При переходе к литографии с разрешением меньшим, чем 100 нм сухое проявление резиста становится практически безальтернативным технологическим приемом. Сухое проявление основано на травлении резиста в плазменных, ионно-лучевых или плазмохимических процессах. В настоящий момент основные усилия сосредоточены в разработке плазмохимических процессов проявления, т.к. они обладают большей селективностью, скоростью и анизотропией травления. Основная концепция плазмохимического травления проста и прозрачна. Разряд генерирует химически активные частицы (атомы, радикалы или ионы), которые, вступая в химическую реакцию с обрабатываемым веществом, образуют легко летучие соединения, удаляемые вакуумной системой. Существуют не только научные, но и промышленные процессы и соответствующее оборудование для плазмохимического травления стандартных для микроэлектроники материалов - кремния, диоксида кремния, нитрида кремния, алюминия, вольфрама. Эти процессы широко используются для травления металлических и диэлектрических слоев при создании полупроводниковых структур. Однако сухое травление практически не применяется для проявления резиста, что в первую очередь связано с низкой плазмо- и термостабильностью традиционных органических резистов. Это ограничивает возможности литографического процесса с органическими резистами и требует применения сложных многослойных композиций - один слой обеспечивает высокую чувствительность, другой высокую плазмостабильность. Альтернативный подход основан на применении неорганических резистов с высокой плазмо- и термостабильностью.
В настоящей работе представлены результаты исследования поведения анодных оксидов ванадия в плазменных и электрохимических процессах, демонстрирующие возможность эффективного проявления резиста на основе аморфных оксидов ванадия, нанесенного на кремниевые подложки. В ряде работ нами показано [1], что, будучи метастабильным аморфным материалом, в исходной фазе резист имеет низкую плазменную стабильность и высокую реактивность в плазмохимических и химических процессах. Отметим, что после процесса анодирования исходный резист имел двухслойное строение: металлический ванадий вблизи подложки и высокочувствительный аморфный оксид на внешней стороне системы. Далее было показано, что результатом электронно-лучевой или фотонной обработк исходно аморфного материала является стимулирование сложных окислительно-восстановительных реакций на внутренних и внешних границах оксида. Параллельно возможно протекание кристаллизационных процессов. После экспонирования материал обладает высокой плазмо- и термостабильностью, характерной для неорганических веществ. Это приводит к тому, что скорость плазменного или плазмохимического травления, также как и химического, неэкспонированного резиста существенно выше, чем экспонированного, что допускает различные технологии проявления резиста. Селективность травления обусловлена различием в химическом составе и структурном состоянии исходных и экспонированных резистов.
Для изучения возможности использования физического плазменного травления для проявления резиста изучалось поведение материала при обработке ионами аргона вызывающими селективное удаление неэкспонированного оксида. Травление осуществлялось в установке Balzers SCD 040 на постоянном токе при давлении Ar 3-10 Тор, напряжении 200-300 В и токе 150 мА. Для увеличения плотности плазмы в зоне травления использовалась система постоянных магнитов создающих магнитное поле с вектором индукции параллельным подложке.
После травления оксидной части резиста происходит травление металла. Этот процесс характеризуется низкой селективностью и, как правило, приводит к снижению общей высоты ступеньки резиста. Однако, в том случае когда удается сохранить достаточно толстый слой экспонированного оксида травление не защищенного оксидной маской металла идет с высокой скоростью и весь процесс достаточно селективен.
Количественные характеристики процесса физического травления резко зависели от условий осаждения металла, окисления и хранения образцов как до, так и после экспонирования. Ключевые параметры процесса физического травления можно суммировать следующим образом (для оксида полученного при 5 В анодного напряжения и 5 минутах окисления)
- скорость травления неэкспонированного оксида: 3 нм/c;
- скорость травления экспонированного оксида 8 нм/c;
- скорость травления высшего оксида 1нм/c;
- скорость травления низшего оксида 2 нм/c;
- скорость травления металла 15 нм/c;
Можно заключить, что физическое травление оксидно-ванадиевого резиста характеризуется в общем случае низкой селективностью и не может служить основой эффективного процесса проявления. Однако, оно может давать удовлетворительные результаты в том случае если процесс проявления идет в 2 этапа, когда на первой стадии проявляется оксидная часть резиста каким либо альтернативным методом, а травление в плазме Ar используется для удаления металла незащищенного оксидом
Для увеличения селективности процесса проявления было изучено плазмохимическое травление многослойной композиции. Травление проводилось в планарном реакторе с незаземленным подложкодержателем с использованием ВЧ плазмы. ВЧ мощность варьировалась от 25 до 250 Вт. Использовались следующие газы и газовые композиции: CF4, SF6, SF6/CHF3, CF4/O2, CF4/H2, Cl. Давление газов варьировалось от 100 до 1000 мТор.
При травлении в CF4, CF4/O2, CF4/H2 наблюдалось селективное травление оксидной части резиста, тогда как металлическая часть практически не травилась. Плазма SF6, SF6/CHF3 травила оксид приблизительно с той же скоростью и селективностью. Однако, после травление оксидной части резиста происходило эффективное травление ванадия. Отметим, что эта плазма широко применяется для травления кремния, причем скорость травления кремния выше, чем скорость травления ванадия. В этом случае, после завершения травления резиста, происходило быстрое и глубокое травление незащищенного кремния. Этот процесс требовал очень высокой однородности многослойного оксидно-ванадиевого резиста. В противном случае любая неоднородность травления приводит к созданию рельефа на поверхности Si.
Травление в плазме Cl показало, что в этом случае металл травится с высокой скоростью, тогда как оксид практически не удаляется при такой обработке. Используя это обстоятельство был разаработан процесс когда начало травления производилось в CF4 плазме, в которую через некоторое время добавлялся Cl, а еще через некоторое время подача CF4 прекращалась.
Также как и в случае физического травления, результат сильно зависел от условий осаждения металла, окисления и хранения образцов как до, так и после экспонирования.
Принципиально важным является то, что скорости травления всех частей оксидно-ванадиевого резиста были существенно ниже, чем для Si или SiO2, что позволяет проводить эффективное сухое травление полупроводниковых подложек через резистивную маску.
Химическое травление не используется для изготовления микроструктур субмикронного масштаба по причине низкой анизотропии процесса. Для увеличения анизотропии процесса мы изучили различные варианты электрохимического анодного травления. Выяснилось, что важными параметрами при электрохимическом травлении являются состав электролита, плотность тока, температура электролита и скорость его перемешивания. Достаточно оптимальным химическим травителем оказалась композиция на основе 40 %-ого раствора H2SO4 в этаноле. Его использование позволило осуществить травление исходного оксида и ванадиевой пленки вплоть до кремния, при этом экспонированная оксидная часть рисунка оставалась нетронутой.
Дальнейшее совершенствование процесса травления заключалась в переводе электрохимической процедуры в наносекундный диапазон времени. Применение регулируемого по амплитуде, длительности и скважности генератора наносекундных импульсов позволило реализовать эффективный процесс проявления многослойного резиста на основе оксида ванадия. Данный метод травления обладал высокой селективностью, при котором проявляются рисунки с очень малыми дозами экспонирования (при дозах 20 мкКл/см2 были проявлены линии резиста с разрешением меньше 100 нм).
Библиографическая ссылка
Стефанович Г.Б., Величко А.А., Путролайнен В.В., Стефанович Л.А., Черемисин А.В. ПРОЯВЛЕНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКОГО РЕЗИСТА НА ОСНОВЕ МЕТАСТАБИЛЬНОГО ОКСИДА ВАНАДИЯ // Фундаментальные исследования. – 2005. – № 2. – С. 51-53;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=5729 (дата обращения: 18.04.2024).