Травление кремния и металлов

Основные частицы, активные в травлении кремния, – атомы фтора и радикалы SF₅^•(вклад последних в скорость травления составляет около 30%). Типовой источник радикалов – SF_6. Скорость травления при всех условиях и составах плазмы пропорциональна концентрациям атомов фтора при прочих равных условиях и увеличивается с ростом потока ионов и разности потенциалов рабочей поверхности и плазмы при одинаковых концентрациях атомов. При низких давлениях и частоте поля, когда потенциал смещения образца относительно плазмы велик и велики энергии ионов (~ 100 эВ), скорость травления пропорциональна потоку ионов, как это отмечалось и при ионно - стимулированном травлении. Однако в плазме этот эффект вуалируется другим – переосаждением распыляемых ионами материалов электродов и стенок на поверхность образцов, пассивирующих ее и снижающих скорость травления. Такое же влияние оказывает окисление поверхности кремния атомами кислорода, образующимися вследствие диссоциации его молекул. Кислород – это неконтролируемая примесь в плазмообразующем газе, натекает из атмосферы или контролируемых добавок. Основные продукты травления в газовой фазе – SiF₄ (насыщенный фторид), испаряющийся с поверхности, и SiF₂, имеющий повышенную энергию и десорбирующийся вследствие ионной бомбардировки. Пассивация поверхности за счет перечисленных выше частиц, а также атомов хлора в хлорсодержащей плазме обеспечивает анизотропию травления вследствие ионной бомбардировки, увеличивающуюся по мере увеличения энергии ионов (низкое давление, низкая частота поля, наложение дополнительного смещения потенциалов от независимого источника или самосмещение). Однако по мере увеличения анизотропии увеличивается и опасность ухудшения качества поверхности после травления (нарушенная структура, изменение состава, встроенный поверхностный заряд и др.). Из - за высокой летучести SiF₄ толщина фторированного слоя на поверхности травления мала (~ 1 нм) и состоит из ненасыщенных фторидов SiF_x (х = 1 – 3), что свидетельствует о последовательном протекании реакций фторирования за счет присоединения атомов фтора. Скорости травления увеличиваются по мере увеличения давления газа и мощности разряда. При больших площадях поверхности обрабатываемых образцов наблюдается изменение состава плазмы за счет больших потоков продуктов, а также обеднения плазмы активными частицами. Это приводит к так называемому эффекту большой загрузки – снижению скорости травления с увеличением площади образцов. В хлорсодержащей плазме, как и при ионно-стимулированном травлении, удаление продуктов реакции происходит только за счет ионной бомбардировки и наблюдается высокая анизотропия при низких скоростях травления. При использовании фтор - хлорсодержащей плазмы анизотропия за счет пассивации хлором сохраняется, а скорость травления увеличивается за счет бомбардировки атомарным фтором. Скорость травления легированного кремния зависит также от степени и типа легирования.

Вольфрам. Закономерности травления вольфрама аналогичны описанным выше для кремния, что обусловлено высокой летучестью насыщенного фторида (WF₆) при комнатных температурах. Однако влияние окисления проявляется аналогично только при малых концентрациях кислорода в плазме. При этом возможна и анизотропия травления, но она выражена слабее. При повышении концентрации кислорода вероятность травления возрастает, что обусловлено летучестью оксифторида вольфрама, и анизотропия также исчезает.

Молибден. Механизмы травления молибдена также в основном аналогичны механизмам травления кремния. Отличия связаны с более высокой температурой кипения насыщенного фторида молибдена, что приводит к более низким скоростям травления при комнатной температуре. С повышением температуры поверхности образцов вероятность травления увеличивается и различия уменьшаются.

Тантал. Насыщенный фторид тантала плавится и кипит при температурах значительно выше комнатной. Поэтому вероятности и скорости травления его во фторсодержащей плазме при комнатной температуре значительно ниже, чем кремния. При этом на поверхности образуется достаточно толстая пленка фторида, а скорость травления сильно зависит от температуры и ионного потока (пропорционально последнему, как при ионно - стимулированных процессах). Атомы кислорода пассивируют поверхность, однако этот эффект слабее, чем для кремния. Это может быть связано с более высокой летучестью оксифторида тантала, хотя прямых данных об этом нет или, скорее всего, это кажущийся эффект, связанный с другим механизмом десорбции продуктов – преимущественно ионным распылением.

Титан. Во фторсодержащей плазме скорость травления мала вследствие малой летучести продуктов и ограничивается чисто ионным распылением образующейся пленки фторидов. Электронная бомбардировка ускоряет фторирование. Соответственно, велика анизотропия травления. Плазмохимическое травление титана наблюдается в фтор - хлорсодержащей плазме вследствие более высокой летучести тетрахлорида титана (низкая температура травления). Однако в этом случае насыщенного хлорида в газовой фазе не обнаружено. По-видимому, летучими являются продукты TiF_yCl_x. На поверхности наблюдаются большие концентрации фтора, связанные с взаимодействием фторсодержащих радикалов. Активными частицами в травлении являются не только атомы, но и молекулы хлора и, возможно, интергалогена FСl. При высоких температурах (T > 450 K) ионная бомбардировка не ускоряет травление, при низких (T < 325 K) наблюдается явное стимулирование травления ионами, а электроны ускоряют рост фторидной пленки. При высоких температурах это проявляется в повышении скорости травления.

Сплав WТi (5:1). Механизм травления этого сплава интересен тем, что титан имеет нелетучие фториды или хлориды при низких температурах. Во фторсодержащей плазме активными частицами в травлении являются радикалы SF₅ и атомы фтора. Вследствие разной скорости травления фтором компонентов сплава на аррениусовских зависимостях скорости травления от температуры наблюдается излом при температуре около 350 К. Эта температура ниже температуры сублимации фторида титана, но выше соответствующих температур плавления и кипения фторида вольфрама. Но фторид преобладающего компонента – вольфрама – вовлекает в травление и титан, так как выше этой температуры сплав травится как единый материал и обогащения титаном на поверхности после травления не происходит. В то же время при Т < 350 К на поверхности наблюдается обогащение титаном, увеличивается энергия активации и снижается скорость травления.

Алюминий. Алюминий – один из основных материалов, используемых в металлизации при изготовлении БИС. Не имеет летучих галогенидов при комнатной температуре, за исключением Al₂Cl₆, температура возгонки которого составляет 297 К. Поэтому травление пленок алюминия осуществляют в плазме хлорсодержащих газов и их смесей: Cl₂, CCl₄, BCl₃, Cl₂/CCl₄ ; Cl₂ /BCl ₃. Активными частицами, взаимодействующими с чистой поверхностью алюминия, являются атомы и молекулы хлора. Вероятности их реакций при комнатной температуре одинаковы и ионная бомбардировка их не ускоряет. Скорость травления не зависит от разности потенциалов между плазмой и поверхностью, мощности разряда. Основной продукт – Al₂ Cl₆. Травление изотропно. Однако поверхность пленок алюминия легко окисляется атмосферным воздухом. Поэтому на практике, как правило, травятся окисленные пленки, при чем преимущественно атомами хлора. Анизотропия травления достигается за счет добавок газов (CCl₄, BCl₃ ), создающих в плазме хлоруглеродные и бор - хлорные радикалы (CCl_x, x = 1 – 3; BCl_x, x = 1 – 2). Они осаждаются на поверхности, пассивируя ее, и удаляются так же, как и окисленные слои, в результате ионной бомбардировки. Продукты травления переосаждаются на поверхности стенок реактора и частично на поверхности травимых образцов. Пары воды вследствие гигроскопичности хлоридов алюминия адсорбируются, вступают с ними в реакцию с образованием гидроксида алюминия. Это приводит к невоспроизводимости результатов и изменению свойств изделий вплоть до полного разрушения оставшихся участков пленки в микросхемах во время хранения на атмосфере даже под защитным покрытием. Поэтому необходим строгий контроль за примесью паров воды, а также меры по очистке и пассивированию поверхности после травления и защите изделий, чтобы исключить последующий контакт алюминиевых слоев с атмосферой.

Медь. Медные пленки травятся в хлорсодержащей плазме, поскольку хлориды более летучи, чем фториды. Частицами, активно взаимодействующими с поверхностью Cu (100) являются атомы и молекулы хлора, причем вероятность взаимодействия обеих частиц практически одинакова даже при комнатных температурах. Ионная бомбардировка не влияет на скорость процесса. В результате взаимодействия на поверхности образуется слой хлорида меди СuCl, толщина которого при комнатной температуре пропорциональна времени обработки. Единственным летучим продуктом является Cu₃Cl₃, температура сублимации которого составляет 423^оС. Поэтому возможны два варианта организации процесса:

· обработка поверхности при комнатной температуре с последующим нагреванием до температуры выше начала сублимации до полного удаления хлорированного слоя;

· обработка поверхности при температуре, превышающей температуру сублимации. В этом случае скорость травления может изменяться в широких пределах за счет вариации температуры.

В обоих вариантах травление изотропно.