научная статья по теме ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ВО ФТОРСОДЕРЖАЩЕЙ ПЛАЗМЕ В ЦИКЛИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ ТРАВЛЕНИЕ/ПАССИВАЦИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ВО ФТОРСОДЕРЖАЩЕЙ ПЛАЗМЕ В ЦИКЛИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ ТРАВЛЕНИЕ/ПАССИВАЦИЯ»

ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2008, том 42, № 2, с. 164-168

-- ПЛАЗМОХИМИЯ

УДК 621.382:537.525

ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ВО ФТОРСОДЕРЖАЩЕЙ ПЛАЗМЕ В ЦИКЛИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ

ТРАВЛЕНИЕ/ПАССИВАЦИЯ

© 2008 г. И. И. Амиров*, Н. В. Алов**

*Институт микроэлектроники и информатики Российской академии наук 150007, Ярославль, ул. Университетская, 21 E-mail: ildamirov@yandex.ru **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991, Москва, Воробьевы горы Поступила в редакцию 30.08.2007 г.

Определены условия и причины формирования микроигл и столбчатых структур на поверхности кремния в процессе глубокого анизотропного травления в двухстадийном циклическом режиме в плазме SFg/C^. Возникновение микроструктур ускоряется с увеличением толщины фторуглерод-ной пленки, образующейся на поверхности Si на стадии пассивации в плазме C4F8, и с увеличением скорости ее травления в плазме SF6. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии показано, что при таких условиях на поверхности Si усиливается образование углеродных остатков травления фторуглеродной пленки. Накапливаясь на поверхности в циклическом процессе, они как микромаскирующее покрытие являются причиной образования микроигл и столбчатых структур.

Плазменные процессы глубокого анизотропного травления 81 (>100 мкм), которые широко используются в технологии создания приборов микросистемной техники, осуществляются во фторсодержащей плазме (8Р^С4Р8 или 8Р^О2) в циклическом режиме травление/пассивация [1, 2]. В процессе формирования структур на дне канавок или на открытой поверхности 81 образуются высокие конусообразные микроиглы, механизм возникновения которых изучен недостаточно. Возникновение микроигл в длительных процессах травления обычно связывали с осаждением и накоплением на поверхности 81 кластеров труднолетучих продуктов распыления металлических стенок реактора [3]. Они являлись микромаской для формирования игл. Однако микроиглы на поверхности 81 образуются, например, в плазме 8Р^О2 в определенных условиях сильной пассивации в коротких по времени процессах [4]. Кроме микроигл на поверхности 81 при определенных условиях образуются столбчатые структуры. В обоих случаях в качестве микромаски выступают кластеры 8ЮР;с. Образование высоких микроигл (до 80 мкм) наблюдается также в циклическом процессе травление/пассивация в плазме 8Р6/С4Р8 [5, 6]. Микроиглы меньших размеров (2-3 мкм) образуются также при высокоанизотропном травлении 81 во фторсодержащей плазме при интенсивной ионной бомбардировке [7, 8]. Возникновение микроигл является негативным фактором при глубоком травлении кремния. Однако в последнее время такие структуры находят приме-

нение при создании покрытий с высоким коэффициентом оптического поглощения и различных элементов микроэлектромеханических систем [9, 10].

Целью настоящей работы является исследование условий, закономерностей и причин формирования микроструктур на поверхности 81 в плазме 8Р6/С4Р8 в циклическом процессе травление/пассивация.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Эксперименты проводили в реакторе плотной плазмы 8Р6/С4Р8 вЧ индукционного разряда, подробно описанном ранее [11]. Плазмохимический реактор состоит из разрядной и реакционной камер. Разряд зажигали в разрядной камере с помощью ВЧ-генератора (/ = 13.56 МГц, W = 1 кВт). Из разрядной камеры плазма диффузно распространялась в реакционную металлическую камеру, находящуюся в магнитном поле катушки. В реакционной камере был расположен плоский водо-охлаждаемый ВЧ-электрод, на который устанавливали плоскую алюминиевую пластину - держатель образцов. Под эту пластину с целью поддержания постоянной ее температуры под давлением 10 Торр подавали гелий, который служил теп-лопроводящим агентом. Для задания необходимого отрицательного потенциала смещения на электрод от отдельного ВЧ-генератора (/ = 13.56 МГц, W = 600 Вт) подавали определенную мощность ВЧ-смещения. Откачку газов осуществляли тур-бомолекулярным насосом (400 л/с). Эксперимен-

ты проводили при давлении 1-5 Па и ВЧ-мощно-сти, подаваемой на индуктор, равной 700 Вт. Суммарный расход газов не превышал 140 нсм3/мин.

Образцами служили пластинки полированного монокристаллического Si (100). Размер образцов составлял 20 х 20 мм. Образцы крепили на вакуумной смазке на алюминиевом держателе. Температура образцов была равна температуре охлаждаемого держателя. Изображение образующихся на поверхности кремния микроструктур получали с помощью растрового электронного микроскопа LEO 430 и оптического микроскопа NEOPHOT-32.

Элементный и химический состав поверхности Si с различными микроструктурами определяли методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). РФЭ-спектры измеряли на электронном спектрометре Leybold LHS-10 в режиме постоянного относительного энергетического разрешения (обзорные спектры) и постоянного абсолютного энергетического разрешения (спектры уровня С 1я) электростатического полусферического анализатора энергий. При определении элементного состава в качестве источника возбуждения РФЭ-спектров использовали рентгеновское излучение MgKa c энергией Н\ = 1253.6 эВ, а при определении химического состава - AlKa с энергией Н\ = 1486.6 эВ. Точность измерения кинетической энергии и энергии связи фотоэлектронов равнялась 0.1 и 0.5 эВ в режиме постоянного абсолютного и относительного энергетического разрешения, соответственно. Глубина отбора аналитической информации составляла 3-5 нм. Вакуум в камере анализа спектрометра - 2 х 10-7 Па. Расчет количественного содержания фтора и углерода в пленке проводили по формуле, приведенной в [12]:

= (/«^ «)/("X 1 = 1 11/ 1),

где с - концентрация элемента, I - интенсивность спектральной линии внутреннего уровня элемента, а^ - сечение фотоионизации внутреннего уровня элемента. В расчетах использовали значения сечений фотоионизации а^ для внутренних уровней C Ъ - 1.0 и F Ъ - 4.26 [13].

Параметры процесса на стадии травления:

= 100 нсм3/мин, 0(ОД) = 10 нсм3/мин, -исм = = 0-100 В, р = 4.5 Па. Параметры процесса на стадии пассивации: = 40 нсм3/мин, Q(SF6) = = 5 нсм3/мин, -исм = 5-80 В, р = 1.2 Па.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Основным условием реализации анизотропного травления Si в двухстадийном циклическом процессе травление/пассивация в плазме SF6/С4F8 является сохранение фторуглеродной полимерной пленки (ФУП) на боковой поверхности ка-

навки травления. Она осаждается на дно и стенки канавки на стадии пассивации в плазме C4F8 после протекания стадии кратковременного (несколько секунд) изотропного травления через маску SiO2 неглубокой канавки Si в плазме SF6. Переход к стадии пассивации от стадии травления осуществляется быстрым изменением состава плазмы SF6 на C4F8. На боковой поверхности ФУП должна оставаться, чтобы предотвратить боковое травление канавки. Циклическое повторение стадий травление/пассивация приводит к образованию вертикальных канавок в Si. Глубина канавки определяется числом циклов травление/пассивация.

Однако важно, что на стадии травления на дне канавки происходит сначала удаление ФУП, а потом уже Si. При оптимальных условиях процесса время удаления ФУП на стадии травления намного меньше времени удаления Si и поэтому оно обычно не принимается во внимание. В этом случае скорость травления Si максимальна, а образование микроигл на дне глубоких канавок минимально. Микроиглы обычно возникают с усилением стадии пассивации. Степень пассивации, которая оценивается по толщине ФУП на дне канавки травления, можно варьировать, изменяя длительность стадии пассивации или потенциал смещения на стадии пассивации.

С увеличением длительности стадии пассивации при высокой энергии бомбардирующих ионов (ием = -100 В) на стадии травления и одинаковом количестве циклов травление/пассивация в каждом эксперименте, равном 90, на поверхности образцов наблюдали микроструктуры двух видов. Это мелкие и высокие иглы (рис. 1а и 16) и столбчатые остроконечные структуры (рис. 1в). Плотность игл и столбчатых структур была приблизительно одинаковой и составляла ~2 х 108 см-2.

Иглы наблюдались при гос < 7.5 c (рис. 2, область А). При длительности стадии травления, равной 5 с, высота игл увеличивалась от 0.5-1.0 до 5-6 мкм с увеличением tос от 4 до 8 с. Поверхность образца при этом изменяла свой цвет от бело-матового до желтого, темно-коричневого, темно-зеленого и черного.

При 8 < toc < 11 с на поверхности Si образовывались столбчатые структуры. Их высота, напротив, уменьшалась с увеличением длительности стадии пассивации. Цвет поверхности был всегда черным. При toc = 12 с структуры уже не образовывались. На поверхности обнаруживалась фто-руглеродная полимерная пленка. Очевидно, это связано с тем, что в условиях стадии травления ФУП = 4 с, исм = -100 В) она не удалялась с поверхности. Такой характер процессов на поверхности соотносится со скоростью травления ФУП, которая линейно возрастала с увеличением потенциала смещения до -100 В более чем в 10 раз

1С«* V.

Ляп* .(*,

к, мкм 6

5Ь 4 3

1 -

10

12

Рис. 2. Зависимость высоты игл (область А) и столбчатых остроконечных структур (область Б) на поверхности 81 от длительности стадии осаждения

(?тр = 4 С

^см = -100 В).

Рис. 1. РЭМ-изображение микроигл (а, б) и столбчатой структуры (в) на поверхности 81.

и достигала 200 нм/с, и скоростью осаждения ФУП, равной 6.0 нм/с.

В области А высота игл линейно росла с увеличением числа циклов. Высота столбчатых структур (область Б), напротив, не зависела от количества циклов травление/пассивация. После быстрого выхода на некоторое постоянное значение далее она оставалась постоянной. При ?тр = 4 с

и ¿ос = 10 с высота столбчатых структур достигала постоянного значения (4-5 мкм) за 10 циклов.

При уменьшении потенциала смещения до -50 В ^см = 15 Вт, гтр = 4 с) поверхность 81 была матовой при гос = 4 с и черной при гос = 5 с. Однако при том же потенциале смещения, но при увеличении длительности стадии травления на 1 с (¿тр = 5 с, ¿ос = 4 с) травление 81 было полирующим. Если усиливать пассивацию, увеличивая ¿ос, то поверхность 81 снова становилась матовой (гос = 5 с), а затем черной (¿ос

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»