3_оксид

3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ (ПХТ)
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ ТОНКИХ ПЛЕНОК
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭМИССИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
3.1. Цель работы
Практическое изучение процесса плазмохимического травления пленок нитрида
кремния (Si3N4) или оксида кремния (SiO2), или борофосфоросиликатного стекла (БФСС)
на поверхности кремниевых пластин во фторсодержащей плазме ВЧ разряда низкого давления на установке «Плазма-600» с применением спектрометра S100 с управляющим компьютером для реализации эффективного метода спектрального контроля.
3.2. Теоретические сведения
В планарной технологии изготовления интегральных схем, наряду с операцией удаления фоторезиста, многократно повторяется процесс травления кремнийсодержащих диэлектрических пленок SiO2, Si3N4 и БФСС. Этот процесс может быть как сплошным по
поверхности, например, в случае очистки кремниевых пластин от естественной окисной
пленки на поверхности, так и избирательным через защитную фоторезистивную маску
при создании определенного рисунка в диэлектрической пленке, а также при вскрытии
окон, через которые затем проводится процесс диффузии легирующей примеси, например,
бора или фосфора при создании полупроводниковых локальных структур p- или n-типа
(рис. 3.1).
1
2
3
Рис. 3.1. Последовательность технологических операций при вытравливании
окон в пленке SiO2 для проведения процесса локальной диффузии:
1 – кремниевая пластина с нанесенное пленкой SiO2 и слоем проявленного фоторезиста; 2 – локальное травление пленки SiO2 через фоторезистивную маску; 3 – локальная диффузия примеси
Первоначально, примерно до 1970 г., травление оксида кремния (SiO2) и нитрида
кремния (Si3N4) проводили жидкостно-химическим способом. Пленки SiO2 травятся в растворе плавиковой кислоты, а Si3N4 в фосфорной кислоте, нагретой до 180 оС. Естественно,
что этот процесс из-за наличия химически агрессивных сред и множества вспомогательных операций (промывка и сушка пластин) не удовлетворял технологов при массовом
производстве ИС. На смену ему в период с 1971 по 1978 г. был разработан и внедрен
плазменный метод травления тонких пленок. Сущность его заключается в следующем:
полупроводниковая пластина с диэлектрической пленкой обрабатывается в замкнутой реакционной камере, в которой зажигается высокочастотный разряд низкого давления (0,1 –
100 Па) во фторсодержащей газовой среде. Плазма активирует газовую среду в результате
неупругих столкновений электронов с молекулами газа (процессы ионизации, возбуждения и диссоциации). Образующиеся возбужденные молекулы, атомы, ионы и радикалы,
взаимодействуя с атомами обрабатываемой поверхности, вступают с ними в химическую
реакцию, образуя летучие продукты реакции. Последние удаляются из реакционной камеры непрерывной прокачкой вакуумным насосом.
Для травления Si3N4 и SiO2 используются фторсодержащие газы, такие как CF4, SF6,
C2F3Cl3 и др. Активация газовой среды например тетрафторметана (CF4) протекает в результате множества элементарных процессов:
CF4 + e  CF3 + F + e,
CF4 + e  CF+
3+ F + e,
CF4 + e  CF2 + F2 + e,
CF3 + e  CF2 + F + e,
CF2 + e  CF + F + e,
CF + e  C + F + e и др.
(3.1)
Образующиеся ионы и радикалы хемосорбируются на поверхности, что приводит к
образованию основного продукта травления молекул SiF4:
Si + 4F  SiF4,
Si + CFx  SiF4 + C,
SiO2 + 4F  SiF4 + O2,
SiO2 + CFx  SiF4 + CO2,
Si3N4 + CFx  SiF4 + C2N2 + N2,
Si3N4 + 12F  3SiF4 + 2N2
(3.2)
Стрелки указывают на «летучесть» продуктов реакции при температуре обработки,
которая лежит в пределах 200 – 400 оС.
Главным критерием при выборе реактивных газов для ПХТ любых материалов является низкая температура кипения (табл. 3.1 и 3.2), т. е. летучесть всех конечных продуктов
реакции, что позволяет удалять их из реакционной камеры путем непрерывной откачки
вакуумным насосом. В качестве доказательства важности этого положения приведем пример ПХТ алюминия в CF4 и CCl4. В первом случае продуктом реакции является AlF3 с
температурой кипения 1291 оС, во втором – AlCl3 с температурой кипения 137 оС. Ясно,
что не только предпочтительным, но и единственно возможным является второй вариант.
Существуют дополнительные требования при выборе газовой среды для реализации
ПХТ. Это обеспечение необходимой скорости и избирательности травления, отсутствие
токсичности и взрывоопасности среды, относительная химическая инертность к защитной
маске. Для улучшения процесса ПХТ можно использовать различного рода добавки –
инертные газы, кислород и др.
Таблица 3.1
Галогенсодержащие соединения, используемые при ПХТ
Наименование
Формула
Четырехфтористый углерод (хладон 14)
Гексафторпропилен (хладон 216)
Гексафторид серы
Четыреххлористый углерод
Трихлорэтан
Тетрахлорэтилен
Гексахлорпропилен
Хлорид бора
Метан
Этилен
Аммиак
Монофтортрихлорметан (хладон 11)
Дифтордихлорметан (хладон 12)
Трифтортрихлорэтан (хладон 113)
Тетрафтордихлорэтан (хладон 114)
Трифтормонохлорметан (хладон 13)
Монофтордихлорметан (хладон 21)
Дифтормонохлорметан (хладон 22)
Трифторметан (хладон 23)
CF4
C3F6
SF6
CCl4
C2HCl3
C2Cl4
C3Cl6
BCl3
CH4
C2H4
NH3
CFCl3
CF2Cl2
C2F3Cl3
C2F4Cl2
CF3Cl
CHFCL2
CHF2Cl
CHF3
2
Температура
кипения, оС
–128,0
–29,4
29,0
76,8
87,2
121,2
205-215
12,4
–161,6
–103,7
–33,4
23,7
–29,8
47,7
3,5
–81,5
–8,9
–10,8
Таблица 3.2
Температура кипения некоторых соединений
(продуктов реакции) при ПХТ
Химическое
соединение
Температура
кипения, К
Химическое
соединение
Фториды
SiF4
187
WF6
291
MoF6
308
MoF5
487
TaF5
503
TiF4
557
NbF4
508
VF5
382
Оксигалогены
MoOCl3
343
WOF4
453
MoOF4
451
WOCl4
501
MoO2F2
543
CrO2Cl2
389
Температура
кипения, К
Хлориды
SiCl4
331
TiCl4
410
TaCl5
515
MoCl5
541
WCl5
549
WCl6
610
AlCl3
180
AuCl4
642
Другие соединения
CO2
194,5
CO
81
H2
20,4
O2
90,2
N2
77,4
В заключение отметим, что в последнее время в производстве интегральных схем
для размерного травления диэлектрических и проводящих слоев чаще всего используются
диодные планарные системы с параллельным расположением электродов внутри реакционной камеры (ВЧ-Е разряд). При этом расстояние между электродами значительно
меньше их диаметра, что в случае использования ВЧ разряда обеспечивает более равномерное распределение параметров плазмы, а следовательно и одинаковую скорость травления по поверхности. Кроме того, в таком разряде происходит более интенсивная бомбардировка ускоренными ионами обрабатываемой поверхности, увеличивается также анизотропия травления вплоть до получения строго вертикальных стенок практически без
растравов, что обеспечивает более точное воспроизведение размеров.
В данной лабораторной работе используется ВЧ разряд низкого давления, реализуемый с помощью установки «Плазма-600» на частоте 13,56 МГц при давлении в пределах
20 – 200 Па. В качестве рабочей газовой среды применяется CF4. Основным продуктом
реакции, как отмечалось выше, является SiF4, температура кипения которого составляет
минус 86 оС. Для изучения процессов ПХТ используется спектрометр S100 под управлением компьютера со специальной программой.
3.3. Описание алгоритма спектрального контроля
Для выявления и отслеживания фаз процесса травления пленки и определения
момента завершения на мониторе компьютера в реальном масштабе времени выв одится изменение контрольного сигнала X(t), который рассчитывается компьютером
из текущих спектров излучения плазмы по следующей формуле:
X(t) = 100(k1 I1 – k2 I2 ) / k3 I3 ,
где I1 , I2 , I3 – интенсивности аналитических молекулярных полос или атомарных
линий спектра излучения плазмы, k 1 , k2 , k 3 – коэффициенты.
В качестве аналитических элементов спектра для данной установки можно использовать линии F =703, 4 или 685 нм, полосы CO 519,8 нм или 483,5 нм, полосы
N2 второй положительной системы. Выбор всех параметров формулы в каждом кон3
кретном случае предлагает с необходимыми пояснениями преподаватель , как составную часть задания по лабораторной работе.
3.4. Задание по работе
Ознакомиться с основными характеристиками плазмохимического травления кремнийсодержащих структур, изложенными в теоретической части.
Изучить техническое описание установки «Плазма-600» и порядок работы на ней в
процессе ПХТ (по инструкции к лабораторной работе № 2).
Ознакомиться с алгоритмом спектрального контроля ПХТ.
Определить толщину диэлектрической пленки (Si3N4 или SiО2, или БФCC) на кремниевой пластине, используя табл. 3.3 или 3.4.
Провести спектрально контролируемый процесс ПХТ.
Определить среднюю скорость травления.
Таблица 3.3
Зависимость цвета пленки SiO 2 от толщины
Порядок
Цвет
Толщина,
нм
Порядок
3
0
Бежевый
Коричневый
50
70
1
Темно-фиолетовый
Голубой
Светло-голубой
Металлический
Светло-золотистый
Золотистый
Оранжевый
Красно-фиолетовый
Фиолетово-голубой
Голубой
Зелено-голубой
Светло-зеленый
Зеленый
Желтовато-зеленый
Зеленовато-желтый
100
120
150
170
200
220
250
270
300
310
320
340
350
380
370
Желтый
Светло-оранжевоый
Темно-розовый
Фиолетово-красный
Красно-фиолетовый
390
410
420
440
460
2
4
5
4
Цвет
Фиолетовый
Голубоватофиолетовый
Голубой
Голубовато-зеленый
Зеленый
Желтовато-зеленый
Зеленовато-желтый
Желтый
Светло-оранжевый
Телесно-розовый
Фиолетово-красный
Голубоватый
Голубовато-зеленый
Желтоватый
Оранжевый
Желтовато-розовый
Светло-краснофиолетовый
Фиолетовый
Голубовато-фиолет.
Голубой
Голубовато-зел.
Желтовато-зеленый
Толщина,
нм
470
480
490
500
520
540
560
570
580
600
630
680
720
770
800
820
850
860
870
890
930
950
Таблица 3.4
Зависимость цвета пленки Si 3 N4 от толщины
Цвет
Толщина, нм
Бежевый
Коричневый
Темно-фиолетовый
Голубой
Светло-голубой
Металлический
Металлический с золотистым
Светло-золотистый
Золотистый
Оранжевый
Красно-фиолетовый
Фиолетово-голубой
Голубой
Зелено-голубой
Зелено-желтый
Желтый
30
53
73
90
113
128
140
150
165
187
202
225
230
240
278
292
3.5. Требования к оформлению протокола
Протокол должен содержать:
*
название работы, Ф.И.О. исполнителей;
*
параметры режима работы экспериментальной установки и параметры технологического процесса: давление в реакционной камере, состав газовой среды, мощность генератора, время травления, средняя скорость, площадь образца пленки;
*
схему механизма ПХТ (на отдельной странице), с учетом того, что основная часть
стенок камеры сделана из кварцевого стекла;
*
кривую контроля с указанием фаз процесса травления и их физической сути (дать
физико-химическую интерпретацию полученной кривой контроля, представить гипотезу,
объясняющую ход кривой в течение всего процесса ПХТ);
*
обобщенное химическое уравнение или систему уравнений для процесса с указанием конечных продуктов;
*
вывод формулы и расчет плотности потоков продуктов ПХТ для каждого сорта
молекул (число молекул в секунду с 1 см2);
*
вывод формулы и расчет коэффициента использования плазмообразующего газа,
считая, что его расход был 1 см3  с.
5