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 2 Аспекты ЖХТ.

Статтистические характеристики	Динамические характеристики	Результаты ЖХТ
Однородность пленки	Разбрызгивание травителя	Подтравливание
Состав пленки	Перемешивание травителя	Проколы
Молярность травителя	Скорость травления	Закорачивание, разрывы
Состав травителя	Эрозия резиста	Допуск на изменение размеров
Размер изображения в резисте	Ослабление адгезии	Селективность
Температура	Момент прекращения травления	Наклон стенок
Объем травителя	Истощение травителя	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.

Другие характеристики травления.

Однородному распределению температуры в ванне с реагентом способствует перемешивание. Ультрафильтрация раствора травителя в процессе ЖХТ счищает реагент от остатков резиста и других твердых частиц, способных блокировать травление. Во избежание загрязнений бачок с травителем должен быть закрыт и изолирован от другого оборудования. Необходимо тщательно подбирать совместимые с реагентом материалы элементов установок, иначе неизбежны загрязнения и утечки. Для определения момента окончания травления и оценки величины перетравливания удобно одновременно проводить травление дифракционных решеток или элементов с меньшим характерным размером, чем в основном изображении. Время жизни реагента можно вычислить по стехиометрии химической реакции. Например, для травления 1 моль SiO₂ требуется 6 молей HF. Предположим, что надо обработать 25% площади 100-мм пластины в буферном растворе 2М HF с соотношением компонентов 1:7 соответственно (см. рис. 10). В ванне емкостью 8 литров содержится 16 молей HF.

SiO₂ + 6HF  H₂SiF₆ + 2H₂O. (41)

Полагаем падение скорости травления на 20% предельным, что соответствует уменьшению концентрации HF также на 20% (рис.10). Для пленки SiO₂ толщиной t=0.5 мкм и плотностью  вычисляем количество удаленных молей SiO₂:

Моли SiO₂ =  r² t / SiO₂ = = 3.14(25 см²) 510^-5 см(2.3 г/см³)/60 (42)

На одну пластину требуется 4.810^-4 молей HF, следовательно, в нашей ванне с учетом 20%-ного падения скорости (это соответствует 3.2 молям HF) можно обработать 25000 подложек. Если производительность установки равна 500 пластин в день, то раствор в танке придется менять раз в 50 дней (если пренебречь потерями материала и загрязнениями).

 

Заключение.

Травление - критическая стадия литографического процесса. На этой стадии жестко испытываются адгезия, непроницаемость, уровень дефектности и химическая инертность резиста. Стойкость резиста к травлению и его адгезия к подложке являются, возможно, наиболее важными параметрами резистного литографического процесса и в наибольшей степени определяют его успех. Применение резиста с высокой стойкостью к травлению гарантирует минимальное искажение изображения при переносе его в подложку. Практические пределы применимости процесса ЖХТ определяются его разрешением -1.5-2.0 мкм - и уходом размеров при травлении - 0.2-0.5 мкм.

 

1.2 Сравнительный анализ входных и выходных факторов, присущих данной операции

Управление процессом роста пленки осуществляется путем контроля следующих основных параметров технологического процесса (ТП):

1) Температура подложки

2) Скорость травления

3) Степень чистоты реактивов

4) Степень чистоты подложки

5) Толщина травимого слоя

6) Время обработки

7) Пробивное напряжение

 

Кроме того, результаты химического травления окон в оксидной маске для диффузии в кремнии будут в некоторой степени зависеть от различных неконтролируемых факторов: погрешностей в работе технологического оборудования; его износа; неточности приспособлений и технологической оснастки; неоднородности свойств материалов и заготовок изделий и др.

В общем случае технологическая операция (ТО) термического окисления кремния, как и любой другой ТП, может быть представлена в виде «черного ящика» (рис. 1) с четырьмя группами параметров.

 

Рис. 1- Представление исследуемого процесса в виде «черного ящика»

 

 

Также на качество ТП большое влияние оказывают характеристики исходных материалов и образцов:

- степень чистоты поверхности подложки;

- уровень легирования подложки;

- степень чистоты реактивов (О₂, N₂, Н₂O).

Кроме того, результаты термического окисления будут в некоторой степени зависеть от различных неконтролируемых факторов: погрешностей в работе технологического оборудования; его износа; неточности приспособлений и технологической оснастки; неоднородности свойств материалов и заготовок изделий и др.

В общем случае технологическая операция (ТО) термического окисления кремния, как и любой другой ТП, может быть предcтавлена в виде «черного ящика» (рис.3) с четырьмя группами параметров.

1 группа параметров - входные контролируемые и управляемые параметры: в операции термического окисления к этой группе факторов относятся первые шесть из перечисленных. В дальнейшем, при анализе ТП, будут рассматриваться только эти факторы, так как они призваны уменьшать погрешности ТП и поддерживать заданные технологические режимы, обеспечивая тем самым получение продукции с заданными параметрами качества. Непосредственно в производстве задаются пределами измене-ния каждого фактора: Хты 1<Х;<хтах,. Например: 850° С</ПоДл< <1300° С, 1 МПа<Р<50 МПа, 60° С</Нао <95° С. Из всей группы факторов {х;} всегда можно выделить доминирующие, т. е. те, которые оказывают наибольшее влияние на качество ТП. Существуют различные методики выявления наиболее существенных технологических факторов. Основными из них являются метод ранговой корреляции, метод насыщенных планов и метод сверхнасыщенных планов.

2 группа параметров - Входные контролируемые, но неуправляемые факторы: В термическом окислении к мим относятся: степень чистоты подложки, уровень легирования подложки, степень чистоты реактивов и другие факторы, управление которыми ведется на предыдущих операциях ТП. Эти факторы вносят систематическую погрешность в точность ТП, но если их влияние не деформирует закон распределения параметров качества ТГ1, то нет необходимости в их контроле и анализе.

3 группа параметров - Входные неконтролируемые и неуправляемые факторы: к этой группе относятся случайные и, следовательно, неконтролируемые параметры исходных материалов и оборудования. Количество этих факторов велико, они неуправляемы и создают «шум» на входе ТП.

Рисунок 4 - Схема взаимодействий входных факторов и выходных параметров исследуемого процесса

4 группа параметров - выходные параметры несут информацию о качестве ТО и удовлетворяют установленным допускам:

Операция термического окисления характеризуется следующими параметрами качества: точностью толщины слоя оксида; однородностью слоя; беспористостью слоя; чистотой слоя; плоскостностью пластины кремния и др.

Все эти параметры относятся к физическим параметрам качества оксидного слоя.

При анализе ТП важно определить зависимость выходных параметров качества от входных контролируемых и управляемых факторов. В операции термического окисления каждый выходной параметр (толщина слоя, его дефектность и др.) зависит от суммарного действия всех входных факторов (Рис.4).

Распределения влияния входных факторов на различные параметры качества будут при этом разные, но это не позволяет выделить какой-либо наиболее существенный выходной параметр ТП. Правда, необходимо учитывать также влияние выходных факторов друг на друга. Например, толщина слоя оксида влияет на плоскостность пластины и беспористость слоя, в свою очередь плоскостность пластины влияет на беспористость и однородность слоя из-за возникновения при изгибе пластины механических напряжений. В этом смысле наиболее информативным из всех физических параметров качества окажется толщина слоя оксида, так как она определяет и другие электрофизические параметры изделий. В данной операции термического окисления Si толщина слоя используется в качестве критерия окончания ТП. Контроль толщины слоя оксида позволяет регистрировать моменты окончания окисления и автоматизировать управление процессом.

Выбор наиболее существенного выходного параметра должен осуществляться исходя из цели и назначения ТО. При этом должны учитываться электрофизические параметры качества ТП. Допустим, что данная операция термического окисления входит в общий ТП изготовления МОП-структуры, и образуемый на этой операции оксид будет являться подзатворным. Тогда качество ТО будет определяться следующими электрофизическими характеристиками оксида:

1) удельной емкостью (Суд, мкФ/см2);

2) пробивным напряжением (^пр0б, В);

3) диэлектрическими потерями (1§б);

4) термическим коэффициентом емкости (ТКЕ, град-1);

5) удельным сопротивлением (руд, Ом-см);

6) диэлектрической проницаемостью (е).

Эти электрофизические параметры являются менее информативными по сравнению с физическими характеристиками оксида, так как являются прозводными от них, например, емкость МОП-конденса-тора (С = е5/4яЛ) зависит от толщины слоя оксида, его чистоты,, беспористости и однородности. Но исследовать эти параметры необходимо, так как они сильно влияют на интегральную характеристику качества изделия. Надо отметить, что из-за низкой информативности этих параметров осложняется анализ ТП, так как при этом необходимо учитывать большое количество входных факторов.

 

1.3. Обоснованный выбор наиболее существенного выходного параметра качества

Наиболее существенными параметрами, характеризующими качество подзатворного оксида, являются Суд и ЕПроб, так как они определяют соответственно быстродействие и электрическую прочность МОП-структуры. Однако контроль Суд непосредственно после операции термического окисления невозможен, так как требуется еще произвести напыление металлической пленки на оксид. Поэтому в качестве выходного параметра данного ТП выбирается пробивное напряжение слоя окисла у =(х1, х2 ... хR).

1.4 Отбор трех наиболее существенных факторов.

Обозначим наиболее сущетвенные факторы следующим образом:

1) х1— температура подложки;

2) х2 — Степень чистоты реактивов;

3) х3 — Толщина травимого слоя;

 

 

2.Описание операционного контроля выбранного параметра качества

Методика и цели операционного контроля термического окисления кремния были описаны в предыдущем разделе. Следует добавить, что интегральной оценкой точности ТО является выход годных изделий, т. е. вероятность Р выхода годных изделий, параметр качества которых находится в пределах установленного поля допуска.

Операционный контроль термического окисления пластин предполагает контроль, как выходного параметра, так и входных параметров: температуры, степень чистоты реактивов, толщина травимого слоя

.

 

Рис.2. Точностная диаграмма

Контроль давления 1 ... 10 МПа производится пружинным манометром с точностью 0,01 ...0,02 атм.

Температура в объеме реактора контролируется с помощью термопарного датчика, позволяющего измерять высокие температуры (свыше 1000° С). Точность измерения повышается введением в электрическую схему корректирующих звеньев, уменьшающих динамическую ошибку термопарного датчика.

Для непрерывного контроля содержания водяного пара в среде реактора применяется масс-спектрометр, который устанавливается в самом реакторе. Он позволяет измерять состав парогазовой смеси в широком диапазоне давлений.

Контроль пробивного напряжения МОП-структуры (выходного параметра ТО) производится, как уже говорилось, выборочным методом. На выбранные из пластины 51 кристаллы устанавливаются измерительные зонды, на которые подается постепенно увеличивающееся напряжение. Пробой слоя оксида фиксируется микроамперметром по резкому скачку тока в измерительной цепи. Когда выделение отдельных элементов из пластины невозможно, используются технологические тест-структуры, которые воспроизводят рабочие структуры и подобны им по конструктивно-технологическим параметрам. Для удобства измерения они формируются независимо от рабочих структур, но на той же кремниевой пластине.

Управление ТП окисления кремния осуществляется следующим образом. Встроенная аппаратура неразрушающего контроля толщины оксида позволяет не только следить за ходом ТП, но и автоматизировать сам процесс. При этом используется фотометрический измеритель толщины оксидной пленки, принцип действия которого основан на измерении показателя преломления материала.

Автоматизированная система фотометрического контроля строится с использованием ЭВМ. Излучателем служит гелий-неоновый лазер. Луч излучаемого им света попадает на кремниевую пластину через кварцевый реактор или специальное окошко в нем. Отраженное излучение принимается фотоприемником и преобразуется в электрический сигнал, который после предварительного усиления и нормирования обрабатывается в ЭВМ. Как только толщина оксида на одной из подложек (или средняя толщина на всех подложках) достигнет заданного наименьшего значения, ЭВМ выдаст команду на включение электропневматических клапанов, которые перекроют магистраль подачи парогазовой смеси и откроют магистраль продувки реактора азотом. После этого процесс окисления партии пластин заканчивается.

 

3. Проведение математического моделирования данного техпроцесса

3.1.Обоснование необходимости проведения моделирования выбранного техпроцесса (место и роль моделирования в общей схеме организации контроля качества данной ТО)

Таблица №1

Номер опыта	x0	x1	x2	x3	x1x2	x1x3	x2x3	y1	y2	y3	у4		S2ξ
	+	-	-	-	+	+	+	0.12	1.12	0.12	0.12	0.37	0.25
	+	+	-	-	-	-	+	0.06	0.07	0.08	0.08	0.0725	0.0001
	+	-	+	-	-	+	-	0.20	0.18	0.2	0.2	0.195	0.0001
	+	+	+	-	+	-	-	0.18	0.16	0.17	0.17	0.17	0.0017
	+	-	-	+	+	-	-	0.13	0.12	0.13	0.16	0.135	0.0003
	+	+	-	+	-	+	-	0.11	0.12	0.11	0.1	0.11	0.0001
	+	-	+	+	-	-	+	0.24	0.23	0.24	0.21	0.23	0.0002
	+	+	+	+	+	+	+	0.20	0.21	0.20	0.18	0.1975	0.0002

Современный ТП характеризуется повышенной сложностью и наличием множества контролируемых и неконтролируемых факторов, влияющих на него.

Для описания систем, представленных в виде «черного ящика» (см. рис.2), успешно применяется полиномиальная модель, дающая возможность учитывать множество входных факторов. Зависимость выхода ТП (вектора отклика Y) в этой модели от входных факторов xi, xj и т. д. определяется формулой

(1)

3.2.Построение математической модели ТП методом ПФЭ

Полиномиальная модель ТП для трех входных факторов опре-деляется из уравнения

 

Таблица№2

Факторы	Верхнии уровень	Нижнии уровень	Центр	Интервал
X1
X2
X3

 

Здесь безразмерная величина; х_0i — центр плана; — интервал варьирования по i-му фактору.

1) Матрица планирования типа ПФЭ (2³) представлена табл. 1. Где

 

—средние значения результатов

параллельных опытов; ξ =1,...,N; N = 8; n=2-4. По данным таблицы проводим следующие вычисления:

2) определяем дисперсию среднего арифметического внутри выборки

2)

 

3) осуществляем проверку однородности дисперсий по критерию Кохрена

 

Критическое значение критерия Кохрена:

V₁ =n-1=4-1=3

V₂=N=8

G_табл.=0,4377

С<Ст, поэтому гипотеза о равенстве выборочных дисперсий не верна (с определенной степенью риска р = 0,05), т. е. эксперименты не воспроизводимы.

4) рассчитываем коэффициенты полинома

b₀=0.185;

b₁=-0.0475;

b₂=0.013125;

b₃=-0.016875;

b₁₂=0.033125;

b₁₃=0.033125;

b₂₃=0.0325;

b₁₂₃=0.035;

5) определяем значимость найденных коэффициентов по критерию Стьюдента

=8(4-1)=24; р = 0,05.

=0,03158/24=0,036

=0,2527/8=0,03158

t_кр=2,06; t_кр*s²(bi)=2.06*0.036=0.074

Все коэффициенты кроме b₀ является незначимыми.

Таким образом, математическое описание функции отклика в заданной области имеет вид

y=b₀=0.185

6) производим проверку адекватности полученной модели, вычислив теоретические значения функции отклика у.

Разработанная математическая модель является неадекватной и поэтому значения функции отклика посчитать невозможно.

 

4. Анализ полученных выводов и выводы.

В результате математического моделирования технологического процесса, разработанная модель получилась неадекватной. Причинами этого могут быть неправильный подбор входных факторов, неправильный выбор уровней варьирования для линейной модели. Чтобы модель была адекватной технологическому процессу, необходимо усложнить модель, то есть построить нелинейную модель (полином 2-го, 3-го и т.д. порядка). Либо оставить линейную модель, при этом уменьшив интервал варьирования.

 

Список литературы.

1. Травление полупроводников [сборик статей]. Пер. с англ. С. Н. Горина. М.: Мир, 1965.

2. Перри Дж. Справочник Инженера-химика/ Пер. с англ. - Т.2. - М.: Химия, 1969.

3. Полтавцев Ю. Г., Князев А. С. Технология обработки поверхностей в микроэлектронике. - Киев: Тэхника, 1990.

4. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники.[Учеб. для ПТУ: в 10 кн.]. - М: Высш. шк., 1989.

5. Авдеев Е. В., Колтищенков В. М., Пантелеева Т. С. Двумерное топологическое модерирование травления//Электронная промышленность. - 1986.- №4.-С.14-17.

6. Голосов В. В. Электрохимическое травление GaAs. В сб.: Силовые п/п приборы. - Талин : Валгус, 1981.

7. Васильева Н. А., Ерофеева И. Г. Электрохимическое полирование подложек GaAs// Электронная промышленность. -1988.-№8.-С. 39-40.

8. Киреев В. А. Краткий курс физической химии. М.: Химия, 1978.