Россия
Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 621.382.2/.3 Электрические полупроводниковые приборы
Исследование посвящено выявлению факторов, влияющих на скорость удаления (травления) пленок пирогенного окисла кремния (SiO2). В качестве внешних факторов, влияющих на скорость удаления пирогенного SiO2, выбраны основные настраиваемые параметры процессов установки реактивно-ионного плазмохимического травления. В ходе исследования изменялись: время травления, мощность, давление в камере, доля газа в газовой смеси, поток газов при сохранении давления в камере, температура внутрикамерного столика. Проанализированы результаты каждого эксперимента и выполнены необходимые расчеты. Приведены графики, наглядно поясняющие влияние на скорость того или иного внешнего фактора или его изменение. Опытным путем определен оптимальный набор параметров реактивно-ионного плазменного травления пленок пирогенного SiO2, который можно использовать в процессе реверс-инжиниринга кристаллов полупроводниковых приборов и структур с такими окислами. При этом удаление пирогенной окисной пленки не влияет на целостность исследуемых полупроводниковых кристаллов или структур.
травление, скорость удаления, пирогенный SiO2, давление, мощность, газы, температура, установка реактивно-ионного плазмохимического травления
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. Зима В.Н., Кузнецов А.Н., Кузнецова С.А. Плазмохимическое травление пленок диоксида кремния // Техника радиосвязи. – 2019. – № 3(42). – С. 99-106.
2. Исследование процесса плазмохимического травления пленок SiO2 / Т.А. Исмаилов, П.Р. Захарова, Б.А. Шангереева, А.Р. Шахмаева // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. – 2014. – № 4(35). – С. 56-62.
3. Симонов О. Использование микроволновой плазмы для удаления фоторезиста при групповой обработке полупроводниковых пластин // Электроника: Наука, технология, бизнес. – 2017. – № 2(162). – С. 180-184.
4. Золотухин Д.Б., Тюньков А.В., Юшков Ю.Г. О возможности ионного травления, инициированного электронным пучком // Взаимодействие излучений с твердым телом: Материалы 13-й Международной конференции, Минск, 30 сентября – 03 2019 года / Редколлегия: В.В. Углов [и др.]. – Минск: Белорусский государственный университет, 2019. – С. 533-535.
5. Патент №2451114 Российская Федерация, МПК C23F 1/08 (2006.01) Устройство для локального плазмохимического травления подложек: № 2010127723: заявл. 05.07.2010: опубл. 20.05.2012 / Абрамов В.А., Аксенова Л.А., Климов А.В., Рубинштейн В.М., Сергиенко А.И., Цукерман А.А., Черных В.К.; заявитель Научно-исследовательский институт полупроводникового машиностроения. – 12 с.
6. Патент №17626 Российская Федерация, МПК H01J 37/32 (2006.01) Установка локального ионного травления диэлектрических поверхностей: № 2016142843: заявл. 31.10.2016: опубл. 03.0.2017 / Бурдовицин В.А., Окс Е.М., Тюньков А.В., Баджамапов З.А.; заявитель Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. – 9 с.
7. Патент №76918 Российская Федерация, МПК C23C 14/00 (2006.01) Вакуумная ионно-плазменная установка: № 2008117861: заявл. 04.05.2008: опубл. 10.10.2008 / Смыслов А.М., Смыслова М.К, Дыбленко Ю.М., Мингажев А.Д., Годовская Г.В., Исанбердин А.Н., Дыбленко М.Ю.; заявитель Научно-производственное предприятие «Уралавиаспецтехнология». – 28 с.
8. Волков А.В., Казанский Н.Л., Колпаков В.А. Расчет скорости плазмохимического травления кварца // Компьютерная оптика. – 2001. – № 21. – С. 121-125.
9. Костин И.Ю. Зависимость скорости травления плазмохимического нитрида кремния от параметров осаждения диэлектрических пленок // Современные тенденции развития науки и технологий. – 2016. – № 3-2. – С. 120-123.
10. Шаныгин В.Я., Яфаров Р.К. Влияние энергии ионов на скорость и качество СВЧ плазмохимического травления пластин кремния // Нелинейный мир. – 2009. – Т. 7, № 3. – С. 218-220.
11. Реактивное ионное травление URL: http://www.sanhelian.xyz/products/17810804.html (дата обращения: 20.09.2024 г.)
12. Гурова Ю.В. Разделение кристаллических пластин методом скрайбирования // International scientific review of the technical sciences, mathematics and Computer science : COLLECTION OF SCIENTIFIC ARTICLES. XI INTERNATIONAL CORRESPONDENCE SCIENTIFIC SPECIALIZED CONFERENCE, Boston, 10–11 июня 2019 года / EDITOR: EMMA MORGAN. – Boston: PROBLEMS OF SCIENCE, 2019. – С. 20-33.
