Моделирование травления и осаждения слоев

Особенности технологических операций

Процессы травления и осаждения приобретают все большее значение по мере уменьшения размеров интегральных элементов. Минимальные воспроизводимые размеры и многие проектные нормы определяются в первую очередь именно этими процессами. Профиль травления и форма осаждаемых слоев непосредственно влияют на приборные характеристики интегральных структур и на параметры готовых изделий.

В субмикронных интегральных схемах элементы и конструктивно-технологические узлы изготавливаются с помощью методов плазменного травления, обеспечивающих высокоточное воспроизведение рисунка, созданного маскирующим слоем, в виде поверхностного рельефа на пленке или подложке. Важным фактором, обусловливающим высокое разрешение при переносе рисунка, является анизотропия травления. Методы плазменного травления обладают с этой точки зрения уникальными характеристиками.

Однако существует ряд факторов, влияющих на профили краев элементов. Если травление осуществляется в результате ионно-стимулируемых реакций, анизотропия травления обычно высока. Это связано с тем, что ионы падают на пластину перпендикулярно ее поверхности. Следовательно, на поверхность дна вытравливаемого элемента падает значительно больший поток ионов высокой энергии, чем на боковые стенки. Если реакция травления ионно-возбуждаемая, то боковое травление отсутствует, но имеет место подтрав под маску. Величина подтрава определяется скоростью протекания реакции.

На профиль края вытравливаемого элемента также могут влиять эффекты, связанные с физическим распылением материала — образование граней, канавок, повторное осаждение. Образование граней вызвано тем, что в большинстве случаев скорость травления максимальна, когда угол падения ионов на поверхность материала отличен от 90°. Поэтому при травлении образуется грань, которая наклонена по отношению к падающим ионам на угол, соответствующий максимальной скорости травления. Возникновение канавок связано с отражением потока ионов от боковой стенки рельефа и попаданием этого дополнительного потока на основание рельефа вблизи боковой стенки. Повторное осаждение возникает, если распыленный материал не вошел в состав летучих соединений. В этом случае он конденсируется на любой близлежащей поверхности.

Осаждение пленок определяется главным образом направленным потоком частиц осаждаемого материала. Этот поток частиц формируется в установке осаждения или напыления и обычно зависит от ее геометрии. Используется также непрерывное изменение ориентации пластины с целью улучшения однородности наносимого слоя. Таким образом, профиль, формируемый в процессах травления и осаждения, зависит от характера анизотропии потока налетающих частиц, особенностей исходного рельефа поверхности и физико-химических процессов взаимодействия при удалении и/или нанесении материала.

В принципе, можно разработать модели любой точности и эффективные алгоритмы для расчета большинства процессов, используемых в интегральной технологии для травления и осаждения слоев. Однако следует учитывать трудоемкость процесса разработки высокоточных моделей и программных средств, а также самого вычислительного процесса при расчете каждой задачи, связанной с травлением или осаждением. При моделировании технологических маршрутов и постановке многофакторных экспериментов на базе «виртуального производства» в рамках программной среды приборно-технологического моделирования важным фактором является очень высокая доля технологических операций травления/осаждения в общей последовательности технологических обработок, в том числе при выполнении операций фотолитографии. В этом случае просто невозможно использовать физико-химические модели, основанные на детальном описании процессов, происходящих в конкретном реакторе или установке. Такие модели являются эффективными при разработке новых процессов или новых типов технологического оборудования, при оптимизации параметров установок и реакторов.

Поэтому наряду с физико-химическим подходом к моделированию процессов травления и осаждения важную роль играют модели, построенные на геометрическом принципе преобразования толщин слоев в зависимости от локально рассчитываемых скоростей травления или осаждения.

Такие геометрические модели не учитывают суть происходящих физических и химических процессов, а также особенности формы и геометрические размеры камеры реактора. Они оперируют, в основном, с зависимостями скорости травления или осаждения слоя от угла между направлением потока частиц и поверхностью моделируемой структуры в некоторой локальной окрестности. При правильном выборе параметров такой подход позволяет достаточно точно отображать характер изменения рельефа и рассчитывать временные процессы изменения толщин слоев в интегральных структурах.

Использование низкотемпературных процессов и методов травления, характеризующихся повышенным анизотропным действием, приводит к возникновению крутых профилей краев вытравливаемых участков. Это, в свою очередь, существенно осложняет процесс осаждения на поверхность такого рельефа пленок однородной толщины. Моделирование таких достаточно сложных процессов травления и осаждения необходимо для оптимизации всего комплекса технологических параметров.