CC BY
98
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. №4 (35), 2014
Рисунок 5, в - Двумерное температурное поле электронной платы при неравномерном охлаждении
T (К)
.344
339
.335
.331
.327
.323
.306
.302
П3
Библиографический список:
1. Барыбин А.А., Сидоров В.Г. Физико-технологические основы электроники. - СПб.: Лань. - 2001.
2. Патент РФ №2174292. Устройство для отвода тепла и термостабилизации электронных плат // Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Аминов Г.И., Юсуфов Ш.А., 2001.
УДК 631.582
Исмаилов Т.А., Захарова П.Р., Шангереева Б.А., Шахмаева А.Р.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ПЛЕНОК SIO2
Ismailov T.A., Zakharova P.R., Shangereeva B.A., Shakhmaeva A.R.
RESEARCH PROCESS PLASMA ETCHING SIO2 MEMBRANE
В статье рассматриваются результаты плазмохимического травления диоксида кремния во фторсодержащей среде при изготовлении полупроводниковых приборов. Поставлено и рассмотрено решение задачи получения сглаженного микрорельефа контактных окон в SiO2 других материалах. Решение
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. №4 (35), 2014
поставленной задачи тесно связано с решением проблемы изотропного плаз-мохимического травления, когда скорость бокового (горизонтального) травления равна скорости вертикального, что позволяет получать сглаженные стенки структур при максимальном уходе размеров на границе с фоторезистом или другим маскирующим покрытием.
Ключевые слова: подложка, ионно-плазменная обработка, плазмохимиче-ское травление.
The article discusses the results ofplasma chemical etching of silicon dioxide in the fluorine-containing medium in the manufacture of semiconductor devices. Delivered and processed to obtain the solution of the smoothed microrelief contact windows in SiO2 other materials. The solution of the problem is closely connected with the problem of an isotropic plasma chemical etching, when the rate of lateral (horizontal) equal to the speed of the vertical etching, which allows to obtain smooth wall structures with maximum care dimensions on the border with photoresist or other masking coating.
Key words: substrate, ion-plasma treatment, plasma chemical etching.
Введение. Процессы селективного травления являются критичными при достижении микронных размеров полупроводниковых приборов, поскольку во многом определяют надежность и выход годных изделий. Для качественной металлизации ПП необходимо обеспечить выполнение высокой локальности травления окон в сочетании с гладким рельефом. Это достигается использованием параллельно двух процессов травления - изотропного и анизотропного.
Для решения задач контроля качества монтажа современных полупроводниковых изделий широко пользуются методом контактных окон с вертикальным профилем подложки.
Однако, при использовании контактных окон с вертикальным профилем стенок возрастает вероятность отказа полупроводниковых приборов из-за низкого коэффициента запыления металлизации.
Постановка задачи
Существуют также технологические методы, так называемого «профилирования контактных окон» при реализации которых удается модифицировать профиль окна таким образом, что боковые стенки его становятся полностью или частично наклонными (а ^90°).
Маршрут формирование контактных окон представляет собой достаточно громоздкий набор операций, выполняемый на различном оборудовании, что естественно увеличивает вероятность образования дополнительных дефектов.
Рисунок 1 - Модифицированный профиль
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. №4 (35), 2014
Другим способом травления контактных окон является выполнение изотропного плазмохимического травления в одном вакуумном цикле с анизотропным процессом травления.
Методы испытаний
Травление слоев SiO2 проводилось в установке плазмохимического травления «ПХТ». Для осуществления процесса ИПХТ использовался керамический с ВЧ - индуктором реактор, т.е. реактор на базе высокочастотной без электродной разрядной системы, позволяющей получать высокую концентрацию радикалов фтора, достаточную, в принципе, для получения скорости травления SiO2 -0.2 мкм/мин и выше, в зависимости от покрытия не планарной стороны обрабатываемой пластины. Травились пленки термического SiO2 толщиной 0.81.2 мкм с фоторезистивной маской толщиной 1.5-2.0 мкм, сушку которой проводили при температуре 383. К, а также с маской из алюминия толщиной 0.54 мкм. Профиль и высоту канавок травления определяли в растровом электронном микроскопе Stereos can-360, толщину пленок оценивали на лазерном элип-сометре ЛЭМ -2, плотность дефектов оценивалась в осветителе ИО-24 и в измерителе дефектности Surfscan-4500.
Как отмечалось выше обеспечение надежности разводки СБИС, при уменьшении размеров<1.0 мкм сопряжено с необходимостью формирования в межуровневом диэлектрике контактных окон со сглаженными краями. Это предоставляется возможным лишь благодаря минимальному воздействию ионов на обрабатываемую поверхность, т.е. в условиях более высокого давления > 100 Па и минимальной величине ВЧ - напряжения. При этом, предусматривается возможность использования вакуумных камер как можно большего объема, чтобы края электрода были удалены от стенок камеры как минимум на 10 см при общем давлении газовой смеси > 100 Па. В этих условиях процесс плазмохимического травления является процессом химического взаимодействия атомов фтора и активных радикалов с поверхностью обрабатываемой пластины. Взаимодействие газовых частиц с поверхностью (например, для SF 5) происходит через следующие стадии:
Недиссоциативная адсорбция
SF*5(^) + SiO2 ^ SF*5^) +SiO2 (1)
Диссоциативная адсорбция
SF*5^) +SiO2 ^ S^) +5F^) +SiO2 (2)
Образование молекулярного продукта
5F^) + 2SiO2 ^ SF^) +SiFO4 (3)
Десорбция молекулярного продукта
2^Б°4(адс) ^ ^4(газ) + 402(газ) (4)
Удаление остатков
Si (адс) + 4F ^ SiF4 (газ). (5)
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. №4 (35), 2014
Кроме того, при изотропном плазмохимическом травлении, имеющая место, хотя и слабая ионная бомбардировка усиливает травление поверхности кремния благодаря тому, что реакционные частицы, такие как атомарный фтор, образуются на поверхности подложки, в результате ионно-индуцированной диссоциации нейтральных молекул и радикалов, которые были первоначально адсорбированы из газовой фазы. Соответственно освобождающиеся реакционные частицы тут же образуют связи БьБ без какой-либо миграции по поверхности.
Задача получения сглаженного микрорельефа контактных окон в 8Ю2 как и в других материалах, тесно связана с решением проблемы изотропного плаз-мохимического травления, когда скорость бокового (горизонтального) травления равна скорости вертикального, что позволяет получать сглаженные стенки структур при максимальном уходе размеров на границе с фоторезистом или другим маскирующим покрытием. Скорость процесса травления (Утр) и геометрия профиля в этом случае определяются: общим давлением (Роб) газовой смеси и парциальным давлением (Рпар) каждого из компонентов в реакционной камере, соотношением между объемами газов, температурой подложкодержа-теля и величиной разряда ВЧ-мощности.
Варьирование Роб газовой смеси в реакционной камере проводилось от 100 до 500 Па при постоянном Рпар шестифтористой серы (8Б6) 50 Па, при величине подводимой к подложке ВЧ - мощности 500 Вт и температуре подложкодержа-теля 358 К.
При увеличении Роб смеси 8Б6 + О2 наблюдается сначала увеличение Утр ЗЮ2, а затем уменьшение до первоначального значения. Очевидно, первоначальное уменьшение Утр связано с уменьшением плотности активных радикалов у поверхности подложки и, как следствие, с уменьшением скорости доставки их к ее поверхности. Выяснение механизма увеличения Утр при дальнейшем повышении Роб в реакционной камере свидетельствует о том, что при Роб 250450 Па происходит нормальное падение химически активных радикалов на поверхность БЮ2 , без существенного их рассеяния на боковые стенки реактора. В этом случае вероятность взаимодействия химически активных радикалов с поверхностью БЮ2 увеличивается. Повышение же Роб газовой смеси выше 450... 500 Па, при увеличении скорости потока химически активных частиц к поверхности БЮ2, увеличивает вероятность их отражения от поверхности. Это усиливает их рассеяние, что приводит к снижению скорости травления.
Необходимо подчеркнуть, что скорость и изотропия травления БЮ2, в чистом 8Б6 при давлении 590 Па гораздо хуже, чем при травлении в смеси 8Б6 +02 (при общем давлении 100 Па). Это позволяет сделать вывод, что на изотропию процесса и Утр в 8Б6 влияет наличие О2 в зоне реакции.
Именно введение в плазму 8Б6 необходимых добавок кислорода и гелия позволяет проводить ИПХТ 8Ю2 со скоростью от 60 до 200 нм/мин.
В этих условиях максимальная степень изотропии травления достигает 1.
Эволюция скорости травления по поверхности пластины не так проста. Всегда имеет место различие в скорости травления центра пластины и ее краев, центр пластины всегда травится быстрее. Сближение Утр между краями и цен-
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. №4 (35), 2014
тром пластины достигается при общем давлении 250.450 Па.
Тем не менее, снижение общего давления ниже 350 Па приводит к заметному разбросу по толщине удаляемого слоя при травлении по поверхности пластины. При величине общего давления - 390.450 Па, наблюдается максимальное сближение Утр по всей площади пластины.
По всей видимости, изменение колебания в скорости изотопного плазмо-химического травления по площади пластины, во-первых, обусловлено оптимизацией соотношения объемов газов _О(8р6) /О(О2), а во-вторых, контактом пластины к столику и ее нагревом.
Искажение профиля от угла 45о проявляется как на малых давлениях <300 Па, так и на больших ~500 Па значениях общего давления газовой смеси в реакционной камере.
Во всех случаях угол наклона стенок контактного окна менее 70о свидетельствует об удовлетворительном сглаживание его при изотопном плазмохи-мическом травлении.
Проведенные исследования влияния Роб газовой смеси 8Е6 +О2 на скорость изотропного плазмохимического травления 8Ю2 показали, что резкие колебания значений Утр свидетельствуют о неполном использовании реакционных газов и о нестабильности процесса изотропного плазмохимического травления, очень чувствительного к давлению газовой смеси при прочих равных условиях.
Результаты испытаний
Многочисленные экспериментальные данные показывают, что Утр изотропного плазмохимического травления достигает максимального значения при давлении газовой смеси в пределах 250.450 Па.
Наблюдение за изменениями Утр изотропного плазмохимического травления 8Ю2 при постоянном расходе О2 -3.6 дм /час показывает, что скорость изотропного плазмохимического травления 8Ю2 увеличивается во всем исследуе-
-5
мом диапазоне расхода 8Е6 от 5 до 50 дм / ч. По сути, в этом случае, изменения Утр коррелирует с увеличением атомов фтора в реакционном пространстве.
Изменение количественного содержания 8Е6 от 5 до 50 дм /ч приводит к увеличению УТР практически в 5 раз, т.е. такое изменение происходит от 50 нм/мин до 250 нм/мин при ВЧ - мощности 500 Вт и температуре подложкодер-жателя 358 К.
Хорошие результаты по воспроизводительности УТР по всей площади пла-
3 3
стины были получены при расходе 8Е6 -36.40дм /ч, при расходе 02 -3.6 дм /ч. Расходы 8Е6 как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения, по отношению к расходу 02 -3.6 дм/ч, приводит к заметному разбросу по толщине удаляемого оксида кремния по поверхности пластины.
Важно подчеркнуть, что изотропия травления 8Ю2 в чистом 8Е6 при Рпар -400 Па гораздо хуже, чем при травлении в смеси 8Б6 + О2. Это позволяет сделать вывод, что на изотропию травления в 8Б6 влияют химически активные частицы, рассеянные поверхностью 8Ю2. Для оптимальных условий изотропного
-5
плазмохимического травления следует считать расход 8Б6 -40.50 дм/ч, где достигается наиболее высокая Утр- 200нм/мин и хорошая изотропия процесса.
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. №4 (35), 2014
Снижение скорости изотропного плазмохимического травления SiO2, при избыточном расходе кислорода, по-видимому, можно объяснить тем, что избыточный расход его приводит к уменьшению времени нахождения активных частиц в целом в зоне реакции, и, следовательно, к уменьшению их объемной плотности.
При слишком малых расходах кислорода происходит объединение газовой среды активными радикалами в процессе травления, что приводит к снижению скорости процесса.
Интересно отметить влияние расхода кислорода, при прочих равных условиях, на остаточную толщину оксида кремния по поверхности пластины. Полученные результаты свидетельствуют, что как при увеличении, так и при
-5
уменьшении расхода кислорода с величины 4-5 дм / ч происходит увеличение разброса остаточной толщины оксида кремния по площади обрабатываемой пластины.
Поэтому напрашивается вывод, что и в этом случае изменение VтР изотропного плазмохимического травления SiO2 не коррелирует с изменением ни атомов фтора, ни атомов кислорода, о чем хорошо свидетельствует зависимость Утр SiO2 от соотношения объемов компонента газовой смеси в реакционной камере.
Исходя из этого, следует, что УТР изотропного плазмохимического травления SiO2 в газовой смеси + О2, необходимо проводить при больших концентрациях $Е6> 80% и малых концентрациях 02 10-20% (т.е. отношение расхода SF6 к 02) должно оставлять 1/5-1/10. Степень изотропии травления при таких условиях достигает максимальной величины. Угол изотропии может быть доведен до 450. При концентрации SF6 более 20% по отношению к кислороду, травления SiO2 всегда изотропно или близко к нему. Однако отклонение от соотношения объемов гексафторида серы и кислорода от 5, в ту или другую сторону, приводят к изменению угла профиля травления контактного окна.
Мощность плазменного разряда определяет эффективность генерации активных частиц, а это, в свою очередь способствует увеличению скорости плаз-мохимических процессов.
Этот факт подтвердился в результате проведенных исследований. Однозначно установлено, что при увеличении ВЧ-мощности, скорость изотропного плазмохимического травления SiO2 повышается, при чем на различных расходах SF6. Это свидетельствует о более полном плазмохимическом взаимодействии SiO2 с активными химическими радикалами в объеме реакционной камеры.
Также следует отметить, что величина ВЧ - мощности оказывает заметное влияние на клин травления в области низких мощностей ВЧ - разряда.
На обратной стороне таких пластин имеется след подтрава и он больше к центру пластины, возможно в этом случае можно говорить о плохом контакте пластины к подложкодержателю.
Увеличение ВЧ - мощности позволяет подавить этот эффект и клин травления для пластин диаметром 100 мм минимизировать. Тем не менее, и в этих случаях скорость травления по центру пластины остается выше, чем по пери-
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. №4 (35), 2014
ферии. По идее, это можно объяснить загрузочным эффектом, который присущ плазменным процессам, проходящим при высоком давлении (>100 Па) газовой смеси в реакционном пространстве [4].
Выводы
Увеличение вкладываемой в разряд ВЧ - мощности способствует увеличению скорости травления при одновременном улучшении равномерности стравливания диоксида кремния по всей поверхности пластины диаметром 100 мм и хорошему сглаживанию ступеньки. К аналогичным результатам приводит увеличение температуры подложкодержателя от 298 до 363 К. Это объясняется повышением температуры подложки в результате комбинированного нагрева, как за счет термического воздействия, так и за счет нагрева ее плазмой.
Необходимо отметить, что на пластинах кремния, непланарная сторона которых непокрыта диоксидом кремния или покрыта металлом, УТР изотропного плазмохимического травления SiO2 резко увеличивается, по отношению к пластинам, которые покрыты SiO2 с обеих сторон. Более того, для пластин, нерабочая сторона которых покрыта металлом, этот эффект проявляется в гораздо большей степени.
Это свидетельствует в пользу хорошего прогрева подложки. Однако, при сильном ее перегреве имеет место опасность разрушения фоторезиста, вот почему нагрев подложкодержателя выше температуры 373 К нежелателен.
Заключение
На основании проведенных исследований установлена высокая чувствительность скорости изотропного плазмохимического травления диоксида кремния по поверхности пластины составу газовой смеси к общему и парциальному давлению компонентов, к температуре подложки и к типу покрытия непланар-ной стороны кремниевой подложки. Наиболее приемлемыми компонентами газовой смеси при изотропном травлении является смесь гексафторида серы (Эле - газ) с кислородом в соотношении 1/5-1/10.
Максимальная скорость изотропного плазмохимического травления диоксида кремния при равенстве бокового и вертикального травления ( угол сглаживания стенок (>45° ) достигается при величине вкладываемой в разряд ВЧ -мощности - 400...550 Вт, при температуре подложкодержателя -313...363 К и при общем давлении газовой смеси -350.450 Па.
Библиографический список:
1. Кремниевые планарные транзисторы./ Под редакцией Я.А. Федотова. М., «Советское радио», 1973 г.
2. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств.М., 1991, С118-122.
3. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем -М.: «Высшая школа», 1986, -С.107..
