладагента. В табл. 4.4 приведен пример ПХТ в ВЧ планарном реакторе алюминиевой пленки толщиной 1,0 мкм.

Непосредственно травление алюминия осуществляется в плаз-мообразующей смеси ВСl₃ + Сl₂ согласно следующей схеме:

Таблица 4.4

Технологические режимы ПХТ алюминиевых пленок

Наименование технологическо­го параметра	Значения параметров на различных стадиях процесса
	Стабилиза- ция расхода газов	1-я стадия травле- ния	2-я стадия травле- ния	Охлаждение и продувка реактора
Давление, Па Мощность, Вт Расход Не, см3/мин. Расход Сl2, см3/мин. Расход SiCl4, см3/мин. Расход ВСl3, см3/мин. Время стадии, с	30 - 50 25 25 40 20	30 250 50 25 25 40 60	30 210 50 25 25 40 120	30 - 50 - - - 20

Таким образом, чистый хлор обеспечивает удаление оксида алюминия, который всегда содержится на поверхности пленки алюминия, а также по границам кристаллических зерен. Для улучшения эффективности удаления Al₂O₃ с поверхности плен­ки процесс травления проводится в две стадии. Различие между стадиями заключается в том, что первые 60 секунд процесса происходят при более высокой мощности. Это обусловливает

увеличение ионной составляющей плазмы и дополнительное травление поверхности пленки физическим распылением, ха­рактеризующимся малой селективностью травления Аl по от­ношению к Аl₂O₃. Добавка в газовую смесь тетрахлорсилана производится для исключения бокового подтравливания под маску фоторезиста. После разложения в плазме SiCl₄ образуют­ся атомы хлора, участвующие в реакции травления Аl, а освобо­дившийся кремний осаждается на боковых стенках и дне ка­навки травления. Осажденный кремний удаляется со дна ка­навки бомбардировкой положительными ионами, в то время как на боковых стенках этого не происходит из-за малого утла их падения. Таким образом, кремний, осажденный на боковых стен­ках, блокирует реакцию с алюминием, поскольку не образует в плазме летучих соединений с хлором.

Основным газом для «сухого» удаления резиста в плазме является кислород. При микроволновом возбуждении кислоро­да образуются различные нейтральные и заряженные частицы: О³, О⁺, О²⁺, О^-, О^2-, атомарный кислород и синглетный кислород. Физическая химия процесса сравнима с химией горения, реак­ция кислорода с поверхностью резиста можно разделить на пять стадий:

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

2. адсорбция реагента;

3. реакция на поверхности резиста (окисление);

4. десорбция продуктов (СО₂, СО, Н₂О и радикалы);

5. перенос продуктов от поверхности резиста в газовую фазу.

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

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

1. осаждение полимеров на поверхности подложек;

2. радиационные повреждения, приводящие к образованию дефек­тов кристаллической структуры и изменению параметров ИС;