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).

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  CF₃⁺ + 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 + CF_x  SiF₄ + C,

SiO₂ + 4F  SiF₄ + O₂,

SiO₂ + CF_x  SiF₄ + CO₂,

Si₃N₄ + CF_x  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	Температура кипения, оС
Четырехфтористый углерод (хладон 14)	CF4	–128,0
Гексафторпропилен (хладон 216)	C3F6	–29,4
Гексафторид серы	SF6	29,0
Четыреххлористый углерод	CCl4	76,8
Трихлорэтан	C2HCl3	87,2
Тетрахлорэтилен	C2Cl4	121,2
Гексахлорпропилен	C3Cl6	205-215
Хлорид бора	BCl3	12,4
Метан	CH4	–161,6
Этилен	C2H4	–103,7
Аммиак	NH3	–33,4
Монофтортрихлорметан (хладон 11)	CFCl3	23,7
Дифтордихлорметан (хладон 12)	CF2Cl2	–29,8
Трифтортрихлорэтан (хладон 113)	C2F3Cl3	47,7
Тетрафтордихлорэтан (хладон 114)	C2F4Cl2	3,5
Трифтормонохлорметан (хладон 13)	CF3Cl	–81,5
Монофтордихлорметан (хладон 21)	CHFCL2	–8,9
Дифтормонохлорметан (хладон 22)	CHF2Cl	–10,8
Трифторметан (хладон 23)	CHF3

Таблица 3.2

Температура кипения некоторых соединений
(продуктов реакции) при ПХТ

Химическое соединение	Температура кипения, К		Химическое соединение	Температура кипения, К
Фториды			Хлориды
SiF4	187		SiCl4	331
WF6	291		TiCl4	410
MoF6	308		TaCl5	515
MoF5	487		MoCl5	541
TaF5	503		WCl5	549
TiF4	557		WCl6	610
NbF4	508		AlCl3	180
VF5	382		AuCl4	642
Оксигалогены			Другие соединения
MoOCl3	343		CO2	194,5
WOF4	453		CO	81
MoOF4	451		H2	20,4
WOCl4	501		O2	90,2
MoO2F2	543		N2	77,4
CrO2Cl2	389

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 выводится изменение контрольного сигнала X(t), который рассчитывается компьютером из текущих спектров излучения плазмы по следующей формуле:

X(t) = 100(k₁I₁ – k₂I₂) / k₃I₃,

где I₁, I₂, I₃ – интенсивности аналитических молекулярных полос или атомарных линий спектра излучения плазмы, k₁, k₂, k₃ – 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 конкретном случае предлагает с необходимыми пояснениями преподаватель, как составную часть задания по лабораторной работе.

3.4. Задание по работе

1. 
   Ознакомиться с основными характеристиками плазмохимического травления кремнийсодержащих структур, изложенными в теоретической части.
   
2. 
   Изучить техническое описание установки «Плазма-600» и порядок работы на ней в процессе ПХТ (по инструкции к лабораторной работе № 2).
   
3. 
   Ознакомиться с алгоритмом спектрального контроля ПХТ.
   
4. 
   Определить толщину диэлектрической пленки (Si₃N₄ или SiО₂, или БФCC) на кремниевой пластине, используя табл. 3.3 или 3.4.
   
5. 
   Провести спектрально контролируемый процесс ПХТ.
   
6. 
   Определить среднюю скорость травления.
   

Таблица 3.3

Зависимость цвета пленки SiO₂ от толщины

По-ря-док	Цвет	Тол-щина, нм		По-ря-док	Цвет	Тол-щина, нм
0	Бежевый	50		3	Фиолетовый	470
	Коричневый	70			Голубовато-фиолетовый	480
1	Темно-фиолетовый	100			Голубой	490
	Голубой	120			Голубовато-зеленый	500
	Светло-голубой	150			Зеленый	520
	Металлический	170			Желтовато-зеленый	540
	Светло-золотистый	200			Зеленовато-желтый	560
	Золотистый	220			Желтый	570
	Оранжевый	250			Светло-оранжевый	580
	Красно-фиолетовый	270			Телесно-розовый	600
2	Фиолетово-голубой	300			Фиолетово-красный	630
	Голубой	310		4	Голубоватый	680
	Зелено-голубой	320			Голубовато-зеленый	720
	Светло-зеленый	340			Желтоватый	770
	Зеленый	350			Оранжевый	800
	Желтовато-зеленый	380			Желтовато-розовый	820
	Зеленовато-желтый	370			Светло-красно-фиолетовый	850
	Желтый	390		5	Фиолетовый	860
	Светло-оранжевоый	410			Голубовато-фиолет.	870
	Темно-розовый	420			Голубой	890
	Фиолетово-красный	440			Голубовато-зел.	930
	Красно-фиолетовый	460			Желтовато-зеленый	950

Таблица 3.4

Зависимость цвета пленки Si₃N₄ от толщины

Цвет	Толщина, нм
Бежевый	30
Коричневый	53
Темно-фиолетовый	73
Голубой	90
Светло-голубой	113
Металлический	128
Металлический с золотистым	140
Светло-золотистый	150
Золотистый	165
Оранжевый	187
Красно-фиолетовый	202
Фиолетово-голубой	225
Голубой	230
Зелено-голубой	240
Зелено-желтый	278
Желтый	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.