МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 2, с. 98-107
НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.383.51
АНИЗОТРОПНОЕ ТРАВЛЕНИЕ КАНАВОК В КРЕМНИИ С ВЫСОКИМ АСПЕКТНЫМ ОТНОШЕНИЕМ И АПЕРТУРОЙ 30-50 нм В ДВУХСТАДИЙНОМ ЦИКЛИЧЕСКОМ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ
© 2015 г. С. Н. Аверкин, В. Ф. Лукичев, А. А. Орликовский, Н. А. Орликовский,
А. А. Рылов, И. А. Тюрин
Физико-технологический институт Российской АН E-mail: averkin58@mail.ru Поступила в редакцию 15.07.2014 г.
Предпринята попытка использовать циклический плазмохимический процесс с чередованием стадий (шагов) травления и пассивации для формирования тренчей в кремнии шириной в несколько десятков нанометров. К особенностям разработанной технологии относятся малая продолжительность стадий (около 1 с), при этом, время травления кремния на каждом шаге составляет доли секунды, так как значительная часть времени этой стадии расходуется на удаление пассивирующего слоя с дна канавки. Экспериментально показано, что одним из важнейших параметров, влияющих на форму профиля, является продолжительность паузы между шагами. Для повышения селективности процесса травления по отношению к маске используются низкие значения ВЧ-смещения на шаге травления (10—20 Вт) и достаточно высокие рабочие давления (более 7 Па). Экспериментально продемонстрирована возможность изготовления тренчей с подтравом под маску порядка 2—3 нм, сравнимой по величине шероховатостью стенок, при высокой селективности процесса травления по отношению к маскирующему покрытию. Изготовленные канавки имели ширину 30—50 нм, ас-пектное отношение более 30 и наклон стенки 89°—90°.
DOI: 10.7868/S0544126915020027
ВВЕДЕНИЕ
Структуры с высоким аспектным отношением, сформированные на поверхности кремниевых пластин, находят все большее практическое применение в различных областях техники. Приборы МЭМС, изделия силовой электроники, различные микроэлектронные приборы, микрооптические изделия — вот далеко не полный перечень направлений их практического использования. В последнее время многие авторы сообщают об успешном формировании высокоаспектных структур с размерами в несколько десятков нанометров на кремниевой подложке, полученных различными способами [3—5, 7]. В основном для решения этой задачи, применяется технология глубокого реактивного ионного травления, либо так называемый Во8еИ-процесса [1], либо плазменное травление при низких температурах. При этом большинство исследователей использует металлические маски (алюминий, никель, хром), обладающие высокой стойкостью к воздействию фторсодержа-щей плазмы, что позволяет экспериментаторам в широких пределах менять важнейшие параметры техпроцесса, такие как ВЧ мощность приложенная к образцу, длительность стадии травления, доста-
точно низкие рабочие давления, не заботясь при этом об износе маскирующего покрытия.
Нами использовались маски на основе элек-тронорезиста ZEP 7000, которые обладают чрезвычайно низкой плазмостойкостью и маски на основе диоксида кремния, селективность травления которых по отношению к кремнию, не слишком высока. Выбор данных материалов связан, прежде всего, с ограничениями использования металлических масок для некоторых технологических применений (металлические загрязнения, антенный эффект, "notching" эффект) и, во-вторых, поиском высокоселективных (по отношению к маске) режимов, позволяющих расширить возможности применения кремниевых структур с высокими аспектными отношениями. В этой статье исследовался циклический плазмохимический процесс с чередованием стадий (шагов) травления и пассивации (как в Bosch-процессе), специально адаптированный для формирования тренчей в кремнии шириной около 50 нм. Как известно, характерными особенностями Bosch-процесса являются высокая скорость травления кремния (от нескольких микрон в минуту и выше), высокая селективность по отношению к маскирующему покрытию из фоторезиста или диоксида кремния
10
12
Откачка
Рис. 1. Схема технологического реактора установки "Платран-150": 1 — вакуумная камера источника плазмы; 2 — держатель пластины с мех. прижимом; 3 — кольцевые постоянные магниты; 4 — магнитопровод; 5 — кварцевое окно ввода ВЧ-энергии; 6 — каналы водяного охлаждения камеры; 7 — каналы подачи газа с запорными клапанами (4 шт.); 8 — двухспиральный плоский индуктор со штуцерами; 9 — электромагнитный экран индуктора; 10 — устройство согласования с индуктором; 11 — переходная вакуумная камера; 12 — фланец стыковки с загрузчиком; 13 — фланец подсоединения спектроанализатора; 14 — смотровое окно.
(от нескольких десятков до нескольких сотен), возможность создания тренчей с высоким ас-пектным отношением. В то же время этой технологии присущи недостатки, такие как: значительный подрав под маску (от 0.1 мкм до нескольких микрон), сильная шероховатость стенок, наличие полимерных отложений на стенках сформированной канавки. Мы предприняли попытку уменьшить негативные эффекты, присущие циклическим процессам, сохраняя при этом высокую селективность травления по отношению к маске на основе органических материалов и 8Ю2, удовлетворяя другим важным требованиям, а именно: вертикальности боковых стенок результирующего профиля и закругленности дна канавки.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Исследование процесса анизотропного травления кремния проводилось в технологическом
реакторе установки "Платран-150", созданной в ФТИАН и оснащенной источником индуктивно-связанной плотной плазмы [2, 8], схема которого представлена на рис. 1
Наши оценки и предварительные эксперименты [8] показывают, что для формирования трен-чей с шероховатостью стенок около 2 нм могут быть использованы процессы с длительностью стадий около 1 с. Более короткие шаги использовать не целесообразно ввиду ограниченного быстродействия механических устройств запорной арматуры газовых и откачных магистралей. Для реализации процессов с длительностью стадии травления порядка 1 с в конструкцию установки были внесены некоторые изменения. Так система подачи газов в технологический реактор была специально модернизирована. Выходные клапаны газовых каналов и регуляторы расхода газов были размещены на минимальном расстоянии от реактора для сокращения времени откачки со-
200 нм
I_I
Mag = 32.88 K X ЕНТ = 5.20 кВ
Date: 17 Nov 2011
WD = 2.7 мм
Signal A = InLens Time: 15:51:16
FTIAN
Рис. 2. Вид тестовой структуры после травления в технологическом процессе с секундными длительностями стадий и параметры технологического процесса, продолжительность 60 циклов.
Шаг 1 (пассивация)
CHFз — 70 см3/мин ЩСр = 800 Вт
^шага 1,0 с
Р = 30 мТ
Шаг 2 (травление)
SF6 — 70 см3/мин Аг — 60 см3/мин ЩСР = 800 Вт
W
riv
11 Вт
t = 17 с
шага
Р = 50 мТ
W^ = 0 Вт
единительных трубопроводов. Процессы проводились при достаточно высоком давлении (50 мТ и более) на шаге травления. В этом диапазоне давлений существенно повышается селективность травления кремния по отношению к диоксиду кремния и органическим покрытиям. К сожалению, применение такого технологического приема, имеет и негативный эффект. Из-за рассеяния на атомах, ускоренные приложенным смещением ионы активно бомбардируют боковую стенку формируемого профиля, что приводит к расширению его верхней части ("боулинг"). Для снижения данного негативного эффекта мы повысили давление и на стадии пассивации (до 70 мТ), что должно было, по нашему мнению, привести к увеличению толщины высаженного фторполи-мерного защитного слоя на боковой стенке тренча.
Для снижения ионного воздействия на маскирующее покрытие нами была проведена дополнительная модернизация установки. Доработанная схема управления ВЧ-генератором позволяет по-
давать на образец изменяющееся в течении шага ВЧ-смещение: в начале шага высокий уровень, затем, плавно спадающий по экспоненте. Постоянная времени снижения уровня ВЧ-мощности могла изменяться, в наших экспериментах она составляла менее 1 с.
В качестве рабочих газов использовались SF6, Аг, CHF3. Все процессы проводились в диапазоне поддержания температуры держателя пластины 18—20°С, с подачей газообразного гелия под кремниевую пластину для уменьшения теплового сопротивления вакуумного зазора держатель-пластина. Давление гелия под пластиной составляло около 10 Шрр. Пластина прижималась к держателю с помощью механического прижима.
В качестве образцов использовались пластины монокристаллического кремния марки КДБ-12 с ориентацией (100), диаметром 100 мм со сформированной на их поверхности маской на основе электронного резиста ZEP 7000 или жесткой маской на основе диоксида кремния, вольфрама и
Рис. 3. Профили канавок, полученные в технологическом процессе, оптимизированном с помощью введения секундных пауз между шагами, продолжительность 50 циклов.
Шаг 1 (пассивация)
Сет3 - 70 см3/мин
Щср = V =
'' ги
1шага
Р = 30 мТ
800 Вт 0 Вт 1.0 с
Пауза
Г = 1 с
Шаг 2 (травление)
SF6 — 70 см3/мин Аг — 60 см3/мин
1СР :
V
'' ГЛ
= 800 Вт 11 Вт
, = 1.7 с
шага
Р = 50 мТ
электронорезиста ПММА-950К. Электроноре-зист наносился на центрифуге при скорости 4000—5000 мин-1 , затем сушился при температуре 1700°С. Скрытое изображение в пленке рези-ста формировалось в установке электронно-лучевой литографии '^акИ-150". После операции проявления электронорезиста пластина подвергалась мягкой обработке с помощью РИТ процесса в кислородной плазме для удаления остатков резиста с проявленной площади. В случае подготовки образцов с жесткой маской последовательно проводились процессы травления вольфрамового слоя толщиной 30 нм через электронорезистивную маску и слоя диоксида кремния толщиной 200 нм через полученную в вольфрамовую маску. Дизайн тестовой структуры представлял собой решетку щелей шириной 30—100 нм и длиной 1 мм. Профили протравленных в кремнии тренчей (после скалывания) наблюдались в электронном микроскопе "Шга-55".
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Структуры с электронорезистивной маской ZEP 7000
Оценки показывают, что при продолжительности травления около 1 с в плазме элегаза при давлении более 30 мТ подтрав под маску может достигать величины 50—100 нм, что является абсолютно недопустимым при изготовлении тренчей шириной в несколько десятков нанометров. Поэт
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.