Способ травления кремниевых изделий

 

Использование: технология изготовления кремниевых дискретных приборов и интегральных схем. Сущность изобретения: тотальное или локальное травление кремниевых изделий осуществляют в смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот, взятых в соотношенииобъемов 1:(6-17):1-3. В травителях из указанного диапазона составов наблюдается самопрекращение травления или растворение небольшого количества кремния. При этом качество травленой поверхности не ухудшается. Определяют удельный объем травителя как его объем, необходимый для растворения единицы массы кремния при достижении автостока. Способ позволяет повысить воспроизводимость глубины травления путем обработки кремниевых изделий в объеме травителя, равном произведению удельного объема травителя на массу стравливаемого кремния. Массу или объем стравливаемого кремния легко определить по геометрии открытой поверхности обрабатываемых структур. 7 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано при изготовлении кремниевых приборов с применением техники жидкостного травления. Целью изобретения является повышение воспроизводимости глубины травления за счет создания условий самопрекращения процесса травления. На практике определение массы стравливаемого кремния заменяют определением стравливаемого объема кремния. Объем получают из геометрических характеристик площади поверхности и заданной глубины травления. Плотность кремния есть табличная величина. В соответствии с этим необходимый объем травителя определяют по формуле V_уд , где V_уд удельный объем травителя на единицу травящей поверхности в мл/см²; h_пр предельная глубина меза-канавки в мкм; a=(0,95-1)·I^0,29, коэффициент пропорциональности для травителя с объемным соотношением кислот 1:6:1 и а=2 для травителя с объемным соотношением кислот 1:17:3 независимо от l, где l предельная ширина меза-канавок в мкм, при этом минимальное время травления определяют из соотношения. τ_м= К˙V_уд (2) где τ_м минимальное время травления в мин; K= (0,95-1) коэффициент пропорциональности для травителя в объемном соотношении 1:6:1 и К=1,40 для травителя с объемным соотношением кислот 1:17:3. Составы травителей по изобретению можно отнести к средним травителям. В них скорость травления в начальный период травления составляет 2 ≅ V_тр < 15 мкм, но при условии четкого контроля удельного объема травителя V_уд (т.е. количества травителя в мл на см² травящейся поверхности). необходимого для обеспечения заданной величины h_пр(предельной глубины меза-канавок). При этом время травления τ_м, необходимое для вытравливания меза-канавок достижимой глубины линейно зависит от V_уд, так как процесс травления по истечении времени τ_мавтоматически самопрекращается (выражение 2). Интервал значений коэффициента К в выражении (2) отображает разброс регистрируемых параметров (h_пр и τ_м) вследствие разброса кинетики травления. На фиг. 1 приведена зависимость глубины меза-канавки (h) от продолжительности травления (τ, мин) в составах 1:6:1 (кривая 1) и 1:7:3 (кривая 2) при ширине канавки l=300 мкм и V_уд=30 мл/см²; на фиг. 2 показаны зависимости h от t для V_уд=30, 20, 10, 5 и 2,5 мл/см² и l=300 мкм для травителя с соотношением 1: 6: 1 (на 1 см² травящейся поверхности). Аналогичные зависимости в соответствии с выражением (1) с учетом коэффициента а наблюдаются при всех значениях l. Подобная кинетика травления меза-канавки, т.е. изменение h во времени при различных V_уд наблюдается и в составе 1:17:3, причем эта кинетика не зависит от l (см. фиг. 4 и 5). На фиг. 3 показана зависимость между минимальным временем травления τ_м, достигаемой при этом предельной глубиной меза-канавки h_пр в результате самопрекращения процесса травления от V_уд (формула 2) для l=300 мкм в составе 1:6:1; на фиг. 4 приведена аналогичная зависимость для травителя состава 1:17:3 независимо от величины l в интервале 40-700 мкм; на фиг. 5 показаны линейные зависимости предельных значений h_пр от V_уд согласно формуле (1) для состава 1:6:1 (серия прямых 1 с указанием значений ширины меза-канавки l=40, 100, 150, 200, 300, 400, 700 мкм) и для состава 1: 17:3 прямая 2, которая идентична для всех величин l; на фиг. 6 приведены зависимости h_пр от l в составах 1:6:1 (кривая 1) и 1:17:3 (кривая 2) для V_уд= 30 мл/см², которые следуют из данных фиг. 5. на фиг. 7 приведены зависимости между коэффициентом пропорциональности а в формуле (1) и шириной меза-канавки l. Кривая 1 (на фиг. 7) соответствует составу 1:6:1. Беря предельные значения l, по- лучаем предельные значения коэффициента a=2,66 при I=40 мкм и а=6 при I=700 мкм. Кривая 2 соответствует составу травителя 1:17:3. Для этого травителя а=2 для всех значений l в интервале 40-700 мм. Кривая h- τ (фиг. 1) состоит из трех четко выраженных участков: а участок линейного роста h во времени, что свидетельствует о V_тр=const, б область сублинейности, в которой имеет место снижения V_тр во времени; в участок независимости h от τ вследствие полного прекращения процесса травления (V_тр= 0), благодаря автопассивации системы. Причиной самопрекращения травления является изменение состава травителя в результате накопления двуокиси азота и азотистой кислоты продуктов восстановления окислителя НNO₃, а не истощение травителя по плавиковой кислоте, содержание которой за τ30-40 мин в указанных составах уменьшается всего на 5-6% Вследствие этого окислительно-восстановительный потенциал системы смещается к более положительным значениям, что в силу электрохимического механизма сопряженных реакций восстановления НNО₃ и окисления (растворения) кремния с участием НF приводит к полному торможению процесса травления в целом. Соотношения между h и продолжительностью травления до полного его прекращения определяется зависимостью от V_уд кинетики накопления продуктов восстановления до максимальной концентрации. В интервале между кривыми 1 и 2 (фиг. 1) проявляется эффект самоторможения, т.е. расстояние между этими кривыми соответствует интервалу составов травителей 1: (6-17):(1-3), и при выходе за кривые (взяв другие соотношения травителя, больше или меньше) нет четкого выраженного эффекта автоматического самопрекращения процесса травления. Из приведенных зависимостей h_пр от l в составах 1:17:3 (кривая 2) и 1:6: 1 (кривая 1) (фиг. 5 и 6) следует, что в первом травителе h_пр не зависит от l, а во втором соотношении между h_пр и l описывается выражением h_пр ≈ 33 ˙ l^0,27, мкм (3) Подобным степенным уравнением описывается зависимость между коэффициентом а в формуле (1) и l в составе 1:6:1 (фиг. 7)
a ≈ (0,95-1)·I^0,29 (4)
Комбинируя уравнение (1) и (4) получаем выражение
V_уд (5) связывающее необходимое V_уд для обеспечения условий самоограничения процесса травления по достижении заданной глубины h_пр с шириной меза-канавки l. Рассмотренные данные показывают достоинства самоограничивающегося по глубине способа травления, которые заключаются в следующем. Обеспечивают условия, при которых имеет место самоограничения заданной глубины травления по истечении определенного времени травления меза-канавок, зависящее от удельного объема (V_уд) и состава травителя. На основе простых зависимостей предельной глубины меза-канавки (h_пр) от ее ширины (l) и (V_уд) можно надежно автоматически контролировать параметры меза канавки при прогнозированных минимальных временах травления τ_м.
По предлагаемому способу элиминируются погрешности, лежащие в основе методики контроля h_пр на основе регистрации только τ, что возможно в условиях неизменности скорости травления (V_пр) от τ и V_уд, тогда как в действительности наблюдается зависимость V_уд от τ и V_уд. Кроме того, метод травления о самоограничением h_пр исключает влияние субъективных факторов. Поскольку в составах с преимущественным содержанием НNО₃(1:6:1 и 1:17:3) скорость процесса травления лимитируется исключительно диффузионным массопереносом НF в зону реакции, то существенно уменьшается вклад в разброс параметров меза-канавки такого фактора, как неконтролируемого роста температуры, имеющее место в начальный период (участок а, фиг. 1). Некоторое увеличение температуры, затем прекращается вовсе вследствие уменьшения V_пр (область б) и полного прекращения процесса травления (участок в). В силу этого ослабляется зависимость h_пр и величины разброса параметров меза-канавки по пластине от местоположения кассеты в ванне травления и характера расположения пластин. Не менее принципиальным моментом является то, что травление в условиях самоограничения глубины меза-канавки позволяет существенно снизить расход высокочистых агрессивных веществ благодаря использованию минимальных количеств травителя и исключению перевода в отход значительных объемов достаточно активного травителя, и в силу этого оно экологически менее вредное. П р и м е р. По известному способу прошедшие операции фотолитографии структуры диаметром 44 мм в количестве 100 штук укладывают во фторопластовую кассету. Суммарная площадь вскрытых фотолитографией областей для травления и формирования меза-канавок составляет для двух поверхностей структуры ≈ 4 см². Общая площадь, подвергаемая травлению, для всех структур 400 см². Кассету с пластинами-структурами погружают во фторопластовую ванну с предварительно охлажденным до 10^оС травителем объемом 12 л и вращают со скоростью 20-40 об/мин с изменением направления вращения (реверс) через 30 с. В известном способе используют состав с объемным соотношением 1:4:0,5 с концентрацией исходных компонентов: НF (48)-марки ОСЧ.27-5 по ТУ 6-09-3401-75; НNO₃ (70%) марки ОСЧ.18-4 по ГОСТу 11125-78, СН₃СООН-ледяная, марки ОСЧ по ГОСТу 61-75, которые выпускаются промышленностью. В этом составе в реальных условиях травления нет четко выраженного автоматического прекращения процесса травления, по достижении заданной глубины меза-канавки, и варьирование удельным объемом травителя не дало эффекта. Наряду с вращением, травитель барботируют охлажденным чистым азотом для исключения его нагрева за время процесса до температур выше 20^оС. Контроль параметров меза-канавок осуществляют частым (не менее 3 раз) прерыванием процесса травления и замером глубины на выборочных структурах, на основе чего корректируются продолжительность травления и режим барботажа для получения заданной величины h_пр. При травлении меза-канавок с h ≈ 100 мкм указанный объем травителя (12 л) состава 1:4:0,5 используют, как правило, однократно, а в случае h_пр= 50 мкм дважды, и травитель, являющийся еще достаточно активным, переводят в отход. В способе по изобретению также берут структуры, прошедшие операции фотолитографии, с диаметром 44 мм в количестве 100 штук, с той же площадью травления. Оборудование применяют то же самое с использованием тех же кислот, но с другим объемным соотношением. С помощью соотношения (1) и кривой 1 на фиг. 7 находят значение V_уд на 1 см² травящейся поверхности (а следовательно и всего объема травителя), который необходим для формирования меха-канавок с заданной глубиной 50 и 100 мкм и шириной l=300 мкм. Для травителя с объемным соотношением кислот 1:6:1 объемы составляют 4 и 8 л соответственно. При травлении в этих объемах 100 пластин-структур по истечении 10 и 20 мин тогда, как показывают измерения, достигается глубина травления в 50 и 100 мкм, соответственно (фиг. 3), процесс полностью самопрекращается. К этому моменту температура объема травителя не превышает 15-16^оС (исходная температура равна 10-12^оС, поэтому в данном случае, отпадает необходимость барботажа травителя охлажденным азотом. Кроме того, расход травителя при однократном травлении (h_пр=100 мкм) сокращается на ≈ 35% (по объему). Такой же результат следует и в случае двухкратного травления в 8 л (h_пр=50 мкм) или двух раздельных операций травления с объемом травителя по 4 л. Кроме того, если учесть, что в известном составе 1:4:0,5 количество HF в 1,7 раза больше, чем в травителе 1:6:1, то снижение расхода этой кислоты составляет не менее 60%
При травлении по известному способу, разброс в значениях в пределах одной поверхности пластины и для разных пластин доходит до 40-50% тогда как в способе по изобретению разброс величин не превышает 15% Кроме того, и это очень важно, процент элементов с отклонением от заданных значений h_пр на 15% от оптимального в 4-5 раз меньше, чем в случае традиционно используемого способа. П р и м е р 2. При формировании меза-канавок с h_пр<50 мкм используют состав травителя с объемным соотношением кислот 1:17:3. Описанная выше процедура травления сохраняется. В случае известного способа операцию травления в одном и том же исходном объеме (12 л) для травителя с соотношением кислот 1: 4: 0,5 проводят не более 2-х раз для глубины канавки 20 мкм и однократно для h_пр= 40 мкм с двух-трех-кратным прерыванием процесса травления по истечении 30-50 с для контроля параметров меза-канавок. По изобретению объем травителя, необходимый для автоматической самоостановки процесса травления по достижении 20 и 40 мкм глубины меза-канавки, составляет 4 и 8 л, а время травления 14 и 28 мин, соответственно (фиг. 4), независимо от ширины меза-канавки в интервале l= 40-700 мкм (фиг. 5, прямая 2). В случае использования травителя с объемным соотношением кислот 1:6:1 (фиг. 5) для вытравливания меза-канавок с h_пр 20 и 40 мкм и l=300 мкм объем травителя составит 1,23 и 3 л, соответственно, а минимальное время травления τ_м будет равно 4 и 8 мин (фиг. 3). При этом расход общего объема травителя сокращается в 2,6-3,5 раза. В составе 1:17:3 расход травителя уменьшается на 35% в НF на 80% существенно упрощается операция травления, т.е. единственным контролируемым параметром является удельный объем травителя, и экспозиция кассеты в ванне не менее определенного по формуле (2) времени. Разброс величины h_пр в пределах поверхности одной пластины не превышает 10%
П р и м е р 3. Для сплошного травления берут 60 шт. пластин диаметром 44 мм прошедших операцию фотолитографии. На одной стороне каждой пластины фотолитографией вскрыто по 4 круглых участках диаметром 15 мм, что составляет 6,8 см² площади, подвергаемой травлению. На всех пластинах эта площадь равна 408 см². Необходимую глубину травления задают 50 мкм и 100 мкм. Используя соотношение (1), когда а 6 мкм ˙ см²мл^-1 (из кривой 1, фиг. 7) при l>700 мкм, находят значения V_уд на 1 см² травящейся поверхности. Для травителя с объемным соотношением кислот 1:6:1 общий объем травителя составляет 3,5 и 7 л, соответственно, для глубины травления 50 и 100 мкм (V_уд= 8,3 и 17 мл/см²). При травлении в этих объемах по истечении времени, определенном из соотношения (2) достигается, как показывают измерения, требуемая глубина травления (толщина стравленного слоя) в процессе травления полностью прекращается. К моменту автопрекращения травления температура всего объема травителя не превышает 15-16^оС при начальной 10-12^оС. Вследствие этого не требуется барботаж охлажденным азотом. Изобретение имеет следующие преимущества: позволяет снизить общий расход травителя на основе относительно дорогостоящих высокочистых кислот на 35% (по объему), а плавиковой кислоты не менее, чем на 60-80% вследствие снижения количества отходов из сильно агрессивных кислот, в первую очередь плавиковой кислоты, существенно уменьшается экологическая вредность технологического процесса травления; повышается однородность глубины, формируемых меза-канавок (снижение разброса глубины с 45 до 15%), процент выхода структур с заданными оптимальными характеристиками меза-канавок; существенно ослабляется влияние трудно контролируемых в реальных условиях параметров (температура, гидродинамика, равномерность перемещения, характер расположения структур), определяющих воспроизводимость характеристик меза-канавок и процент выхода годных структур; обеспечивается формирование меза-канавок в условиях автоматического самопрекращения процесса травления по достижении заданной глубины меза-канавки, которая связана простым соотношением с удельным объемом травителя, и исключает возможность перетрава независимого от продолжительности передержки структур в травителе.

Формула изобретения

СПОСОБ ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ИЗДЕЛИЙ, включающий приготовление смеси плавиковой, азотной и уксусной кислоты, взятых в заданном соотношении объемов, охлаждение полученного травителя, предварительное определение скорости травления кремния в травителе данного состава и последующую обработку кремниевых изделий в том же травителе в течение времени, необходимого для стравливания кремния на заданную глубину, отличающийся тем, что, с целью повышения воспроизводимости глубины травления за счет создания условий самопрекращения процесса травления, объемное соотношение перечисленных кислот в травителе выбирают соответствующим 1:(6-17):(1-3), на стадии предварительного определения скорости травления дополнительно устанавливают удельный объем травителя, необходимый для растворения единицы массы кремния, и проводят последующую обработку кремниевых изделий в объеме травителя, равном произведению удельного объема травителя на массу стравливаемого кремния.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 2-2002

Извещение опубликовано: 20.01.2002        

---