CC BY
550
УДК 621.794.449
О.В.РУВИНСКИЙ, М.В.УСТЬЯНЦЕВ, А.Х.ХАРАХАШЕВ, М.М.КЛИМОВ
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Приводятся результаты исследования влияния технологических параметров обработки на скорость и анизотропию процесса плазмохимического травления фюторе-зистивных пленок, полиимида и плазмохимической очистки в рамках технологии изготовления монолитных интегральных микросхем (МИС) для осуществления прецизионного травления вышеперечисленных материалов на установке «08ПХТ-100/10-006».
Ключевые слова: микроэлектроника, плазмохимия, прецизионное травление органических материалов, плазмохимическая очистка подложек, (фоторезисты, полии-мид.
Введение. В современной микроэлектронике остаётся актуальной проблема прецизионного травления органических материалов при изготовлении монолитных интегральных схем [1]. В данной технологии широко используются полимерные пленки в качестве фоторезистивных и резистивных слоев в процессах литографии, защитных покрытий готовых микросхем и вспомогательных планаризирующих слоёв рельефной поверхности перед нанесением металлических, диэлектрических плёнок и т.д. [2]. Также актуальна проблема очистки поверхности подложек от органических загрязнений перед нанесением как полимерных, так и неорганических плёнок [3]. Загрязнение поверхности возможно жирами, маслами и другими органическими веществами.
Жидкостно-химическая обработка проводится в жидких органических и неорганических реагентах. Классической технологией жидкостно-химической очистки является последовательная обработка в моноэтанолами-не (С2Н7ОН), диметилформамиде (СНз^СНО) и изопропиловом спирте (ИПС, С3Н7ОН). Травление органических материалов в основном проводят в щелочных растворах [3].
В настоящее время большой интерес представляет плазмохимическое травление (ПХТ). ПХТ обладает селективностью, равномерностью и скоростью, сравнимой с жидкостно-химическим травлением, но не требует очистки поверхностей после обработки, позволяет одновременно травить подложки и удалять фоторезистивные (электронно-резистивные) маски, а также может использоваться для обработки неорганических материалов (нитрида кремния, алюминия, хрома, золота, платины, титана, молибдена, вольфрама и др.). Наряду с этим процесс ПХТ обеспечивает значительно более высокое качество по сравнению с традиционными жидкостно-химическими методами формирования структур травления [4, 5, 6]. Достоинством этого «сухого» метода травления является также экологическая чистота технологических процессов. Кроме того, процессом ПХТ может управлять ЭВМ.
При ПХТ образцы помещаются в газоразрядную плазму химически активных газов, активизированную высокочастотным полем. Плазменные
процессы, при которых возможны создание структурных дефектов, пробой диэлектрических плёнок, деградация параметров МДП-структур, загрязнение поверхности распыленным материалом электродов, межплёночная диффузия материалов и пр., требуют тщательного исследования и подбора оптимальных технологических параметров процесса [6].
Первичный процесс в объёме плазмы при ударе электрона о молекулу газа ведёт к диссоциации последней, вне зависимости от того, произошла ионизация или нет [7]. Образующиеся фрагменты молекул (атомы и свободные радикалы) с оборванными связями находятся в возбуждённом состоянии, проявляя повышенную химическую активность. Другими словами, происходит генерация химически активных частиц, которые наряду с физической бомбардировкой обеспечивают процесс травления поверхностного слоя подложки.
Воздействие плазмы на поверхность полимера позволяет изменять в основном его контактные свойства (смачивание, адгезию к тонким слоям металла, наносимого как с помощью вакуумного распыления, так и другими методами, способность к склеиванию, адгезию используемых при печати красителей и т.п.). Как правило, улучшение адгезионных свойств полимеров под воздействием плазмы связано не только с очисткой поверхности от различного рода загрязнений, но и с образованием гидрофильных групп различной химической природы, обеспечивающих высокие адгезионные свойства модифицированных поверхностей. Состав, структура и свойства таких полярных групп зависят как от природы полимера, так и от свойств плазмы и природы плазмообразующего газа. На поверхности полимера образуются кислородсодержащие полярные группы (карбонильные, спиртовые, перекисные, простые и сложные эфирные, лактонные и т.п.).
Десорбируемыми продуктами деструкции полимеров являются оксиды углерода - CO, CO2, водород - H2, H2O и радикалы OH (при комнатной температуре), которые, взаимодействуя с водородом в объеме плазмы или вблизи поверхности, превращаются в пары воды.
Важным рабочим параметром является мощность разряда. При ее возрастании увеличивается плотность радикалов и ионов, а также энергия ионов. Возрастание мощности вызывает увеличение скорости и направленности травления. Однако при высоких мощностях (более 0,5 Вт/см2) нагрев подложки и интенсивная ионная бомбардировка могут привести к сильной эрозии маскирующего слоя, повреждению поверхности и деградации параметров МИС.
Равнозначными по степени важности параметрами являются частота разряда и давление в камере. Они влияют на распределение по энергиям электронов и ионов в плазме. В используемых обычно диапазонах частот и давлений (0,05 - 30МГц и 0,1 - 100 Па) низкое давление и низкая частота увеличивают интенсивность потока и энергию ионов, бомбардирующих подложку.
На скорость травления, селективность, анизотропию и морфологию поверхности влияет температура подложки. В общем случае температурная зависимость скорости травления подчиняется закону Аррениуса:
^травления ~ exp (-Ea/kT),
где E - эффективная энергия активации, определяется материалом.
Увеличение температуры приводит к росту скорости химического травления и если скорость становится сравнимой со скоростью травления,
стимулированного ионной бомбардировкой, то анизотропия падает. Кроме того, температура подложки влияет на морфологию поверхности, с ее ростом шероховатость увеличивается [2, 6].
При анизотропном травлении органических пленок важным моментом является правильный выбор материала маскирующего слоя. Он не должен деградировать в тех рабочих газах, которые используются для травления органических материалов, быть технологически совместимым с другими операциями маршрута изготовления МИС. Наиболее оптимален для этой цели алюминий, технология работы с которым достаточно освоена.
Следует заметить, что оптимальные для техпроцесса значения всех проанализированных технологических параметров сильно зависят от конструктивных особенностей конкретного технологического оборудования, даже если плазмохимические реакторы относятся к одному типу.
Целью данной работы является исследование влияния параметров обработки на скорость и анизотропию процесса ПХТ фоторезистивных пленок, полиимидов и плазмохимической очистки в рамках технологии изготовления МИС для обеспечения прецизионного травления вышеперечисленных материалов.
Результаты эксперимента и их обсуждение. Эксперименты по травлению органических пленок проводились на установке для плазмохимического травления 08ПХО - 100/10 - 006. Данное оборудование является серийным и широко применяется в технологии изготовления МИС. Каждый эксперимент проводился не менее трёх раз, затем значения усреднялись, по полученным данным были построены зависимости, представленные на рис.1-6.
В работе рассматривается обработка следующих органических материалов:
а) органические виды загрязнений подложек;
б) позитивные и негативные фоторезисты отечественного и зарубежного производства. Позитивные - фоторезисты серии ФП-28, ФП-9120 (отечественные) и зарубежного производства, такие как 5-1828 (аналог -ФП-27-БС), 5-1813 (аналог ФП-15Ф, ФП-4-04МВ), 5-1813-SP15, 5-1805 и UV-5 (производства компании Shipley, США). Негативные фоторезисты - серии UVN-30 (производство компании Shipley, США);
в) отечественный полиимидный лак АД-9103ИС.
В ходе выполнения первого этапа эксперимента была установлена зависимость качества плазмохимической очистки подложек от режимов обработки: мощности (рис.1,а), длительности обработки в плазме (рис.1,б) и температуры подложкодержателя (рис.1,в) (рис.1). Был проведен ряд экспериментов с арсенидгаллиевыми пластинами, прошедшими жидкостно-химическую обработку. Степень чистоты поверхности пластины определялась контролем смачиваемости поверхности [8]. Данная операция осуществлялась путем погружения опытного образца, находящегося в вертикальном положении, в дистиллированную и деионизованную воду. При извлечении пластины фиксировалось время удержания жидкости на ее поверхности. Время удержания воды поверхностью обработанной подложки измерялось как на обработанных в плазме пластинах, так и на контрольной (без плазмы) пластине, прошедшей только жидкостно-химическую очистку.
N кВт
а)
Г, мин
а)
б)
і 40
X
Я 30 а
5
0
25 35 45 т, с 55 65
в)
Рис. 1. Качество плазмохимической очистки подложек от режимов обработки: а - мощности; б - времени обработки; в - температуры подложкодержателя
Расход рабочего газа Q и давление в реакторе Р оставались неизменными на всех этапах экспериментов и составляли 5 л/ч и 13.3 Па соответственно.
Из графиков на рис.1 видно, что дальнейшее увеличение мощности и времени обработки не приводит к существенному улучшению адгезии. Изменение температуры подложкодержателя в пределах, заданных возможностями оборудования, существенно не сказывается на качестве обработки. Необходимо учитывать, что промежуток времени между окончанием плазмохимической обработки и нанесением пленок (определенный экспериментально) не должен превышать 5...8 минут, после чего качество очистки резко снижается.
По окончании экспериментов был выбран следующий оптимальный режим очистки при времени удержания воды, tудержания=60 с:
длительность обработки в плазме, ^ 3 мин;
расход рабочего газа, Q 5 л/ч;
мощность, N 0,8 кВт;
давление, Р 13,3 Па;
температура подложкодержателя, Т 25°С.
Последующие операции нанесения металлических и диэлектрических пленок показали хорошую адгезию последних к подложке.
Следующий этап экспериментов заключался в определении зависимости скорости травления фоторезистивных пленок от параметров процесса плазмохимического травления. Для этого был проведен ряд экспериментов с различными марками фоторезистов, нанесенных на кремниевые подложки. Фотолитография проводилась на одной пластине, которая впоследствии разделялась на 4 или 6 образцов. Начальная и остаточная толщина фоторезиста контролировалась с помощью интерферометрического микроскопа МИИ-4 после подпыления на образец тонкой пленки алюминия толщиной 0.1 мкм. Результаты измерений сопоставлялись с контрольным образцом.
В таблице, представленной ниже, приведены начальные толщины фоторезистов, которые подвергались травлению на данном этапе эксперимента.
Начальная толщина фоторезиста, мкм Фоторезисты, подвергаемые травлению
ФП-28 S-1828 S-1813 S-1813-SP15 S-1805 ФП-9120
1,77 1,6 1,31 1,71 1,67 1,46
Технологические параметры процессов травления фоторезистов при исследовании зависимости скорости травления от мощности плазмен-
ного разряда:
длительность обработки в плазме, ^ 2 мин;
расход рабочего газа, Q 5 л/ч;
давление, Р 13,3 Па;
температура подложкодержателя, Т 25 °С.
N. кВт
Рис. 2. Графики зависимостей скорости травления фоторезистов от мощности плазменного разряда
Очевидно, что фоторезисты ФП-28, 5-1828, 5-1813, 5-1813-5Я15, ФП-9120, 5-1805 (рис.2) имеют практически идентичные зависимости скорости травления от мощности плазменного разряда. Разброс значений составил 15...17%.
На основании этого исследование зависимости скорости травления от температуры термостата (мощность разряда составляла 0,5 кВт, остальные параметры идентичны предыдущему процессу) проводилось на одном фоторезисте ФП-9120. С учетом разброса значений построен график (рис.3).
ФП-9120
Температура термостата, Т,С
Рис.3. График зависимости скорости травления фоторезиста ФП-9120 от температуры термостата
Полученные данные зависимостей V1Vaвлеmя.(N) и Кравления.Т) позволяют выбрать необходимый режим обработки фоторезистивной маски для его применения в технологических процессах изготовления изделий микроэлектроники.
^ сек
Рис.4. График зависимости ухода толщины фоторезистов иш-30 и Ц/-5 от времени обработки
В связи с тем, что рабочая толщина фоторезистов Ц/-5 и и/7\/-30 мала (0.64 и 0.52мкм соответственно), за то время обработки, которое используется в техпроцессах изготовления МИС, постоянная скорость травления установиться не успевает. Поэтому исследовалась зависимость ухода толщины пленки от времени травления, где h2 и hl - начальная и остаточная толщина фоторезиста соответственно (рис.4). Толщины фоторезиста контролировались с помощью интерферометрического микроскопа МИИ-4 после подпыления на образец тонкой пленки алюминия толщиной 0.1 мкм.
Максимально возможное время травления определялось исходя из минимально допустимой остаточной толщины пленки фоторезиста. Минимальная допустимая толщина остаточного слоя фоторезистов определялась по выражению: Лгт=0.25 h2 (в соответствии с техническими условиями эксплуатации фоторезистов данной серии).
Для всех исследованных фоторезистов установлено, что нежелательно превышать мощность разряда выше 0.5 кВт во избежание перегрева и деградации остаточного слоя маски.
АД9103ИС
N. кВт
а)
АД9103ИС
б)
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
30
40
70
80
Рис. 5. от
50 60
Т, С
б)
Графики зависимости скорости травления полиимида АД9110ИС мощности разряда плазмы (а) и температуры термостата (б)
На рис.5-6 приведены зависимости скорости травления Кравления полиимида АД-9103И от мощности разряда N и температуры Т подложкодер-жателя соответственно. Опытный образец представляет трехслойную структуру, в которой толщина алюминиевой маски составляет 0,2 мкм, по-лиимида - 5 мкм., подложки - 0,125 мм. Глубина стравливания контролировалась с помощью интерферометрического микроскопа МИИ-4 после снятия маски. Перед измерениями на протравленную структуру осуществлялось подпыление тонкого слоя металла для более контрастного наблюдения интерференционных линий.
Технологические параметры плазмохимического травления при исследовании влияния мощности разряда N и температуры подложкодержа-теля Т на скорость травления полиимида АД-9103ИС:
б)
длительность обработки в плазме, ^ 5 мин;
расход рабочего газа, Q 5 л/ч;
давление, Р 13,3 Па.
Как видно из графика (см. рис.5,а), скорость травления полиимида почти линейно возрастает с увеличением мощности разряда плазмы. В реальном технологическом процессе чрезмерное увеличение значения мощности разряда может привести к деградации обрабатываемой структуры, короблению полиимида, отслоению металлической маски, перегреву и ухудшению параметров ранее сформированных элементов на полупроводниковой пластине. Экспериментальным путем установлено, что значение мощности N не должно превышать 0.8...1 кВт.
Из графика (см. рис.5,б) видно, что скорость травления полиимида АД-9103ИС в диапазоне, ограниченном возможностями оборудования (от 30° до 80°С), существенно не изменяется. При таких режимах обработки маска алюминия устойчива к воздействию кислородной плазмы. Экспериментальным путем установлено, что ее толщина должна быть не менее 0.2 мкм.
Зависимость величины подтрава полиимида под маску от времени травления приведена на рис.6. Для проведения эксперимента были взяты 2 пластины арсенидгаллия (GaAs), на одной из которых толщина полиимида составляла 3.6 мкм ^(1)), а на другой - 1.7 мкм ^(2)). Толщина алюминиевой маски составляла 0.2 мкм. Размеры окна, сформированного в алюминиевой маске, 80x80 мкм.
Технологические параметры плазмохимического травления при исследовании величины подтрава под маску полиимида АД-9103ИС от времени травления:
расход рабочего газа, Q 5 л/ч;
мощность, N 0,8 кВт;
давление, Р 13,3 Па;
температура подложкодержателя, Т 25°С.
d(2)
d(1)
^ мин
Рис.6. График зависимости величины подтрава под маску полиимида АД-9103ИС от времени травления
Из полученных результатов видно, что в том случае, если процесс травления остановить точно по достижении "дна" окошка в маске, то степень анизотропии будет равна отношению величины подтрава под маску к начальной толщине полиимидной пленки и в нашем случае будет состав-
лять 0,14.0,15. Однако на практике из-за неизбежного разброса толщины полиимидной пленки по поверхности подложки и на разных подложках в одной партии общее время обработки завышают для "вскрытия" всех окон в пленке. При этом перетрав части элементов неизбежен. Полученные данные необходимо учитывать при проектировании топологии элементов микроэлектронных устройств.
Выводы. В процессе выполнения работы были получены следующие результаты:
1. Установлена зависимость качества плазмохимической очистки подложек GaAs от режимов обработки, что позволяет выбрать оптимальное соотношение технологических параметров для использования ПХТ с целью улучшения адгезии металлических и диэлектрических плёнок, наносимых в процессе производства МИС.
2. Установлена зависимость скорости травления пленок фоторезистов различных марок от основных параметров процесса плазмохимического травления, что позволяет выбрать оптимальный режим обработки масок для удаления недопроявленных остатков фоторезистов в окнах.
3. Исследована зависимость скорости плазмохимического травления полиимида и величины его подтрава под маску от ряда технологических параметров обработки. Полученные данные могут использоваться при проектировании топологии МИС и при разработке технологических маршрутов их производства.
Библиографический список
1. Особенности плазмохимического травления полимерных слоёв в микро- и наноразмерных зазорах [Электрон. ресурс] /С.А. Жукова, А.А. Жуков, Ю.С. Четверов. Режим доступа: // www.isuct.ru/istapc2008/PR0C/ 1-33.PDF
2. Плазменная технология в производстве СБИС; под ред. Н. Айнс-прука и Д.Брауна; пер. с англ. - М.: Мир, 1987. - 469 с.
3. Исследование свойств поверхности арсенида галлия методом сканирующей атомно-силовой микроскопии / В.Г.Божков, Н.А. Торохов, И.В. Ивонин, В.А. Новиков // Физика и техника полупроводников. - 2008. - Т 42. Вып.5. - С. 546 - 554.
4. Арсенид галлия в микроэлектронике; под ред. Н.Айнспрука, У.У-иссмена. - М.: Мир, 1988. - 555 с.
5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т 1 и 2. / С.Зи. - М.: Мир, 1984.
6. Словецкий Д.И. Механизмы плазмохимического травления материалов. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Книга III. / Д.И.Сло-вецкий. - М.: Наука, 2000. - 346 с.
7. Лебедев Ю.А. Школа по плазмохимии для молодых учёных России и стран СНГ. [Электрон. ресурс] / Режим доступа: www.isuct.ru/rus/nich/ konfer/plasma. «Введение в плазмохимию», 1999.
8. Новые методы контроля чистоты и дефектности поверхности деталей / А.Е.Богатырев, Л.И.Шушунова, Г.М.Цыганов // Обзоры по электронной технике. - 1980. - №3 (707). - С. 19-27.
Материал поступил в редакцию 10.06.09.
O.RUVINSKY, M.USTYANTSEV, A.KHARAKHASHEV, K M.LIMOV
RESEARCH OF PROCESS OF PLASMA ETCHING ORGANIC MATERIALS IN THE PRODUCTION OF MIC
The aim of the work is to analyze the mechanism of plasma chemical etch of organic materials in the production of MIC. The method of plasma chemical etching of surface GaAs before giving metallic and dielectric layer was perfect. Also studied how the photoresists and polyimide layers does etching rate depend on the main plasma chemical reactions. The optimal proportion of the operational characteristics the plasma chemical reactions for the anisotropic etching of polymer on «08ПХТ-100/10-006» devise was found. This fact allows to include developed technology in a rout of manufacturing elements of MIC.
РУВИНСКИЙ Олег Валерьевич (р.1967), руководитель группы вакуумного напыления и плазмохимических процессов ФГУП «РНИИРС». Окончил физический факультет РГУ (1989) по специальности «Физика».
Научные интересы связаны с исследованием процессов плазмохимического травления и осаждения.
Автор 2 печатных работ.
УСТЬЯНЦЕВ Михаил Валерьевич (р.1986), магистрант второго года обучения кафедры «Инструментальное производство» Донского государственного технического университета.
Научные интересы связаны с исследованием процессов плазмохимического травления.
ХАРАХАШЕВ Андрей Хачехпарович (р.1967), доцент кафедры «Инструментальное производство» ДГТУ, кандидат технических наук (2001). Окончил физический факультет РГУ (1989) по специальности «Физика».
Научные интересы связаны с исследованиями взаимодействия лазерного излучения и плазменных потоков с материалами при технологических процессах.
Автор 16 печатных работ.
КЛИМОВ Михаил Михайлович (р.1949), доцент кафедры «Инструментальное производство» ДГТУ, кандидат технических наук (1988). Окончил РИСХМ (1971) по специальности «Автоматизация и комплексная механизация машиностроительной промышленности».
Научные интересы связаны с термодинамикой контактного взаимодействия при трении и резании металлов, динамикой резания, оптимизацией резания, износостойкими комбинированными покрытиями на инструментальных материалах, технологиями обработки материалов концентрированными потоками энергии.
Автор более 80 печатных работ, 4 авторских свидетельств СССР.
