Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
UDK 621.382.2/.3 Электрические полупроводниковые приборы
The study is devoted to identifying factors affecting the removal rate (etching) of pyrogenic silicon oxide (SiO2) films. The authors select the main adjustable parameters of the reactive ion plasma-chemical etching setup as external factors affecting the removal rate of pyrogenic SiO2. During the study, the authors change etching time, power, chamber pressure, gas proportion in the gas mixture, gas flow while maintaining the pressure in the chamber, and the temperature of the intra-chamber table. The paper analyzes the results of each experiment, makes the necessary calculations, provides with the graphs that clearly explain the effect of a particular external factor or its change on the rate. An optimal set of parameters for reactive ion plasma etching of pyrogenic SiO2 films is determined empirically, which one can use in the process of reverse engineering of semiconductor device crystals and structures with such oxides. In this case, removing the pyrogenic oxide film does not affect the integrity of the studied semiconductor crystals or structures.
etching, removal rate, pyrogenic SiO2, pressure, power, gases, temperature, reactive ion plasma-chemical etching unit
Введение
Плазмохимическое травление – технология послойного удаления материала с поверхности исследуемого образца (полупроводниковой пластины или других объектов). Реактивно-ионное плазмохимическое травление основано на химическом взаимодействии материала подложки с ионами, которые поступают из плазмы (газового разряда).
Исследованию процессов травления окисных пленок и других материалов посвящено достаточно много работ как отечественных, так и зарубежных исследователей [1 – 10], включая патенты, в которых описываются конструктивные варианты установок для локального плазмохимического травления подложек, используемых в производстве БИС, СБИС [5]; травление окислов алюминия [6]; обработки длинномерных изделий [7]. В работах [8 – 10] анализируются влияние различных факторов на скорость процесса плазмохимического травления.
Травление, в том числе плазмохимическое, применяется в процессе производства и изготовления электронной компонентной базы (ЭКБ), а также в операциях реверс-инжиниринга ЭКБ. В данной работе исследование скорости удаления пирогенного окисла SiO2 проводилось на установке MD FA100E-RIE [11], предназначенной для травления диэлектриков: поликремния, SiO2 (оксида кремния), Si3N4 (нитрида кремния), других материалов. Также эту установку можно использовать для извлечения кристалла интегральных микросхем (ИМС) из корпуса путем удаления излишков компаунда, покрывающего полупроводниковый кристалл, и для автоматизации выполнения задач по удалению диэлектрических пленок по настроенным режимам («рецептам») травления.
Цель и задача
Целью работы является определение параметров установки ПХТ, изменение которых оказывает наибольшее влияние на скорость травления пирогенного окисла, а также подбор оптимальных режимов работы («рецептов») для травления пирогенного SiO2.
Задача работы – получение экспериментальных зависимостей скорости травления от настраиваемых параметров установки, таких как: время травления; мощность плазмы; давление в камере, на которое влияет открытие заслонки; расход газов; состав газовой смеси; температура внутрикамерного столика.
Для решения задачи последовательно изменялся один параметр из возможных в пределах допустимых значений и отслеживался получившийся результат.
Решение задачи и исследование
Проведение эксперимента потребовало подготовительных этапов: измерение исходной толщины пирогенного SiO2 на пластине и разделение ее на фрагменты.
Для разделения кремниевой пластины с пирогенным SiO2 на фрагменты применялся упрощенный метод скрайбирования [12], суть которого заключается в нанесении рисок иглой из корунда (параллельно или перпендикулярно базовому срезу пластины) и последующем надавливании на пластину, вследствие чего она разламывается. Таким образом для проведения экспериментов в работе обеспечивается применение испытуемых образцов с идентичными исходными характеристиками.
Замеры толщины слоя окисла проводились с помощью интерферометра LEITZ MPV-SP Film Thickness Measuring System. Первоначальная толщина слоя оксида составляла 403 нм, а результатом травления является уменьшение этого параметра. Данные об изменении толщины окисла применялись в расчетах скорости травления.
В ходе эксперимента после запуска процесса травления регистрировались данные о давлении в камере. При значительных отклонениях давления от значений, рекомендованных производителем, производилась корректировка режима посредством изменения степени открытия заслонки.
В табл. 1 представлены данные о проведенных опытах: показатели заданных режимов травления и результаты замеров толщины оксида и давления в камере. Для решения задачи изменение параметров проводилось поэтапно и только по одному параметру относительно показателей стартового процесса в пределах допустимых значений для установки ПХТ. Тем самым сформированы группы экспериментов, соответствующие каждому параметру.
Параметры, изменяемые в ходе исследования:
– время выполнения процесса травления;
– мощность источника плазмы;
– степень открытия заслонки (перекрытие процессной камеры от источника плазмы);
– расход газов – соотношение доли активных газов (аргон, кислород, хладон) в объеме смеси для процесса травления;
– температура столика для образца.
В качестве стартового процесса заданы параметры в соответствии с рекомендациями производителя для установки ПХТ (эксперимент 1). Далее проведена оценка зависимости скорости травления от времени выполнения процесса: для эксперимента № 2 задан режим, аналогичный стартовому процессу, но с удвоенной длительностью. Толщина слоя уменьшилась на величину почти в два раза большую по сравнению с результатом первого эксперимента, т.е. при изменении времени травления скорость практически не изменяется. Это говорит о стабильности процесса и возможности его применения для травления диэлектрических слоев в ИМС.
Таблица 1
Данные экспериментов
Table 1
Experimental data
|
№ экспе- |
Заданный режим травления |
Результат |
|||||||
|
Время (с) |
Мощность (Вт) |
Открытие заслонки (%) |
Расход газа (см3) |
Темпера- |
Давление в камере (Pa) |
Толщина слоя SiO2 после травления (нм) |
|||
|
Ar |
O2 |
CF4 |
|||||||
|
1 |
120 |
150 |
25 |
25 |
0 |
150 |
20 |
8,1 |
286 |
|
2 |
240 |
150 |
25 |
25 |
0 |
150 |
20 |
8,1 |
174 |
|
3 |
120 |
100 |
25 |
25 |
0 |
150 |
20 |
8,1 |
325 |
|
4 |
120 |
200 |
25 |
25 |
0 |
150 |
20 |
8,1 |
251 |
|
5 |
120 |
250 |
25 |
25 |
0 |
150 |
20 |
8,1 |
222 |
|
6 |
120 |
150 |
15 |
25 |
0 |
150 |
20 |
14,1 |
249 |
|
7 |
120 |
150 |
20 |
25 |
0 |
150 |
20 |
12,1 |
262 |
|
8 |
120 |
150 |
30 |
25 |
0 |
150 |
20 |
5,1 |
302 |
|
9 |
120 |
150 |
26* |
50 |
0 |
150 |
20 |
8,1 |
293 |
|
10 |
120 |
150 |
27* |
75 |
0 |
150 |
20 |
8,1 |
297 |
|
11 |
120 |
150 |
29* |
100 |
0 |
200 |
20 |
8,1 |
291 |
|
12 |
120 |
150 |
25 |
25 |
10 |
150 |
20 |
8,1 |
284 |
|
13 |
120 |
150 |
25 |
25 |
20 |
150 |
20 |
8,1 |
282 |
|
14 |
120 |
150 |
25 |
25 |
0 |
150 |
15 |
8,1 |
283 |
|
15 |
120 |
150 |
25 |
25 |
0 |
150 |
25 |
8,1 |
291 |
|
16 |
120 |
250 |
15 |
25 |
0 |
150 |
20 |
14,1 |
68 |
|
17 |
120 |
250 |
15 |
25 |
0 |
200 |
20 |
16,1 |
134 |
|
18 |
120 |
250 |
12 |
25 |
0 |
200 |
20 |
23,1 |
166 |
|
19 |
120 |
250 |
10 |
25 |
0 |
200 |
20 |
101,1 |
215 |
|
20 |
120 |
250 |
15 |
25 |
0 |
150 |
20 |
14,1 |
142 |
|
21 |
120 |
250 |
15 |
25 |
0 |
150 |
20 |
14,1 |
155 |
|
22 |
120 |
200 |
20 |
25 |
0 |
150 |
20 |
12,1 |
224 |
|
23 |
120 |
200 |
20 |
25 |
0 |
150 |
20 |
12,1 |
232 |
|
24 |
120 |
200 |
20 |
25 |
0 |
150 |
20 |
12,1 |
215 |
Скорость травления рассчитывалась из соотношения изменения толщины пленки оксида в течение процесса ко времени процесса:
|
|
(1) |
где 
– скорость травления; 
– исходная начальная толщина слоя оксида; 
– толщина слоя оксида поле травления; 
– время выполнения процесса травления.
Расчет скорости травления в экспериментах 3 – 5 показывает, что при увеличении мощности источника скорость травления возрастает. График зависимости скорости травления от мощности источника представлен на рис. 1.
В ходе экспериментов 6 – 8 исследуемым параметром было давление в камере, которое зависело от того, насколько открыта заслонка для перекрытия процессной камеры от источника плазмы. Выявлено, что давление в камере в меньшей степени изменяет скорость травления, чем при увеличении мощности источника (рис. 2).
Следующим исследуемым параметром является расход газов. В экспериментах 9 – 13 менялось соотношение доли аргона и хладона [Ar:CF4] в смеси. При этом в процессах 12 и 13 было исследовано изменение скорости травления при добавлении кислорода в смесь Ar:CF4. Для чистоты эксперимента в данных опытах корректировалось значение степени открытия заслонки (установление значения давления в камере, соответствующего стартовому процессу).
|
|
|
|
Рис. 1. Зависимость скорости травления от мощности Fig. 1. Dependence of etching rate on power |
Рис. 2. Зависимость скорости травления от давления в камере Fig. 2. Dependence of the etching rate on the pressure in the chamber |
В результате опытов 9 – 13 выявлено, что уменьшение доли хладона относительно доли аргона в газовой смеси снижает скорость травления (рис. 3), при этом добавление кислорода в смесь Ar:CF4 оказывает иное влияние на скорость травления: по сравнению с результатом стартового процесса скорость травления возрастает, однако дальнейшее увеличение доли кислорода дает прирост скорости всего на 0,7 %.
Последним исследуемым параметром являлась температура столика для образцов. В экспериментах 14 и 15 температура столика для образцов изменялась в допустимых для установки ПХТ пределах. В результате данных опытов выявлено значительно меньшее влияние на скорость травления пирогенного окисла по сравнению с результатами предыдущих опытов (рис. 4): с изменением температуры столика в пределах допустимых значений изменение скорости травления измеряется сотыми долями нм/с, тогда как на графиках 1 – 3 заметно изменение скорости с шагом в дес ятых долях нм/с.
|
|
|
|
Рис. 3. Зависимость скорости травления от соотношения доли аргона и хладона в смеси Fig. 3. Dependence of the etching rate on the ratio of the proportion of argon and freon in the mixture |
Рис. 4. Зависимость скорости травления от температуры стола Fig. 4. Dependence of etching rate on table temperature |
На основе проведенных исследований выведен режим работы установки для получения наибольшей скорости травления пирогенного окисла (эксперименты № 16 и 17). Дополнительно в 18 и 19 экспериментах изменялась степень открытия заслонки.
Наибольшая скорость травления наблюдается в 16-м эксперименте. Исходя из результатов 1 – 15 процессов, предполагается, что эксперименты 17 – 19 должны обладать большей скоростью травления в сравнении с 16-м, однако наблюдается обратная тенденция. Результаты расчета скорости травления по формуле (1): в шестнадцатом процессе скорость равна 2,792 нм/с, в семнадцатом – 2,250 нм/с, в восемнадцатом эксперименте было найдено среднее значение скорости – 1,975 нм/с, в девятнадцатом – 1,475 нм/с.
|
Кроме того, в результате экспериментов 18 и 19 наблюдается неравномерность травления: на поверхности наблюдаются характерные цветовые переходы (рис. 5). Следовательно, применение режимов травления с характеристиками, заданными в экспериментах 18 и 19, недопустимо для процессов производства ЭКБ. Повторение шестнадцатого процесса в экспериментах 20 и 21 дает разброс значения скорости травления в среднем более 10 %, что говорит о его нестабильности. Это может быть связано либо с высокой мощностью, либо с сильным закрытием заслонки. Для проведения экспериментов 22 – 24 задан режим с корректировкой мощности и закрытия заслонки. |
|
Рис. 5. Результат эксперимента №19 Fig. 5. Result of experiment №19
|
Расчет скорости травления по формуле (1) показывает достаточно стабильный процесс (разброс скорости составляет не более 5 %), при этом достигается максимальная скорость травления пирогенного окисла в допустимых режимах работы установки без проявления разрушений кремниевой подложки.
В ходе работы проведено исследование влияния изменения параметров режима травления в установке ПХТ MD FA100E-RIE и определен оптимальный режим ее работы для травления пирогенного SiO2 с параметрами:
– время выполнения процесса травления 120 с;
– мощность источника плазмы 200 Вт;
– степень открытия заслонки 20 %;
– расход газов: аргон 25 см3 Ar, хладон 150 см3;
– температура столика для образца 20 °C.
Заключение
Рассмотренные в работе эксперименты направлены на исследование скорости травления пирогенного SiO2, а именно факторов, которые оказывают на нее влияние. Исследование позволило установить, что такие параметры, как время травления, поток газов при сохранении давления в камере, добавка кислорода в смесь Ar:CF4 и изменение температуры стола практически не оказывают влияния на скорость травления.
Уменьшение доли аргона в газовой смеси Ar:CF4 снижает скорость травления.
Выявлены факторы, позволяющие существенно увеличить скорость травления: мощность источника плазмы и давление в камере.
В ходе проведения экспериментов опытным путем были определены параметры процесса, который характеризуется наибольшей скоростью травления пирогенного SiO2 и не оказывает разрушающего влияния на кремниевую подложку. Такой режим работы установки MD FA100E-RIE можно использовать при вскрытии кристаллов, у которых роль защиты играет пирогенный SiO2.
1. Zima V.N., Kuznetsov A.N., Kuznetsova S.A. Plasma-Chemical Etching of Silicon Dioxide Films. Radio Communication Technology. 2019;3(42): 99-106.
2. Ismailov T.A., Zakharova P.R., Shangereeva B.A., Shakhmaeva A.R. Research Process Plasma Etching SiO2 Membrane. Herald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences. 2014;4(35):56-62.
3. Simonov O. The Use of Microwave Plasma to Remove Photoresist During Group Processing of Semiconductor Wafers. Electronics: Science, Technology, Business. 2017;2(162):180-184.
4. Zolotukhin D.B., Tyunkov A.V., Yushkov Yu.G. On the Possibility of Ion Etching Initiated by an Electron Beam. In: Uglov V.V., et al, editors. Proceedings of the 13th International Conference on Interaction of Radiation With a Solid Body; 2019 Sep 30 – Oct 03; Minsk: Belarusian State University: 2019. p. 533-535.
5. Abramov V.A., Aksenova L.A., Klimov A.V., Rubinstein V.M., Sergienko A.I., et al. Device for Local Plasma-Chemical Etching of Substrates. Patent RF, no. 2451114. Research Institute of Semiconductor Engineering; 2012.
6. Burdovitsin V.A., Oks E.M., Tyunkov A.V., Bajamapov Z.A. Installation for Local Ion Etching of Dielectric Surfaces. Patent RF, no. 17626. Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics; 2017.
7. Smyslov A.M., Smyslova M.K., Dyblenko Yu.M., Mingazhev A.D., Godovskaya G.V., et al. Vacuum Ion-Plasma Installation. Patent RF, no. 76918. Research and Production Enterprise Uralaviaspetstekhnologiya; 2008.
8. Volkov A.V., Kazansky N.L., Kolpakov V.A. Calculation of the Rate of Plasma-Chemical Etching of Quartz. Computer Optics. 2001;21:121-125.
9. Kostin I.Yu. Dependence of the Etching Rate of Plasma-Chemical Silicon Nitride on the Parameters of the Dielectric Film Deposition. Modern Trends in the Development of Science and Technology. 2016;3-2:120-123.
10. Shanygin V.Ya., Yafarov R.K. Influence of Ion Energy on the Speed and Quality of Microwave Plasma-Chemical Etching of Silicon Wafers. Nonlinear World. 2009;7(3):218-220.
11. Reactive Ion Etching [Internet] [cited 2024 Sep 20]. Available from: http://www.sanhelian.xyz/products/17810804.html
12. Gurova Yu.V. Separation of Crystalline Plates by Scribing. In: Morgan E, editor. Proceedings of the 21st International Correspondence Scientific Specialized Conference on International Scientific Review of the Technical Sciences, Mathematics and Computer Science; 2019 Jun 10-11; Boston: Problems of Science: 2019. p. 20-33.
