В процессах травления в плазме, чистая скорость травления уменьшается с ростом аспектного соотношения канавок. Кроме того, уменьшается влияние ионов, которые достигнув дна канавки, сдвигают процесс травления в сторону более эффективной пассивации. Как следствие, профили имеют тенденцию к развитию положительного наклона и, как правило, стенки канавок в конечном итоге встречаются, когда их аспектное соотношение начинает приближаться к значениям больше, чем 20:1.
Адаптация технологического рецепта поэтапно или непрерывно [1, 2] помогает уменьшить количество пассивации в процессе и сохраняет прямой профиль. Например, время цикла пассивации или поток пассивирующего газа может линейно снижаться. Как альтернатива, время цикла травления или поток травильного газа может линейно увеличиваться.
Хотя есть другие варианты, включая мощность источника, мощность смещения или линейное изменение давления. Для простоты и предсказуемости изменения баланса «травление-осаждение», изменение времени цикла является наиболее очевидным подходом линейного изменения. С использованием линейного изменения параметров, канавки с аспектным соотношением >50:1 могут быть изготовлены, сохраняя боковые стенки прямыми и вертикальными.
Скорость травления и эволюция профиля сильно зависят от отношения глубины к ширине канавки, так называемое аспектное соотношение. В целом травление более узких траншей происходит с меньшей скоростью, чем в более широкие канавках; то есть, канавки с большим аспектным соотношением отстают от канавок с меньшим аспектным соотношением.
Это происходит частично из-за того, что количество ионов, достигающих дна траншее постепенно уменьшается, по причине апертурных эффектов, в сочетании с угловым распределением ионов. Другой важный аспект – транспортные ограничения газообразных частиц – радикалов – в высоко-аспектных канавках.
Величина эффекта задержки, главным образом, зависит от средней длины свободного пробега газообразных частиц, то есть давления газа.
Задержка РИТ является распространенным и хорошо понятным явлением переноса в плазменном травлении [3]. Влияние эффекта задержки зависит, главным образом, от средней длины свободного пробега газовых частиц, которая определяет их транспорт при травлении канавок. Зависимость скорости травления от аспектного соотношения изучена на основании простой вакуумной модели проводимости [4]. Кроме того, в канавках важно взаимодействие и изменение баланса между травлением и пассивацией частиц при их транспортировке. Эта транспортировка снова зависит от длины свободного пробега частиц и от давления при процессе. Изменение баланса частиц травления и пассивации с увеличением аспектного соотношения, также влияет на анизотропию и профиль. Рисунок‑1 показывает характерный пример запаздывания RIE в высоко-аспектном Bosch-процессе травления.
Рисунок 1. Иллюстрация эффекта запаздывания
В циклическом процессе с отдельными циклами травления и пассивации, которые могут управляться независимо друг от друга, есть индивидуальные эффекты задержки, как для травления, так и для пассивации. Для стадии травления, чем выше соотношение сторон канавки, тем меньше радикалов фтора за единицу времени могут достичь дна канавки и травить кремний. Эффект задержки на шаге травления зависит, главным образом, от давления. Для стадии осаждения, чем выше соотношение сторон канавки, тем меньше полимеров в единицу времени могут достичь дна траншеи. Таким образом, скорость травления зависит, главным образом, от давления, так как чем тоньше пленка на дне канавки, тем больше скорость при последующей стадии травления. Это включает в себя некоторую компенсацию снижения скорости от увеличения аспектного соотношения при снижении подачи радикалов фтора. Отставание при шагах осаждения и травления можно взаимно компенсировать для устранения задержки в общем процессе в широком диапазоне аспектных соотношений. Это достижимо путем индивидуального управления параметрами на шаге травления и осаждения, в основном, изменением значения давления.
Установка высокого давления для отдельного шага, увеличивает его инерционность; установка давление ниже – уменьшает эту инерционность. Увеличение давления на шаге осаждения относительно шага травления, и даже до значений выше, чем при шаге травления, снижает общую RIE задержку всего процесса и даже его инвертирует на определенном этапе. В высоко-аспектных структурах (например, узкие щели), травление быстрее, чем меньше соотношение сторон канавки (т.е. более широкие щели). Однако, компенсация RIE-отставания идет за счет снижения скорости травления в более широких канавках. С другой стороны, при давлении на стадии осаждения ниже, чем на шаге травления, вызывает значительное RIE-отставание. Однако обычно регулируют процесс в пользу более высоких общих скоростей травления в более широких канавках. Это “нормальный” режим процесса, который используется в большинстве случаев и интересен более высокими скоростями.
Стабильность полимера на дне канавки важный весомый фактор при регулировании задержки травления и осаждения, поэтому величина достижимой компенсации зависит также от температуры подложки. Понижение температуры подложки делает полимер на дне более устойчивым и увеличивает значение стадии осаждения в общей балансировки задержки. По этой причине температура подложки 0◦C или даже ниже, вместо нормальной 40◦C, выгодно для достижения травления без задержки в широком диапазоне коэффициентов формы [5].
Библиографический список
- A.M. Hynes, H. Ashraf, J.K. Bhardwaj, J. Hopkins, I. Johnston, J.N. Shepherd: Recent advances in silicon etching for MEMS using the ASE(TM) process, Sens. Actuators A Phys. 74, 13–17 (1999)
- J. Hopkins, H. Ashraf, J.K. Bhardwaj, A.M. Hynes, I. Johnston, J.N. Shepherd: The benefits of process parameter ramping during plasma etching of high aspect ratio silicon structures. Materials Research Society Symposium Proceedings, p. 63 (1999)
- R.A. Gottscho, C.W. Jurgensen, D.J. Vitkavage: Microscopic uniformity in plasma etching, J. Vac. Sci. Technol. B: Microelectron. Nanometer Struct. 10, 2133–2147 (1992)
- J.W. Coburn, H.F. Winters: Conductance considerations in the reactive ion etching of high aspect ratio features, Appl. Phys. Lett. 55, 2730–2732 (1989)
- V. Becker, F. Laermer, A. Schilp: Anisotropic Plasma Etching of Trenches in Silicon by control of Substrate Temperature, Patent DE 19841964, Germany (2000)