Реферат: Травление п/п ИМС

НТУУ “КПИ” РТФ

Доклад

тема:“Травление п/п ИМС”

Выполнил:

студент2-го курса

группыРТ-22

КиральС. О.

Kиев 2004

Введение

Одним из определяющих технологическихпроцессов в микроэлектронике в течение более 40 лет продолжает оставатьсялитография. Литография или микролитография, а сейчас может быть уместно,говорить о нанолитографии, предназначена для создания топологического рисункана поверхности монокристаллической кремниевой пластины. Базовый литографическийпроцесс представлен нарис. 1 и включает в себя, по крайнеймере, 10 ступеней. Темой нашей лекции будут только два этапа, связанные снепосредственным переносом изображения маски на поверхность полупроводниковойструктуры (ступени 8 и 9).

1. подготовка поверхности (промывка и сушка)

2. нанесение резиста (тонкая пленка полимера наносится ценрифугированием)

3. сушка (удаление растворителя и перевод резиста в твердую растворимую фазу)

4. совмещение фотошаблона и экспонирование (положительный резист под действием света переходит в нерастворимую фазу)

5. проявление резиста (промывка в растворителе, удаляющем неэкспонированный резист)

6. стабилизирующий отжиг (удаление остатков растворителя)

7. контроль и исправление дефектов

8. травление (непосредственный перенос рисунка маски на поверхность полупроводниковой структуры)

9. удаление фоторезиста

10. финишный контроль

Рис. 1

10 ступеней литографического процесса

Долгие годы для проведениятравления использовались различные влажные химические процессы (термин влажныеподразумевает использование для травления полупроводниковых структур водных ибезводных растворов химически активных компонентов). Однако необходимостьнепрерывного повышения степени интеграции и информационной емкости микросхемпривело к тому, что влажные процессы не могли обеспечить необходимогоразрешения.
Для демонстрации этого утверждения рассмотрим один из элементов таких широко применяемыхмикросхем как динамическую память с произвольным доступом (DRAM).

Благодаря тому, что новые поколениякомпьютеров требуют все большей и большей емкости память, а также тому, что всоставе этих микросхем используются огромное количество однотипных элементов,эти микросхемы обладают наивысшей степенью интеграции

Рис. 2 ячейка памяти с trench конденсатором

Нарис. 2 показана одна изячеек памяти DRAM чипа разработанного фирмой IBM. В состав ячейки входят МОПтранзистор и конденсатор для хранения информационного заряда. В данном случаеконденсатор имеет конфигурацию так называемого траншейного (trench)конденсатора. Он имеет ширину 0,25 мкм и технология его изготовления включаетнесколько литографических операций с разрешением 0,15 мкм. Всего же дляизготовления такой микросхемы необходимо более 20 литографических операций стравлением самых различных материалов: кремния, диоксида кремния двух типов,поликремния, алюминия или меди, вольфрама.

Влажные процессы травления имеют очень высокую селективность и с успехомис-пользуются при изготовлении микросхем с размерами микронного масштаба.Однако при травлении линий с субмикронным разрешением и одновременно с высокимотношением высоты линии к ее ширине влажные процессы перестают работать. Можновыделить следующие причины, лимитирующие применение влажных процессов.
1. Размер рисунка не может быть меньше 2 мкм.
2. Влажное травление – изотропный процесс, что приводит к формированию рисункас наклонными стенками.
3. Влажное травление требует многоступенчатой промывки и сушки.
4. Используемые химикаты, как правило, сильноядовиты и токсичны.
5. Влажные процессы вносят дополнительные загрязнения.
Все это привело к тому, что вначале 70 годов основным технологическим процессомтравления стали различные формы плазменной обработки.
Обычно выделяют две разновидности плазменных процессов травления –непосредственно плазменные и ионнолучевые. Под плазменными понимаются процессы,в которых обрабатываемая подложка или ее держатель являются в той или иной мереэлементами плазменного реактора и участвуют в ионизации рабочего газа. Так какудаляемые травлением слои, как правило, имеют высокое сопротивление (изоляторыили полупроводники), то для исключения зарядки поверхности используютвысокочастотный разряд. В ионнолучевых процессах обработка подложек происходитпотоком ионов или нейтральных частиц, образованных в автономном источнике.
На рис. 3 представлена классификация процессов, используемых вмикроэлектронике для травления полупроводниковых структур.

Плазменное травление

Вплазменном травлении, которое иногда называют физическим травлением,реализуется хорошо известный и широко применяемый (например, для осаждениятонких пленок) процесс катодного распыления подложки ионами инертного газа.Однако эта техника не получила широкого применения по причине низкойселективности процесса.
Высокая селективность достигается в реактивном плазменном процессе. Суть этойтехники достаточно прозрачна. Различные формы разряда формируют вплазмообразующем газе химически активные частицы, которые, взаимодействуя споверхностью полупроводника или металла, образуют легко летучие химическиесоединения, удаляемые вакуумной системой.

Рис. 3 классификация процессов травления в литографии

Первымибыли разработаны реакторы цилиндрического типа (barrel etcher). В подобныхреакторах обрабатываемые подложки помещаются в центре вакуумной камеры, аВЧН-разряд создается внешней катушкой (см.рис.4

Таблица1. Материалы для которых необходимы процессы травления

Материал

Применение

Моно Si

Базовые кристаллы

Термическая SiO2

Маска при травлении Si

Химически осажденная SiO2

Подзатворный диэлектрик, изоляция между слоями

Si3N4

Маска в некоторых операциях травления, диэлектрик в структурах с накоплением заряда

Al, Cu, W

Металлизация

Сr

Фотошаблоны

Та, Ti, Mo

Подслой

Та2O5

Диэлектрик в структурах с накоплением заряда

TiN

Подслой

В такихреакторах ионы движутся не перпендикулярно к подложке, что приводит кизотропному травлению и формированию рисунка с наклонными стенками. Другимнедостатком цилиндрических реакторов является то, что в подобных системах ионыприобретают достаточно высокую энергию. Это приводит к созданию различного родарадиационных дефектов в полупроводниковых структурах. Для снижения плотностидефектов в цилиндрических реакторах вводится дополнительная экранирую-щаясетка, которая изолирует зону разряда от обрабатываемых пластин (см. рис. 5

). В этомслучае реализуется так называемое радикальное травление – происходит химическоевзаимодействие поверхностных слоев с электрически нейтральными реактивнымисвободными радикалами, всегда присутствующими в плазме используемых реактивныхгазов.
Цилиндрические реакторы широко применяются для создания микроструктур с низкойи средней степенью интеграции, когда размер топологических линий не превышает1-2 мкм.

Рис. 4 цилиндрический плазменный реактор

Рис. 5 плазменный цилиндрический реактор с защитной сеткой

Дляпрецизионного травления былиразработаны планарные реакторы. Схема такогореактора представлена на рис.6

.Полупроводниковая подложка располагается на плоском ВЧ электроде. Над нейразмещается плоский заземленный электрод, который, как правило, снабжен сложнойзонтичной системой подачи реактивного газа для увеличения однородноститравления. В таких системах достигается предельная на сегодняшний деньанизотропность травления, так как ионы движутся практически перпендикулярно кповерхности подложки. Для увеличения анизотропии травления в таких системахиспользуют дополнительное смещение подложки постоянным напряжением.Производительность таких систем определяется плотностью плазмы и,следовательно, рабочим давлением. Стремление к снижению различных загрязненийтребует работы при низких давлениях, это в свою очередь увеличивает длинусвободного пробега электронов и снижает плотность ионов в плазме. Компромиссныерабочие режимы достигаются при давлениях в десятки миллиТорр.
Увеличение производительности планарных реакторов требует применения более сложныхплазменных систем, в которых используются различные приемы увеличения плотностиплазмы. В первую очередь разрабатывались реакторы, в которых для увеличениядлины свободного пробега электронов вводится параллельное подложке магнитноеполе. Такой тип разряда известен как разряд Пеннинга, магнетронный разряд илиразряд в скрещенных электрических и магнитных полях. Действие силы Лоренцаприводит к сложному криволи-нейному движению электронов вблизи рабочейповерхности, что увеличивает число актов ионизации и приводит к формированиюплотного плазменного поля вблизи поверхности подложки.

Отметим, что применение таких систем для создания субмикронных рисунковвыдвигает очень высокие требования к однородности магнитного поля.
Разработка новых плазменных систем для травления микроструктур продолжается посамым различным направлениям. Для получения плазмы высокой плотности, ногорящей при низком давлении используется системы с СВЧ возбуждением разряда.При этом часто создаются сложные системы электрических и магнитных полейпозволяющие реализовать режимы электронного циклотронного резонанса,возбуждения геликоидальных волн и т.д.

В настоящее время наиболее перспективным считаются системы, которые получилиназвание реакторы с индуктивно-возбуждаемой плазмой (inductively coupledplasma, ICP etcher). Высокую анизотропию травления можно достичь в системах,когда ионы атакуют поверхность травления, двигаясь по перпендикулярным к нейнаправлениям. Такой режим легко реализуется в плазменных система сконденсаторным расположением электродов (Е-разряд), т.е. в обычных планарныхреакторах (рис. 6).

Рис. 6 схема типичной конструкции планарного реактора

Однакоболее плотную плазму проще получить в индуктивно возбуждаемом разряде(Н-разряд). Разработчики технологического оборудования попытались совместить водной системе оба типа разряда, что привело к соз-данию систем, схема которыхпредставлена на рис. 7

.Плазменное поле создается индуктивным ВЧ разрядом, возбуждаемым генератором 1.Частота генератора и конструкция катушки оптимизированы для получения плазмывысокой плотности. Реактивные ионы экстрагируются из плазменного поля ВЧсмещением поодложкодержателя с полупроводниковой пластиной, создаваемымгенератором 2. Как правило, частота генератора 2 ниже частоты генератора 1 иона, наряду с амплитудой напряжения, определяет энергию ионов падающих наобрабатываемую пластину. Таким образом, в ICP реакторах возможно раздельноеуправление плотностью плазмы и энергией реактивных ионов. Отметим, чтооптимизация энергии ионов возможна и в обычных планарных ректорах, в которыхобычно осуществляется дополнительное смещение подложки источником постоянногонапряжения. Меняя величину и полярность этого напряжения можно в определенныхпределах изменять энергию ионов.

Обладая целым рядом преимуществ и удовлетворяя практически всем требованиям дляпрецизионного травления, ICP реакторы фактически являются стандартнымоборудованием при производстве микросхем с субмикронным разрешением.

Анализ ключевых аспектов плазменноготравления

Скорость травления. Скорость травленияопределяется многочисленными факторами, главными из которых являются:конфигурация плазменной системы, оптимальный выбор плазмообразующих газов, ВЧмощность и рабочее давление. Как уже отмечалось выше, наиболее оптимальной являетсяконструкция, обеспечивающая получение плазмы высокой плотности. Использованиесистем типа ICP реакторов с ВЧ генераторами с мощность от 0,5 до 2 кВтпозволяет создать вблизи поверхности подложки плотность ионов от

3*1010 до 3*1012 см-3. Рабочее давлениевлияет на скорость изотропность и однородность травления через изменение длинысвободного пробега ионов. Высокое давление увиличивает однородность процесса,но приводит к изотропному травлению и снижению величины скорости процесса.Понижение давления улучшает разрешение процесса за счет усиления анизотропиипроцесса, увеличивает скорость травления, но увеличивает число радиационныхповреждений в микроструктурах. В современных системах оптимальное давлениележит в пределах от 0,2 – 50 мТор.

Рис. 7 схема типичной конструкции ICP реактора

Сильное влияние на скорость травленияоказывает правильный выбор реактивного газа или смеси газов. Однако подбороптимальной газовой среды определяется не только производительностью процесса,но и достижением высокой селективности травления. В зависимости от конструкциимикроструктуры и следовательно комбинации ее материалов скорости травлениямогут изменяться от 600 до 2000 A/мин.
Селективность. Селективность определяется через отношение скоростей травленияразличных пар материалов, входящих в состав микроструктуры. При проведениипроцесса травления ключевым моментом является оптимальная остановка процесса иотсутствие такого нежелательного явления как перетрав (overeth), заключающийсяв травлении нижележащего слоя… В идеале время травления можно рассчитать, знаятолщину удаляемого слоя и скорость травления материала в заданных условиях.Однако на практике всегда присутствую такие негативные явления какнеоднородность толщины и состава обрабатываемых слоев. Кроме того, притравлении сложных многоплановых структур проявляются эффекты различия скоростейтравления для малых и больших площадей (microloading). Этот эффектприсутствует, например при вскрытии контактных окон в сложных структурах. Крометого, обрабатываемые слои на различных участках схемы могут иметь различныетолщины, что так-же приводит к перетраву.
Вторым важным моментом при рассмотрении проблемы селективности есть оптимальноесоотношение скорости травления удаляемого слоя и фоторезиста. Сухие плазменныепроцессы имеют достаточно высокие скорости травления резистов. Особенно сильноэта проблема проявляется при травлении с высоким разрешением, так как в этомслучае толщина резиста не может превышать толщины линии, или при полученииструктур с высоким отношением высоты линии к ее ширине.
Для выбора оптимальной селективности процесса используют следующие приемы иметоды
1. Выбор оптимального реактивного газа.
2. Выбор оптимальной скорости травления
3. Снижение концентрации реактивного газа при завершении процесса травления.
4. Введение в систему различных устройств определения окончания процесса(endpoint detector).
Возможность травления структур с высоким отношением высоты линии к ее ширине.Новые конфигурации транзисторных структур с вертикальным расположением активныхобластей (полевой транзистор с вертикальным каналом, туннельный резонансныйтранзистор и т.д.) предъявляют новые требования к технологии травления. Вчастности она должна обеспечивать травление линий, в которых высота в несколькораз превышает ширину линии (lines with high-aspect-ratio features). При этомвозникает целый ряд специфичных проблем, главная из которых заключается внеоднородном заряжении микроструктур (aspect ra-tio charging or electronshadowing). Суть этого явления заключается в следующем: плазма обычно заряженаположительно по отношению к стенкам реактора и обрабатываемой по-верхности.Положительные ионы движутся из поля плазмы перпендикулярно к поверхности.Электроны в общем случае не попадают на поверхность пластин.

Рис.8 cхема реактора с магнитной ловушкой для горячих электронов.

Однако в системах с высокой плотностьюплазмы, при большом положительном смещении полупроводниковой пластины,наблюдается существенный поток горячих электронов (с энергией до 10000-50000 К)к обрабатываемой поверхности. Так как электроны имеют большую энергию, то этодвижение носит диффузный и, следовательно, изотропный характер. Электронызахватываются верхними диэлектрическими слоями микроструктуры, что приводит котрицательному заряжению этих слоев по отношению к слоям, формирующим днолинии. Это приводит к появлению большой разности потенциалов, котрая формируетэлектрическое поле отталкивающее положительные ионы от дна микрорельефа настенки линии, что проявляется в боковом перетраве и формировании линий сневертикальными стенками.Предлагаются различные приемы снижения отрицательногозаряжения поверхности пластин. Один из них заключается в импульсном возбужденииплазмы высокой плотности. В то время, когда обрабатываемая поверхностьполяризуется положительно, возбуждающий плазму импульс выключается. Показано,что за время порядка 10 мкс горячие электроны сбрасывают свою энергиюприблизительно до единиц эВ, что существенно снижает эффект заряжения. В рядеразработок используются различные ловушки горячих электронов, двигающихся понаправлению к обрабатываемой пластине. Одна из таких конструкций приведена на рис. 9.

На горячиеэлектроны при их движении к подложке действует сила Лоренца препятствующая ихпроникновению к обрабатываемой поверхности.
Отметим, что создание реакторов с высокой плотностью реактивных ионов ихолодной электронной компонентой является все же не решенной задачей, итехнологи чаще пользуются различными приемами защиты боковых стенок линий,введением различных пассивирующих добавок в плазмообразующие смеси. Так,например, при травлении Si добавка кислорода приводят к тому, что оксидная фазаобразующаяся на вертикальных и горизонтальных поверхностях микроструктурымедленнее стравливается с боковых поверхностей.

Рис.9 cхема ионно-лучевого травления

Материалы. Для реализации реактивноготравления необходимо обеспечить появление в ходе плазмохимических реакций наповерхности образование легколетучих компонентов, т.е. веществ с низкойтемпературой плавления и испарения. Такими свойствами обладают фториды, хлоридыи некоторые гидратные формы полупроводниковых соединений. Именно поэтому дляреактивного травления используются газообразные соединения F, Cl иногда Br. В таблице 2

приведеныосновные плазмообразующие газы используемые для реактивного травления.
Важной материаловедческой проблемой остается сильная химическая активностьреактивной плазмы и химических продуктов процесса травления. Особенно это относитсяк Cl содержащим газам. Их применение предъявляет высокие требования ккоррозионной стойкости конструкционных материалов реактора, нанесение различныхпассивирующих покрытий и тщательной процедуры очистки реактора и обрабатываемыхизделий от остатков процесса травления. Серьезной проблемой остается химическаястойкость рабочих жидкостей турбомолекулярных и механических насосов. Все этоприводит к тому, что существует общее стремление к использованиюплазмообразующих газов на основе фторуглеродных соединений (CnFv).
Резист. Одной из ключевых проблем субмикронной литографии является низкаястойкость к плазменным процессам существующих резистов. Представляя собойорганические полимерные композиции они легко разрушаются в ходе плазменноготравления. Кроме того плазменная обработка сопровождается определенным нагревомобрабатываемой поверхности, что приводит к дополнительной деградациирезистивного слоя. При создании структур с высоким отношением высоты линии кширине толщина резиста не может превышать ширину линии. Это приводит кнеобходимости использования сложных многослойных резистов, в которых обычныеполимерные композиции обеспечивают высокую экспозиционную чувствительность,тогда как другие добавляют необходимую плазмо- и термостойкость. Альтернативныйподход заключается в разработке принципиально новых резистов на основенеорганических материалов, которые по своей природе имеют высокую стойкость кплазменным и термическим обработкам.

Таблица2. Реактивные плазмообразующие газы

Материалы

Используемые газы

Новые газы

Примечания

SF6 + CHF3; CF4+ CHF3; CF4 + O2

C2F6; C3F8

CHF3 – пассивирующий газ

SiO2

CF4; CCl2F2; SF6 + CHF3

C2F6; C3F8

Поли Si

Cl2 или BCl3 + CHF3 или CCl4

HBr + O2

CHF3 или CCl4 -пассивирующие газы

Cl2; BCl3

HBr + Cl2

Нет загрязнений C

Si3N4

CCl2F2; CHF3

CF4 + H2

SF6 + Cl2 + CCl4

.NF3 + Cl2

Не травит ТiW, TiN

TiW

SF6 + Cl2 + O2

SF6

GaAs

CCl2F2

SiCl4 + SF6

Не травит AlGaAs

InP

нет

СH4 + H2

Ионно-лучевое травление

Рис. 7 схема типичной конструкции ICP реактора

Второй разновидностью ионных процессовприменяемых в технологии травления микроструктур является ионно-лучевоетравление. Схема ионно-лучевой установки приведена рис. 7

. В раннихсистемах использовалось физическое ионное травление, когда поток ионовинертного газа (Ar) бомбардировал поверхностные слои микроструктуры, травя еепо механизму катодного распыления. Для создания достаточно широкого и плотногопучка ионов использовались различные типы ионных пушек с горячим катодом.Однако подобные процессы обладали низкой селективностью. После того, как былиразработаны ионные источники без горячего катода, основное внимание уделялосьразработке систем для реактивного ионно-лучевого травления, которое осуществлялосьпотоком ионов реактивных газов. Подобные системы обладают рядом преимуществперед обычными плазменными и демонстрируют, в частности, высокую селективностьпроцесса. Так при травлении диоксида кремния на кремнии было достигнутоотношение скоростей травления до 35:1, тогда как для плазменных планарныхсистем это отношение не превышает 10:1. Кроме того, показано, что по-добныесистемы уменьшают загрязнения структур и снижают требования к корозионнойстойкости материалов реактора.

Химическое травление потоком нейтральныхчастиц

Рис.10 cхема реактора для химического(радикального) травления

В системах травленияна основе ионных процессов происходит обработка микро-структур заряженнымичастицами с высокой энергией – ионами, электронами. В системе присутствуютсильные магнитные и электрические поля. Все это неизбежно приводит к созданиюразличного рода радиационных повреждений в обрабатываемой схеме. Кроме того, вряде случаев плазменные процессы обладают недостаточной селективностью. Все этоприводит к тому, что продолжается работа над разработкой систем для травленияструктур незаряженными частицами. Одним из наиболее продвинутых процессовявляется травление потоком химически активных но нейтральных частиц (сhemicaldownstream etching or CDE process). К таким частицам относятся свободныерадикалы и некоторые короткоживущие молекулярные комплексы, которые возникаю вплазме соответствующих газов. Типичная схема установки для травления потокомчастиц приведена на рис.10

СВЧ разряд в реактивном газе возбуждается вкварцевой трубе, помещенной в волновод. За счет разницы давлений в разряднойкамере и реакторе плазма распространяется по транспортной трубе в разряднуюкамеру. Однако заряженные частицы быстро рекомбинируют, тогда как радикалыдостигают обрабатываемой пластины.

Основное применение такого процесса находится в технологических операцияхсвязанных с изотропным но высоко селективным травлением. Например, при удалениирези-стов, при травлении маски из нитрида кремния на оксиде или поликремнии вLOCOS процессах. При применении CDE процессов в комбинации с созданиемпассивирующими слоями на боковых стенках линий было достигнуто травление свысокой анизотропией, достаточной для травления структур с высоким отношениемвысоты к ширине линий.

Заключение

Процессыплазменного травления широко применяются в микроэлектронике для созданиятопографического рельефа при производстве микросхем высокой степени интеграции.Существующие системы и процессы, в совокупности с прецизионным подбором сложныхплазмообразующих смесей и применением многослойных резистов, позволяют решитьвсе возникающие задачи. Однако сложность и разнообразие задач заставляетприменять практически для каждого литографического процесса при производствемногослойной схемы индивидуальные для каждой операции системы ионного илихимического травления.

Наиболее широкоеприменение находят относительно дешевые планарные реакторы с конденсаторновозбуждаемой плазмой. Однако наметилась общая тенденция перехода к болеесложным и следовательно более дорогим системам с индуктивно возбуждаемойплазмой. Возможность раздельного управления плотностью плазмы и энергиейреактивных ионов позволяет легче приспособить процесс к возникающимтехнологическим задачам.
Однако переход к новому уровню интеграции, связанному с внедрением новоголитографического процесса (110 нм), переход к 300 мм полупроводниковымпластинам ставит перед разработчиками задачу создания новых систем, в которых ипроцессов травления, в которых высокие параметры процесса будут достигаться приприемлемой цене оборудования.

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Примеры задач оптимизации, связанных с фундаментальными понятиями теории связи

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Схемы управления тиристорами

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Ультразвук и измерения дальности

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Методы распознавания в СТЗ

29 Августа 2013