1. Осаждение полимеров

Разряды в галогенуглеродных газах приводят к образованию обедненных галогеном фрагментов, способных быстро вступать в поверхностные реакции, продуктом которых являются полимерные пленки. Например, при травлении радикалами CF₃ образуются фторуглеродные пленки. Если такие пленки осаждаются на поверхности подвергаемого травлению материала, они приводят к нежелательному замедлению травления. С другой стороны, если осаждение полимерных пленок можно производить избирательно только на маске или подложке, то достигается очень высокая селективность травления.

Избыток ненасыщенных фрагментов, низкая энергия ионов и условия, способствующие протеканию восстановительных реакций, обычно стимулируют осаждение полимерных пленок. Так, при использовании некоторых газов, например CHF₃, эти пленки могут формироваться на заземленных и находящихся под плавающим потенциалом поверхностях, но в то же время они не осаждаются на поверхностях, к которым подведено напряжение высокой частоты, в условиях облучения их ионами высокой энергии. Аналогично пленки могут образоваться только на поверхности Si, но не SiO₂, поскольку кислород, высвобождаемый в результате травления окисла, вступает в реакции с ненасыщенными фрагментами, образуя летучие соединения.

Осаждение полимерных пленок на внутренних поверхностях реактора вызывает загрязнение подложки атмосферными примесями, в частности водяным паром, и высвобождение газообразных посторонних примесей в процессе последующего плазменного травления.

2. Радиационные повреждения

Разнообразные частицы высокой энергии (ионы, электроны и фотоны), присутствующие в плазме, создают потенциально опасную среду для изготавливаемых СБИС.

Наблюдаются радиационные дефекты нескольких типов:

1. смещение атомов в результате соударений с ионами высокой энергии; при реактивном травлении этот дефект локализован в приповерхностном слое толщиной не более 10 нм;

2. первичная ионизация в результате разрыва связей Si-O и образования электронно-дырочных пар; этот процесс вызывается фотонами дальнего ультрафиолетового диапазона и мягкими рентгеновскими лучами;

3. вторичная ионизация, при которой электроны, образующиеся вследствие атомных смещений и первичной ионизации, взаимодействуют с дефектами связей Si-O.

Технологический процесс обычно включает последующие высокотемпературные операции, во время которых радиационные дефекты отжигаются.

Основная проблема, связанная с радиационными повреждениями, возникает при образовании нейтральных ловушек после формирования алюминиевой металлизации, когда дальнейший высокотемпературный отжиг исключен. Необходимо контролировать максимальные ускоряющие напряжения, чтобы они не превышали пороговой величины, за которой начинается образование неотжигаемых дефектов.

3. Примесные загрязнения

Все внутренние поверхности системы реактивного травления подвержены ионной бомбардировке и могут распыляться. Поэтому необходимо обеспечивать правильный выбор материала реактора и контроль ускоряющего напряжения. Загрязнение атомами тяжелых металлов, резко уменьшающими время жизни неосновных носителей, часто наблюдалось в реакторах, изготовленных из нержавеющей стали.

Осаждение распыленных нелетучих материалов на подвергаемую травлению поверхность значительно замедляет или полностью прекращает протекание процесса травления. При осуществлении высокоанизотропного травления даже очень небольшие участки подобных загрязнений представляют серьезную проблему. Другой пример примесного загрязнения, препятствующего травлению, - осаждение полимерных пленок, толщина которых иногда не превышает нескольких атомных монослоев.

Анализ ключевых аспектов травления  

Скорость травления

Скорость травления определяется многочисленными факторами, главными из которых являются: конфигурация плазменной системы, оптимальный выбор плазмообразующих газов, ВЧ мощность и рабочее давление. Сильное влияние на скорость травления оказывает правильный выбор реактивного газа или смеси газов. Однако подбор оптимальной газовой среды определяется не только производительностью процесса, но и достижением высокой селективности травления.

Селективность.

При проведении процесса травления ключевым моментом является оптимальная остановка процесса и отсутствие такого нежелательного явления как перетрав. На практике всегда присутствуют такие негативные явления, как неоднородность толщины и состава обрабатываемых слоев. Кроме того, при травлении сложных многоплановых структур проявляются эффекты различия скоростей травления для малых и больших площадей. Этот эффект присутствует, например при вскрытии контактных окон в сложных структурах.

Вторым важным моментом при рассмотрении проблемы селективности является оптимальное соотношение скорости травления удаляемого слоя и фоторезиста. Сухие плазменные процессы имеют достаточно высокие скорости травления резистов. Особенно сильно эта проблема проявляется при травлении с высоким разрешением, так как в этом случае толщина резиста не может превышать толщины линии.

При травлении структур с высоким аспектным отношением возникает целый ряд специфичных проблем, главная из которых заключается в неоднородной зарядке микроструктур. Суть этого явления заключается в следующем: плазма обычно заряжена положительно по отношению к стенкам реактора и обрабатываемой поверхности. В системах с высокой плотностью плазмы, при большом положительном смещении полупроводниковой пластины, наблюдается существенный поток горячих электронов (с энергией до 10000-50000 К) к обрабатываемой поверхности. Электроны захватываются верхними диэлектрическими слоями микроструктуры, что приводит к отрицательной зарядке этих слоев по отношению к слоям, формирующим дно линии. Это приводит к появлению большой разности потенциалов, которая формирует электрическое поле отталкивающее положительные ионы от дна микрорельефа на стенки линии, что проявляется в боковом перетраве и формировании линий с невертикальными стенками. Один из способов решения проблемы заключается в импульсном возбуждении плазмы высокой плотности. В то время, когда обрабатываемая поверхность поляризуется положительно, возбуждающий плазму импульс выключается. Показано, что за время порядка 10 мкс горячие электроны сбрасывают свою энергию приблизительно до единиц эВ, что существенно снижает эффект. В ряде разработок используются различные ловушки горячих электронов, двигающихся по направлению к обрабатываемой пластине.

Материалы.

Для реализации реактивного травления необходимо обеспечить появление в ходе плазмохимических реакций на поверхности образование легколетучих компонентов, т.е. веществ с низкой температурой плавления и испарения. Такими свойствами обладают фториды, хлориды и некоторые гидратные формы полупроводниковых соединений. Именно поэтому для реактивного травления используются газообразные соединения F, Cl, Br, иногда I.

Важной материаловедческой проблемой остается сильная химическая активность реактивной плазмы и химических продуктов процесса травления. Особенно это относится к Cl содержащим газам. Их применение предъявляет высокие требования к коррозионной стойкости конструкционных материалов реактора, нанесение различных пассивирующих покрытий и тщательной процедуры очистки реактора и обрабатываемых изделий от остатков процесса травления.

Резист.

Одной из ключевых проблем субмикронной литографии является низкая стойкость к плазменным процессам существующих резистов. Представляя собой органические полимерные композиции они легко разрушаются в ходе плазменного травления. Кроме того, плазменная обработка сопровождается определенным нагревом обрабатываемой поверхности, что приводит к дополнительной деградации резистивного слоя. При создании структур с высоким отношением высоты линии к ширине толщина резиста не может превышать ширину линии. Это приводит к необходимости использования сложных многослойных резистов, в которых обычные полимерные композиции обеспечивают высокую экспозиционную чувствительность, тогда как другие добавляют необходимую плазмо- и термостойкость. Альтернативный подход заключается в разработке принципиально новых резистов на основе неорганических материалов, которые по своей природе имеют высокую стойкость к плазменным и термическим обработкам.

Химическое травление потоком нейтральных частиц  

Одним из наиболее процессов травления является травление потоком химически активных но нейтральных частиц. К таким частицам относятся свободные радикалы и некоторые короткоживущие молекулярные комплексы, которые возникаю в плазме соответствующих газов. СВЧ разряд в реактивном газе возбуждается в кварцевой трубе, помещенной в волновод. За счет разницы давлений в разрядной камере и реакторе плазма распространяется по транспортной трубе в разрядную камеру. Заряженные частицы быстро рекомбинируют, тогда как радикалы достигают обрабатываемой пластины.

Основное применение такого процесса находится в технологических операциях связанных с изотропным но высоко селективным травлением. Например, при удалении резистов, при травлении маски из нитрида кремния на оксиде или поликремнии в LOCOS процессах. При применении этих процессов в комбинации с пассивирующими слоями на боковых стенках линий было достигнуто травление с высокой анизотропией, достаточной для травления структур с высоким отношением высоты к ширине линий.

Top of Form

Top of Form

Двойной «Дамасцен» Процесс

На пластину осаждается изолирующий оксид, в котором вытравливается структура под алюминиевую разводку методами реактивного ионного травления с использованием фоторезистной маски. После травления оксида и снятия резиста, структура заполняется алюминием. Оставшийся алюминий на областях, где структуры не должны оставаться, удаляется методом химико-динамической полировки, и осаждается второй изоляционный слой. С использованием Damascene-процесса, типичные для реактивного ионного травления проблемы, например недостаточная селективность фоторезиста, недостаточный контроль профиля и коррозии, можно избежать. С другой стороны, появляются проблемы с травлением оксида, заполнением узких структур алюминием и полировкой 'мягкого' алюминия.

В методике химико-динамической полировки пластина устанавливается на вращающемся подложкодержателе (рис. 6), который прижимается к вращающемуся столу с полировальником. Благодаря этим двум вращениям, поверхность пластины заземлена. Технология шлифовки химически усиливается суспензией, которая вводится на полировальник. Суспензия состоит из маленьких частиц для улучшения процесса шлифовки и травителя, реагирующего с материалом, который требуется удалить, и не реагирует с нижележащим материалом. Таким образом, возможно избирательное удаление пленок.

Рис. 6. Схема методики CMP.

Типичная последовательность технологических операций - "Двойной Дамасцен Процесс", показана на рис. 7. В первом шаге осаждается ILD оксид (рис. 7a). После литографии контактного окна (рис. 7b), оно травится реактивным ионным травлением оксида (рис. 7с). Удаляется фоторезист (рис. 7d), и проводится вторая литография для формирования рисунка металлических структур (рис. 7e). Металлические структуры вытравливаются в оксиде в фиксированном по времени RIE процессе (рис. 7f). Время травления в комбинации со скоростью травления определяют глубину структур. После удаления фоторезиста (рис. 7g), осаждается алюминий (рис. 7h). В завершении металлические структуры формируются за счет процесса CMP (рис. 7i). Последовательность заканчивается плоской поверхностью после второго осаждения оксида (рис. 7j).

В таблице 1 сравниваются технологические операции для Двойного Дамасцен процесса и последовательности RIE. Двойной Дамасцен процесс имеет на 6 технологических операций меньше чем последовательность RIE. Это приводит к уменьшению стоимости модуля на 13% и уменьшению времени процесса на 18% для 256 М DRAM [13].

Рис. 7. Последовательность Двойного Дамасцен Процесса.

Таблица 1. Сравнение последовательности RIE и «Dual Damascene».

	RIE процесс	Двойной Damascene процесс
1	Осаждение оксида (USG)	Осаждение оксида (USG)
2	Литография контактных окон	Литография контактных окон
3	Травление контактных окон	Травление контактных окон
4	Удаление фоторезиста	Удаление фоторезиста
5	Осаждение Ti/TiN	Литография первого металлического слоя
6	Осаждение W	Травление оксида для первого металлического слоя
7	CMP W	Удаление фоторезиста
8	Осаждение первого металлического слоя	Осаждение алюминия (первый металлический слой)
9	Литография первого металлического слоя	CMP первого металлического слоя
10	RIE первого металлического слоя	Осаждение оксида (USG)
11	Удаление фоторезиста
12	Отжиг
13	Осаждение оксида (DFSG)
14	CMP оксида
15	Отжиг
16	Осаждение оксида (USG)

Top of Form

Top of Form