МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 5, с. 380-389
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ
УДК 621.382
АСПЕКТНОНЕЗАВИСИМОЕ АНИЗОТРОПНОЕ ТРАВЛЕНИЕ КРЕМНИЯ В ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОМ, ЦИКЛИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ
© 2007 г. О. В. Морозов, И. И. Амиров
Институт микроэлектроники и информатики Российской АН Ildamirov@yandex.ru Поступила в редакцию 26.12.2006 г.
Приведены условия реализации аспектнонезависимого (АНЗ) травления в циклическом двухста-дийном (травление/пассивация) процессе в плазме SF6/C4F8. Экспериментально показано, что АНЗ травление достигается с увеличением времени стадии пассивации и/или снижением энергии ионов на стадии травления. При этом происходит увеличение длительности удаления фторуглеродной пленки, которая влияет на характер зависимости скорости травления от аспектного отношения канавки. Представлена модель циклического травления, учитывающая аспектные зависимости процессов на дне канавки: травления Si, осаждения и удаления фторуглеродной пленки. Результаты моделирования удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Обсуждены ограничения реализации АНЗ травления.
ВВЕДЕНИЕ
Циклический двухстадийный процесс глубокого анизотропного травления в плазме SF6/C4F8 ВЧ-индукционного разряда широко применяется в технологии производства микроэлектромеханических систем [1, 2]. Этот процесс позволяет формировать необходимые подвижные элементы микромеханики при вытравливании в объеме Si-пластины канавок различной формы и размеров для создания разных интегрированных датчиков. Известно, что при плазменном травлении канавок с высоким аспектным отношением (отношение глубины травления к ширине канавки) имеет место эффект аспектнозависимого (АЗ) травления, который заключается в замедлении скорости травления при росте аспектного отношения [3, 4]. Это приводит к негативному явлению, когда при одновременном формировании канавок разных размеров, широкие канавки протравливаются на большую глубину, чем узкие, с более высокими аспектными отношениями.
В циклическом процессе формирования канавок при разных параметрах стадий может наблюдаться, как АЗ травление, так и аспектнонезави-симое (АНЗ) травление, когда глубина узких и широких канавок оказывается одинаковой [5, 6]. Эффект АЗ травления удовлетворительно согласуется с моделью кнудсеновского транспорта, описывающей уменьшение потока нейтральных частиц на дно канавок с различной геометрической формой и размерами [5, 7]. В таком случае доставка F-радикалов на дно канавки в течение стадии травления в плазме SF6 является фактором, приводящим к уменьшению скорости травления. Однако в двухстадийном процессе, когда стадия травления чередуется со стадией осажде-
ния фторуглеродной пленки (ФУП) в плазме С^8 для пассивации боковых стенок канавки, этот фактор не является единственным. На поверхности дна канавок последовательно происходят три процесса: осаждение, а затем удаление ФУП и изотропное травление Si. Явление АНЗ травления объяснялось тем, что процесс удаления ФУП определяет характер зависимости скорости травления от аспектного отношения канавки [6]. Это связано с задержкой (на время травления ФУП) изотропного удаления Si на стадии травления, т.к. скорость процесса травления зависит от отношения длительности удаления Si к периоду повторения двух стадий (рис. 1). При уменьшении длительности задержки с увеличением аспектного отношения время удаления Si будет расти. В этом случае длительность задержки будет являться фактором, приводящим к росту скорости процесса травления. Таким образом, характер зависимости скорости травления от аспектного отношения может определяться противоположным влиянием двух факторов. В настоящее время влияние фактора задержки на характер формирования канавок в циклическом процессе не изучено.
Цель данной работы - определение условий реализации АНЗ травления в двухстадийном процессе в SF6/C4F8 плазме и построение модели такого процесса.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Эксперименты проводились в реакторе с ВЧ-индукционным источником плазмы подробно описанном в [8]. Плазмохимический реактор состоит из разрядной и реакционной камер. Индукционный разряд зажигали в разрядной камере -
R, произв.
t2
1
I
Sl
Осаждение ФУП
Удаление ФУП
Травление 81
0
_I_I_I_I_I_I_I
0 2 4 6 8 10 12 14
t2, С
Рис. 1. Зависимость скорости травления 81 от времени проведения циклического процесса. ^ - время стадии травления в плазме SF6, - время стадии пассивации в плазме CF4. Скорость процесса травления является средней по периоду повторения стадий, поэтому она определяется скоростью и временем удаления 81 на стадии травления Яа = + Г2)).
кварцевом стакане при мощности ВЧ генератора Ж = 900 Вт ^ = 13.56 МГц). Из разрядной камеры плазма в магнитном поле катушки диффузно распространялась в реакционную металлическую камеру, в которой на расстоянии 30 см от зоны генерации плазмы, находился водоохлаждаемый вЧ-электрод. На электроде устанавливалась плоская А1-пластина - держатель образцов. Под А1-пластину с целью поддержания ее температуры (290-310 К) под давлением 1000 Па подавали гелий, который служил в качестве теплопроводя-щего агента. Для задания необходимого отрицательного потенциала смещения на электрод от отдельного ВЧ генератора (/= 13.56 МГц) подавали определенную мощность смещения (Жь). Откачка газов осуществлялась турбомолекулярным насосом (800 л/с). Предельный остаточный вакуум составлял 2 х 10-4 Па. Суммарный расход газов не превышал 200 нсм3/мин. Управление периодическим переключением уровней расходов газов и
мощности смещения проводилось разработанным аппаратно-программным модулем.
В экспериментах варьировались два параметра процесса травления; - длительность стадии пассивации (¿2) или потенциал смещения на стадии травления (-К1) при постоянной длительности стадии травления и одинаковых расходах газов (0, давлениях в реакторе (Р) (см. таблицу).
В качестве образцов служили термически окисленные пластинки кремния размером 2 х 2 см. В слое 8102 (толщина 1 мкм) методом фотолитографии был сформирован рисунок маски - равномерно распределенные по поверхности прямоугольные канавки микронных (10 х 50 мкм) и больших (0.2 х 1 мм) размеров. Для определения скорости травления 81 в канавках с разным ас-пектным отношением, формировались образцы с канавками (а х Ь = 10 х 50 мкм), анизотропно протравленными на разную глубину кж от 0 до 110 мкм. Затем проводили травление образцов с
Таблица
Стадия: ^ с Q(SF6), нсм3/мин Q(C4F8), нсм3/мин Р, Па , Вт - V, В
Травление 5 180 0 4.8 15-35 50-90
Пассивация 2-6 8 60 0.9 0 10
Рис. 2. Зависимость глубины канавки с А < 0.1, сформированной за 30 циклов двухстадийного процесса травления: 1 -от времени стадии пассивации при потенциале смещения на стадии травления -90 В; 2 - от потенциала смещения на стадии травления при длительности стадии пассивации 4 с.
разной начальной глубиной Н, в течение одинакового количества циклов и измеряли изменение глубины АНТак как при травлении происходило изменение глубины канавки, то значение АН, будет характеризовать среднюю скорость травления в диапазоне глубин от Н, до Н, + АН,. При разной начальной глубине эта скорость связывалась с аспектным отношением
А = (Н, + 0.5 АН,)/Ж,
где
Ж = аЬ / (а + Ь).
Глубину травления канавок измеряли с помощью оптического микроскопа NEOFOT с точностью ±0.5 мкм и растрового электронного микроскопа LEO-430.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Длительность задержки определяют параметры циклического процесса травления, такие как время стадии пассивации t2 и потенциал смещения на стадии травления -¥1. Они влияют на толщину ФУП и скорость ее удаления, соответственно. Процессы циклического травления проводились при параметрах стадии пассивации, которые могут обеспечить осаждение ФУП на дне канавки достаточно большой толщины (табл. 1). Это реализуется при высоком расходе С^8 и низком потенциале смещения на стадии пассивации [9].
Влияние параметров t2 и -У1 на скорость процесса травления прослеживались по изменению глубины травления при одинаковом суммарном времени стадий травления. Глубина травления Si (Н0) в широких (0.2 х 1 мм), низкоаспектных (А < 0.1) канавках уменьшалась более чем в 3 раза с увеличением времени стадии пассивации (4-6 с) и уменьшением потенциала смещения на стадии травления (90-50 В) (рис. 2). Уменьшение глубины травления канавки Si в наших экспериментах связано только с уменьшением длительности удаления кремния на дне канавки, вследствие увеличения длительности задержки. Увеличение длительности задержки происходит в результате увеличения толщины ФУП (время t2) и уменьшения скорости ее травления (потенциал -У1). Таким образом, длительность задержки оказывает сильное влияние на скорость циклического процесса травления в представленных условиях.
В тех же условиях процесса травления проводились изменения АН, в узких (10 х 50 мкм) канавках с различными аспектными отношениями. При низких временах стадии пассивации ($2 = 2, 4 с) наблюдалось значительное уменьшение АН, с ростом ас-пектного отношения канавки, т. е. происходило АЗ травление (кривые 1, 2 рис. 3). Увеличение времени стадии пассивации или уменьшение потенциала смещения приводило к более слабому изменению АН,. Кроме того, зависимости АН, от А при различных условиях травления (кривые 3, 5 рис. 3) были подобными. При этих условиях глубина травления (Н0) при низких аспектных отно-
Ahs, мкм
А
Рис. 3. Глубина травления в канавках с разными аспектными отношениями за 30 циклов двухстадийного процесса при разных временах стадии пассивации и потенциалах смещения на стадии травления (¿2, 1 - 2 с, 90 В; 2 - 4 с, 90 В; 3 - 5 с, 90 В; 4 - 6 с, 90 В; 5 - 4 с, 58 В.
шениях и, следовательно, длительность задержки имели близкие значения. Это связано с тем, что уменьшение толщины ФУП при снижении *2 компенсируется падением скорости ее травления при снижении -¥1. При времени стадии пассивации *2 = 6 с наблюдалось увеличение АН,, при росте ас-пектного отношения до значения 5 (кривая 4 рис. 3). Изменение характера зависимости АН, от А происходит при длительности задержки выше некоторого критического значения. В таком слу
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.