МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 6, с. 415-418
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНОСТИ ТРАВЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПУЧКАМИ БЫСТРЫХ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ © 2014 г. Ю. П. Маишев, С. Л. Шевчук, В. П. Кудря
Физико-технологический институт Российской АН E-mail: kvp@ftian.ru Поступила в редакцию 21.04.2014 г.
Представлены полученные с помощью разработанного во ФТИАН РАН источника протяженных пучков быстрых нейтральных частиц (БНЧ) "Нейтрал-110Л" результаты исследования скорости и селективности травления кремниевых подложек, а также пленок SiO2, W, TiN, TiC и NbN при использовании в качестве рабочих газов химически активных соединений CF4, C3F6 и SF6. Показана возможность достижения значений селективности травления пучками БНЧ указанных материалов относительно SiO2 в диапазоне 10—16. Проведено сравнение с опубликованными к настоящему времени результатами исследований в этой области.
DOI: 10.7868/S0544126914060064
ВВЕДЕНИЕ
Практически с самого начала появления источников пучков быстрых нейтральных частиц, пригодных для технологических применений, они стали использоваться для прямого травления слоев из диэлектрических материалов или проводящих слоев, нанесенных на диэлектрические подложки. К настоящему времени в литературе можно найти информацию о травлении пучками БНЧ таких материалов, как Al, W, Ti, Cr, Si, a-C, poly-Si, GaAs, AlGaAs, GaN, GaP, InAs, InP, Ge2Sb2Te5, алмазоподобный углерод, SiO2, Si3N4, Al2O3, HfO2, TiO2, low-k диэлектрики, фоторезисты, полимеры. При этом в качестве химически активного компонента рабочего газа в источниках пучков БНЧ (ИПБНЧ) использовались O2, F2, CF4, CHF3, CF3I, C2F6, C3FS, C4Fs, SF6, NF3, CI2, BCl3, CCl3, HBr. Отметим, что пучки БНЧ широко используются в процессах атомного послойного травления.
Основными технологическими параметрами процесса травления являются скорость травления, селективность травления одного материала относительно другого, шероховатость поверхности после травления, величина внесенных нарушений в обрабатываемые слои (изменения атомного состава приповерхностных слоев многокомпонентных материалов, встроенный заряд). Кроме того, важным показателем является возможность высокоас-пектного и аспектно-независимого травления. Эти характеристики процесса травления во многом зависят от конструктивных особенностей и режима работы ИПБНЧ.
В нашей предыдущей статье [1] было описано семейство новых ИПБНЧ, основанных на источнике ионов с холодным катодом, скрещенными электрическим и магнитным полями и замкнутым дрейфом электронов. Такие источники могут обеспечивать достаточно большую плотность эквивалентного тока нейтральных частиц и, кроме того, способны обрабатывать пластины диаметром 300—400 мм и более с высокой однородностью. В указанной работе были также приведены результаты исследования скорости и селективности распыления различных материалов при использовании аргона в качестве рабочего газа. В настоящей работе приведены полученные с помощью разработанного в Физико-технологическом институте (ФТИАН) источника протяженных пучков БНЧ "Нейтрал-110Л" результаты исследования скорости и селективности травления кремниевых подложек, а также пленок SiO2, ^ НС и МЪМ при использовании в качестве рабочих газов химически активных соединений СБ4, СзБб и SF6.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СКОРОСТИ И СЕЛЕКТИВНОСТИ ТРАВЛЕНИЯ
Конструкция источника протяженных пучков БНЧ "Нейтрал-110Л" и методика проведения измерений были описаны в работе [1]. В качестве подложек были использованы пластины кремния КДБ-10. Материалом для травления служили термический окисел SiO2, а также тонкие пленки ^ Т1С и полученные методом (реактивного) ионно-лучевого распыления.
416
МАИШЕВ и др.
12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
1.5 V,, кВ
Рис. 1. Зависимости скорости травления Я от напряжения на разряде V, (рабочий газ СР4).
Я
и
Я
1.5 V,, кВ
Рис. 2. Зависимости скорости травления Я от напряжения на разряде V, (рабочий газ СзБ8).
Рис. 3. Зависимости скорости травления Я от напряжения на разряде V, (рабочий газ ББб).
На рис. 1—3 приведены зависимости скорости травления от напряжения на разряде V, при использовании в качестве рабочего газа СБ4, С3Б6 или 8Б6. Отметим, что изменение зависимостей Я( V,) при смене рабочего газа отражает различие характера и степени диссоциации молекул и радикалов как в плазме ионного источника, так и в канале нейтрализации. Адекватное объяснение полученных зависимостей возможно только при наличии экспериментальных данных о составе нейтрального пучка и форме функций распределения каждой компоненты нейтрального пучка по энергиям.
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
V,, кВ
Рис. 4. Зависимости селективности травления 5 =
= Я(8Ю2)/Я(81) от напряжения на разряде V,.
Практический интерес представляют собой зависимости селективности скоростей травления от напряжения на разряде. В настоящей работе мы ограничимся значениями селективности относительно скорости травления Б102. На рис. 4— рис. 6 представлены зависимости величины селективности 5 = Я(8102)/Я(Х), где X = 81, W или от напряжения на разряде при использовании в качестве рабочего газа Аг, СБ4, С3Б6 или 8Б6.
Отметим, что наибольшие значения селективности травления были достигнуты для пар 8102/81 (СзБ8, ~11), 8102^ (СзБ8, ~16), 8102/МЪМ ^8, ~10), 8102/Т1С (С3Б8, ~16) и БЮ^/ГШ С3Б8,
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНОСТИ ТРАВЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
417
Г)
О
я
16 14 12 10
0.5
1.0
1.5 V,, кВ
Аг
2.0
2.5
Рис. 5. Зависимости селективности травления 5 = = Я(Si02)/Я(W) от напряжения на разряде V,.
10 9 8 7 6
«ч 5 О 5 35 4 о?
3 2 1
0.5
1.0
1.5 V,, кВ
2.0
Аг
2.5
Рис. 6. Зависимости селективности травления 5 = = Я(8Ю2)/Я(№>К) от напряжения на разряде V,.
~11). Полученные данные могут быть использованы для выбора материала для маскирующего слоя при травлении Б102 нейтральным пучком.
Для пары Б102/Б1 можно провести сравнение с результатами исследований селективности травления, к настоящему времени опубликованными в литературе. На рис. 7 представлены значения 5 = = Я(8102)/Я(Б1), полученные при использовании рабочего газа СБ4 в работах [2—6] (треугольники) и в настоящей работе (кружки). Видно, что полученные нами величины селективности травления удовлетворительно коррелируют с опубликованными результатами. Похоже, что при низких энергиях пучка селективность действительно близка к 1, а
при повышении напряжения на разряде величина селективности проходит через максимум.
Для рабочего газа С3Б8 опубликованных данных совсем мало (рис. 8), поэтому можно только утверждать, что значение селективности для этого газа в 2—4 раза выше, чем в случае СБ4.
Наиболее неопределенная ситуация имеет место для рабочего газа (рис. 9). При низких ускоряющих напряжениях [7, 8] оксид кремния травится на порядок медленнее кремния. Наши измерения показывают полное отсутствие селективности в широком диапазоне значений напряжения на разряде. В то же время в работе [2] при
8
6
0
0
5.5 5.0 4.5 4.0 Й 3.5 ^ 3.0 §2.5
2.0 1.5 1.0 0.5
Revell ег ,1., 1981 i
СБ.
ФТИАН
\
■Ьее ег ,1., 2006
Ос^ртк, Reve11, 1980
'Kuwano, Shimokawa, 1988
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 V,, кВ
Рис. 7. Значения селективности травления 5 = Я(8Ю2)/Я(8!) (рабочий газ СБ4).
418
МАИШЕВ и др.
(S )
iO (Si
12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
C3F8
Goldspink, Revell, 1980
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Va, кВ
Рис. 8. Значения селективности травления 5 = R(SiO2)/ R(Si) (рабочий газ C3F8).
2.6 2.4 2.2 2.0 )1.8 Й 1.6 1.4 Э1.2 § 1.0 (R0.8 0.6 0.4 0.2
SF
Goldspink, Revell, 1980
ФТИАН
Lee et al., 2004/2005
_I_I_L.
0
0.5
1.0 1.5 Va, кВ
2.0
2.5
Рис. 9. Значения селективности травления 5 = R(SiO2)/ R(Si) (рабочий газ SF6).
Ул = 2.5 кВ обнаружена довольно заметная селективность.
Такой разброс результатов, полученных при использовании различных ИПБНЧ, можно объяснить двумя причинами. Во-первых, источники
ионов различной конструкции дают исходные пучки различного ионного состава. При этом ионный состав обусловлен как типом разряда, так и условиями его горения (в частности, средней энергией электронов в разряде). Во-вторых, модификация состава пучка в значительной степени определяется процессами диссоциативной перезарядки, происходящими при газофазной и поверхностной нейтрализации молекулярных ионов исходного пучка. Отметим, что степень этой модификации может существенно зависеть от конструктивной реализации канала нейтрализации.
Работа была поддержана Программой фундаментальных исследований ОНИТ РАН и грантами РФФИ № 07-07-00120-а и № 12-07-00466-а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Маишев Ю.П., Шевчук С.Л., Кудря В.П. Формирование пучков быстрых нейтральных частиц из источников ионов с замкнутым дрейфом электронов // Микроэлектроника. 2014. Т. 43. № 4.
2. Goldspink G.F., Revell P.J. The use of saddle-field ion sources for etching semiconductor materials // Microelectronics J. 1980. V. 11. № 6. P. 13-17.
3. Revell P.J., Evans A.C. Ion beam etching using saddle field sources // Thin Solid Films. 1981. V. 86. № 2-3. P. 117-124.
4. Revell P.J., Goldspink G.F. Reactive ion beam etching of silicon compounds with a saddle-field ion source // J. Vac. Sci. Technol. 1981. V. 19. № 4. P. 1398-1402.
5. Kuwano H., Shimokawa F. Silicon dioxide fine patterning by reactive fast atom beam etching // J. Vac. Sci. Techn. B. 1988. V. 6. № 5. P. 1565-1569.
6. Lee D.H., Park B.J, Min K.S., Yeom G.Y. CF4-Based Neutral-Beam Etch Characteristics of Si and SiO2 Using a Low-Angle Forward-Reflected Neutral-Beam Etching System // J. Korean Phys. Soc. 2006. V. 49. №6. P. 2307-2310.
7. Lee D.H., Jung S.J., Park S.D., Yeom G.Y. Characteristics of neutral beam generated by reflection on a planar-type reflector and its etching properties // Surf. Coat. Techn. 2004. V. 177-178. P. 420-425.
8. Lee D., Park B., Yeom G. Effects of Axial Magnetic Field on Neutral Beam Etching by Low-Angle Forward-Reflected Neutral Beam Method // Jap. J. Appl. Phys. Lett. 2005. V. 44. № 2. P. L63-L65.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.