Травление многослойных структур

Травление многослойных структур.

Травление различных слоев многослойной структуры проводится в одном травителе простого или сложного состава. Желательно пользоваться однокомпонентным травителем. Основная проблема заключается в выборе травителя, обеспечивающего одинаковую скорость травления всех слоев, что предотвращает образование елочного профиля. Наиболее интенсивно изучалось травление сандвича Si3N4SiO2, равенство скоростей травления которого требуется для получения окон с гладкими наклонными стенками. Пленки Si3N4 травятся лишь в HF или в кипящей H3PO4 при 180оС. В столь жестких условиях ни один из органических резистов не выдерживает.

Травление Si3N4 в HF происходит по тому же закону, который определил Джадж для травления SiO2 Cкорость травленияАHFBHF2-C 37 Керн и Деккерт всесторонне рассмотрели травление Si3N4. В HF модно получить равные, но небольшие - около 10 нммин - скорости травления Si3N4 и SiO2 1 подбором температуры и 2 соотношения HFHF2 Скорость травления оксида можно снизить до 10 нммин, разбавляя 10-ную плавиковую кислоту.

При низкой концентрации HF растворение SiO2 лимитируется не скоростью реакции, а диффузией 4 ккалмоль. Подбирая температуру смеси фосфорной или фторборной кислот, можно довести скорости травления SiO2 и Si3N4 до 10 нммин. Фосфорная кислота, однако, разрушает нижележащие слои Si и Al, что может быть уменьшено добавлением серной кислоты.

Добавка диолефинов также предотвращает разрушение нижележащего слоя Al. Рис.16. Травление сандвича Si3N4SiO2 а-большая скорость травления SiO2 б-изотропное травление с одинаковыми скоростями. Более высокие, но равные скорости травления были получены за счет изменения вязкости травителя при добавлении глицерина или других вязких спиртов до 50 по массе, замещающих воду. Для смягчения действия HF добавляется также NH4F. Типичные края профилей травления в Si3N4SiO2 показаны на рис. 16. В другом подходе, включающем в себя обратное травление, используется слой вольфрама, нанесенный поверх SiO2 Si3N4 и прорисованный через резистную маску.

Сначала подтравливается слой оксида, затем удаляется W, и слой Si3N4 профилируется через оксидную маску с требуемой топологией. Компромиссным составом для травления сандвича резист Si3N4 боросиликатное стекло является смесь 70 H3PO4, 29 глицерина и 1 HBF4 при температуре 103оС. При более высоких концентрациях HBF4 наблюдается быстрая эрозия резистов KTFR и AZ-1350. Травление алюминия.

Жидкостное травление металлов включает в себя многие электрохимические процессы. Химическая реакция вызывает протекание тока, причем металл является анодом M Mn ne. 38 Большинство металлов покрыто естественным окислом. Для удаления этого пассивирующего слоя добавляется вспомогательный травитель. Известно большое число различных неорганических окислителей. Наиболее простые содержат Н. Основная задача химика-технолога заключается в выборе подходящего окислителя, удовлетворяющего требованиям термодинамики F -nФЕ, 39 где F - свободная энергия, Е - разность потенциалов окисления и восстановления табл. 8. Таблица 8. Металлы и окислители.

Металл Окислитель Металл Окислитель Al Zn Cr Ni F2 H2O2 MnO4- Cr2O72- Sn Cu Ag Au Br2 HNO3 Fe2 I2 Жидкостное травление Al изотропно и сопровождается уходом края профиля травления рис. 1 на 1-2 мкм. Воспроизводимость размеров при травлении партии пластин составляет 1 мкм. Структуры обычно перетравлены, так как металлические пленки содержат дефекты - зерна, преципитаты, а также подвержены напряжениям.

Металлы при контакте друг с другом изменяют свой электрохимический потенциал см. формулу 38 гальванический эффект, что ускоряет их собственное травление и ведет к сильному подтравливанию нижележащего металлического слоя. Например, слой Al в NaOH стравливается сам по себе за 7 мин. При контакте с PtAu его травление оканчивается через 1 мин. Травители для алюминия. Травление алюминия проводится в щелочной или кислотной среде.

Широко применяется травитель, состоящий из концентрированной H3PO4 76, ледяной уксусной кислоты 15, концентрированной азотной кислоты 3 и воды 5 по объему. Согласно исследованиям, процесс состоит из двух стадий - формирования Al3 и образования AlPO4, контролируемых скоростями соответствующих реакций Al2O3 медленно Al -3еHNO3 Al3 быстро быстро Пленка медленно Растворимый AlPO4. 40 Вода в фосфорной кислоте препятствует растворению Al2O3, но она способствует растворению вторичного продукта AlPO4. Сила тока пропорциональна скорости травления.

Если ток приложен к алюминию, то отмечается анизотропия травления. Энергия активации травления Al в H3PO4HNO3 равна 13.2 ккалмоль, что предполагает ограничение процесса скоростью растворения Al2O3 в H3PO4. Выделяемый газ есть смесь Н2, NO и NO2. Адсорбция газов на поверхности Al является постоянной проблемой при использовании вязких травителей. Пузырьки способны замедлять травление - под ними образуются островки недотравленного металла, которые могут замыкать близко расположенные проводники. Рис. 17. Образование пузырьков во время жидкостного травления пленки железоникелевого сплава.

Преимущест-венная адсорбция газообразных продуктов на боковой стенке ограничивает боковое подтравливание. Неожиданным примене-нием адсорбции пузырь-ков явилось ее исполь-зование для сглаживания краев профиля при травлении железонике-левых пленок в HNO3 рис. 17. Как только начинается процесс трав-ления, пузырьки окиси азота собираются вдоль боковой кромки. Адсор-бированный промежуточ-ный продукт NO2 действует как сильный окислитель при травлении металла, и травление в боковом направлении ускоряется.

Адсорбция газов на боковой стенке рис. 17 использовалась также для снижения бокового подтравливания Al при его травлении в Н3РО4. Снижение давления в камере травления с 105 до 103 Па приводило к уменьшению подтравливания с 0.8 до 0.4 мкм. В результате адсорбции мелких пузырьков водорода на боковой стенке на ней образовывался эффективный диффузионный барьер.

Для снижения бокового подтравливания Al с 1.0 до 0. 25 мкм было предложено несколько травителей табл. 9, содержащих добавки сахарозы полиспирта и ПАВ. Таблица 9. Травители для алюминия. Травитель Резист1 Применение 1. Na3PO4, Na2CO3, K3FeCN6 2. K3FeCN6 3. H3PO4, HCLO4, H2O, ПАВ 4. H3PO4, HNO3, ПАВ, сахароза 5. HCl 6. HCl, HNO3, CuNO32 7. Щелочь, изопропанол 8. ДНХ-проявитель ДХН, АК АК ДХН,АК АК АК Уменьшение подтравливания до 0.5 мкм Минимизация количества пузырьков Уменьшение подтравливания Подтравливание 0.25 мкм Все гальванически осажденные металлы, включая Al травление распылением электролита, устранение подтравливания Устранение неоднородности травления AlCu Универсальный травитель Al разрушается при достаточной концентрации проявителя 1 АК - циклокаучук с азидами, резисты типа KTFR ДХН - новолак с хинондиазидами, резисты типа AZ-1350. Некачественно травление Al обусловлено несколькими факторами 1 недопроявленный резист 2 неравномерность толщины 3 напряжения в пленках поверх ступенек 4 гальваническое ускорение травления из-за наличия преципитатов Al-Cu 5 неравномерность толщины окисла 6 нестабильность температуры 1оС. Эти факторы приводят к перетравливанию и закорачиванию.

Хром является вторым после алюминия металлом, наиболее часто подвергающимся травлению. Он широко используется при изготовлении фотошаблонов.

В качестве травителя используется сульфат церияHNO3. Вследствие индукционного эффекта формирования верхнего слоя Cr2O3 травление пленки нелинейно, и поэтому момент окончания травления не может быть определен по ее начальной толщине.

Электрохимическое травление. Прикладывая потенциал к металлу, покрытому резистной маской, можно перенести рисунок в материал в более мягких травителях, чем при травлении в химически равновесных условиях. Платина, например, обычно травится в горячей царской водке HClHNO3, которая снимает большинство резистов.

Подавая потенциал 1.0 В, можно травить платину в разбавленной HСl. В технологии предпочтительнее электрохимические процессы, так как для них точнее определяется момент завершения травления рис. 18, их легко автоматизировать, применяя оборудование для электроосаждения. Подложки являлись анодом в ячейке, к которой прикладывалось напряжение рис. 18. Ток ячейки быстро Рис. 18. Автоматизация определения окончания процесса путем контроля тока I при электро-химическом травлении. поднимается до пикового значения вслед-ствие поляризации электролита и затем снижается до стационарного значения Iо. Окончание травления сопровождается фиксированным процентным снижением тока. Контактное сопротивление должно быть низким 1Омсм, чтобы обес-печить точное регулирование требуемой для травления силы тока. Электрохими-ческое воздействие аналогично реактив-ному ионно-лучевому травлению, поскольку ионы движутся направленно.

Практические аспекты жидкостного химического травления.

Практические аспекты жидкостного химического травления ЖХТ связаны со статическми и динамическими характеристиками этого процесса, а также с его конечными результатами. Таблица 10. Аспекты ЖХТ. Статтистические характеристики Динамические характеристики Результаты ЖХТ Однородность пленки Состав пленки Молярность травителя Состав травителя Размер изображения в резисте Температура Объем травителя Разбрызгивание травителя Перемешивание травителя Скорость травления Эрозия резиста Ослабление адгезии Момент прекращения травления Истощение травителя Подтравливание Проколы Закорачивание, разрывы Допуск на изменение размеров Селективность Наклон стенок Изменение размеров К трем основным переменным процесса жидкостного травления относятся толщина травимого слоя, температура и время обработки.

Перемешивание реагента не играет существенной роли в случае ограничения скорости на стадии химической реакции. Скорость большинства процессов жидкостного травления HF ограничена скоростью химической реакции.

Типичные флуктуации перечисленных переменных могут привести к перетравливанию. Перетравливание или неполное стравливание фатально не столько из-за большого ухода размеров, сколько из-за того, что оно затрудняет проведение последующих технологических операций, например диффузии. Чем толще удаляемая пленка, тем больше уход размеров вследствие подтравливания и тем больше допуск на этот уход. Проколы уменьшают выходы годных, причем величина этого уменьшения определяется чувствительностью конкретной схемы к размерам, местоположению и плотности дефектов.

Травление переводит точечный дефект в резисте в рисунок на подложке. Если максимальный размер проколов по порядку величины сравним с изменением размеров при ЖХТ 0.4-1.0 мкм, то резко возрастает вероятность образования разрывов в сплошных линиях.