1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Микроэлектроника
  4. T. 51, № 4, 2022

Микроэлектроника, 2022, T. 51, № 4, стр. 283-290

Формирования наноразмерных структур на поверхности кремния комбинацией методов фокусированных ионных пучков и плазмохимического травления

В. С. Климин a, Ю. В. Морозова a, *, И. Н. Коц a, З. Е. Вакулов b, О. А. Агеев a

a Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения, Южный федеральный университет
347928 Таганрог, ул. Шевченко, 2, Россия

b Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук
344006 Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41, Россия

* E-mail: ulamrzv@gmail.com

Поступила в редакцию 10.11.2021
После доработки 10.01.2022
Принята к публикации 11.01.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Целью данной работы является исследование режимов и определение закономерностей плазмохимической обработки во фторидной плазме поверхности кремния, локально модифицированной ионами галлия. Проведены экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия поверхности кремниевых пластин с фокусированными ионными пучками и фторидной плазмой. Определены общие закономерности влияния режимов ФИП и ПХТ на скорость травления, шероховатость поверхности и угол наклона стенок структур, установлено проявление эффектов активации и маскирования при плазмохимическом травлении поверхности кремния, локально модифицированной фокусированными ионными пучками. Установлено, что при проявлении эффекта маскирования селективность составила 195.26, скорость формирования структур комбинацией методов ФИП и ПХТ составила 3.23 нм/с.

Ключевые слова: нанотехнологии, наноразмерные структуры, наноразмерное профилирование, плазмохимическое травление, низкотемпературная плазма, фокусированные ионные пучки, кремний

1. ВВЕДЕНИЕ

Современные темпы развития электроники приводят к ужесточению требований к прецизионным методам формирования элементов микро- и наноэлектроники. В связи с этим исследования и разработки новых методов наноразмерного профилирования является актуальной задачей [1–8].

Одними из наиболее перспективных являются методы, основанные на использовании потоков ионов высоких энергий, среди которых выделяются методы фокусированных ионных пучков (ФИП) [9–12] и плазмохимического травления (ПХТ) [13–16]. Метод ФИП основан на прецизионном воздействии на поверхность подложки пучком ионов, что позволяет модифицировать приповерхностную область с нанометровым разрешением. Достоинствами метода ПХТ являются: высокая разрешающая способность, минимальный эффект бокового подтравливания и высокая производительность [17–20].

Комбинация этих методов представляется перспективной для повышения эффективности формирования наноразмерных структур, однако для выявления общих закономерностей происходящих при этом процессов необходимо проведение дополнительных исследований.

Целью работы является исследование режимов и определение закономерностей плазмохимической обработки во фторидной плазме поверхности кремния, локально модифицированной ионами галлия.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

При проведении экспериментальных исследований были использованы пластины n-Si (100), с удельным сопротивлением 0.001–0.005 Ом/см.

Подложки проходили химическую очистку в ацетоне и изопропиловом спирте при температуре 70°C в течение 10 мин и выдержку в водном растворе HF (10%) в течение 30 с, после которой на их поверхности методом фотолитографии локально формировалось маскирующее покрытие из плазмостойкого фоторезиста SPR-220.

Локальная модификация методом ФИП проводилась на растровом электронном микроскопе (РЭМ) NovaNanoLab 600 с ионной колонной (FEI, Нидерланды), плазмохимическое травление проводилась на установке STE ICPe 68 (ЗАО “НТО”, г. Санкт-Петербург), позволяющей проводить обработку в комбинированном разряде емкостной и индуктивно-связанной плазмы, исследование морфологии полученных структур проводилось методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на зондовой нанолаборатории NtegraVita (ЗАО “НТ-МДТ”, Россия).

Плазмохимическая обработка поверхности проводилась во фторидной плазме, формируемой разложением гексофторида серы (SF6), так как основными активными частицами при травлении кремния являются атомы фтора и частично радикалы SF5. В хлоридной плазме травление происходит только за счет ионной бомбардировки и как следствие, при низких скоростях травления наблюдается высокая анизотропия. При плазмохимическом травлении в хлор-фторидной плазме скорость травления увеличивается за счет бомбардировки атомами фтора, при этом сохраняется высокая анизотропия за счет пассивации хлором [21, 22].

Экспериментальные исследования плазмохимической обработки во фторидной плазме поверхности кремния, локально модифицированной ионами Ga+ проводились в три этапа, режимы которых были выбраны на основе исследований, проведенных нами ранее [11, 23] и представлены в табл. 1.

Таблица 1.  

Режимы экспериментальных исследований

Этап Локальная модификация Плазмохимическая обработка
Uус, кВ Iип, пА n D, пКл/мкм2 NSF6, см3/мин NAr,
см3/мин 		Р,
Па 		WИСП,
Вт 		WEСП,
Вт 		Uсм,
В 		t, с
1 этап – – – – 15 100 2 250 35 24 15–120
2 этап 30 10 10–100 2.5–25 15 100 2 250 35 24 15–120
3 этап 10–30 10 50 12.5 15 100 2 250 35 24 15–60

Примечание NSF6 – поток гексофторида серы, NAr – поток аргона, Р – давление в реакторе, WИСП – мощность источника индуктивно-связанной плазмы, WEСП – мощность источника емкостной плазмы, Uсм – напряжение смещения, t – время плазмохимической обработки, Uус – ускоряющее напряжение ФИП, Iип – ток ионного пучка, D – доза, n – количество проходов ионного пучка.

На первом этапе формировались контрольные образцы и проведены исследования по определению закономерностей влияния времени плазмохимического травления на толщину вытравленного слоя и шероховатость поверхности подложек после.

На втором этапе проведены исследования по определению закономерностей плазмохимического травления областей, предварительно модифицированных фокусированным пучком ионов Ga+, в частности определялось влияние времени полученных плазмохимического травления на высоту и угол наклона стенок структур.

На третьем этапе проведены исследования по определению зависимостей высоты полученных структур от ускоряющего напряжения ионного пучка.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены результаты экспериментальных исследований на первом этапе, отражающие влияние времени обработки во фторидной плазме на толщину вытравленного слоя кремния и шероховатость поверхности.

Рис. 1.

Зависимости толщины вытравленного слоя кремния и шероховатости поверхности от времени плазмохимического травления (а) и шероховатости поверхности от толщины вытравленного слоя кремния (б).

Анализ показал, что при заданных режимах зависимость толщины вытравленного слоя от времени имеет линейный характер, при этом скорость травления кремния составляет 3.71 нм/с. При увеличении длительности плазмохимической обработки шероховатость поверхности возрастает, при этом, для структур глубиной 110.5 нм шероховатость составляет 2.31 нм, а для структур глубиной 337.7–5.27 нм.

Полученные результаты были использованы на втором и третьем этапах исследований, при оценке скорости травления структур после применения комбинации методов ФИП и ПХТ.

На рис. 2 представлены полученные на втором этапе исследований АСМ и РЭМ-изображения локально-модифицированных методом ФИП областей до плазмохимической обработки.

Рис. 2.

Локально-модифицированные методом ФИП области: РЭМ-изображение (а), АСМ-изображение (б), профиллограмма (в).

Представленные результаты демонстрируют, что при выбранных режимах обработки методом ФИП (табл. 1) в приповерхностном слое подложки кремния процессы внедрения ионов галлия, аморфизации и дефектообразования преобладают над процессами ионного травления.

Дальнейшие экспериментальные исследования на втором этапе показали, что в зависимости от сочетания режимов ФИП и ПХТ проявляются два эффекта:

– активация ПХТ травления подложки;

– маскирование поверхности подложки при ПХТ.

На рис. 3 представлено РЭМ и АСМ – изображения поверхности образцов с модифицированными областями после ПХТ травления: при дозе воздействия ионного пучка 5 пКл/мкм2, после плазмохимической обработки в течение 30 с (4а, б); при дозе воздействия ионного пучка 25 пКл/мкм2, после плазмохимической обработки в течении 120 с (4в, г).

Рис. 3.

Структуры, полученные плазмохимическим травлением локально-модифицированных областей: (а, в) РЭМ-изображение; (б, г) АСМ-изображение.

Активация. На рис. 4 представлены зависимости высоты и шероховатости поверхности локальных структур от количества проходов ионного пучка и дозы облучения при времени плазмохимического травления 30 с.

Рис. 4.

Зависимости высоты структур и шероховатости от количества проходов (а) и дозы облучения ФИП (б) при времени плазмохимического травления 30 с.

Анализ показывает наличие участков с “отрицательной” высотой структур, формируемых при количестве проходов до 40 (соответствует дозе до 10 пКл/мкм2). Сопоставление результатов с данными, представленными на рис. 1 позволяет оценить для этого участка скорости травления и селективность (3.92 и 0.948 нм/с соответственно). Полученные результаты (рис. 3а, 3б и рис. 4) отражают проявление эффекта активации процесса плазмохимического травления в локально-модифицированной области, за счет формирования радиационных дефектов в приповерхностном слое при ионно-лучевом воздействии.

Для оценки глубины проникновения ионов в кремнии, с помощью программного пакета SRIM, методом стохастического моделирования Монте-Карло было проведено моделирование, результаты которого представлены на рис. 5.

Рис. 5.

Зависимости глубины максимальной концентрации ионов и толщины нарушенного слоя от ускоряющего напряжения.

При расчете глубины нарушенного слоя учитывалось, что он составляет 65% от среднего проективного пробега, согласно [24].

Результаты расчетов (рис. 5) позволяют характеризовать дефектообразование в приповерхностной области подложки кремния после обработки ионным пучком методом ФИП – оценить глубину максимальной концентрации внедренных ионов галлия и толщину нарушенного слоя.

Маскирование. Наличие на рис. 4 участка с “положительной” высотой структур (количество проходов более 40, что соответствует дозе более 10 пКл/мкм2) и характер структур на рис. 3в, 3г отражает проявление эффекта маскирования в локально-модифицированной области при ПХТ, который можно объяснить формированием слоя с внедренными ионами галлия при ионно-лучевом воздействии (рис. 5), который химически инертен для ионов фторсодержащего газа, формируемых при плазмохимическом травлении при данных режимах. Маскирующая область (рис. 3в, г) имеет более развитый рельеф поверхности (шероховатость 13.7 нм), по отношению к окружающей области (шероховатость 2.5 нм), что связанно с преобладанием физической компоненты при реактивном ионном травлении.

Зависимости, представленные на рис. 6 показывают, что при времени ПХТ травления 120 с в локально-модифицированной области нарушенный слой травится полностью, а оставшийся слой с внедренными ионами галлия выступает в качестве маскирующего. Сравнение с результатами, полученными на контрольном образце (рис. 1), позволяет оценить параметры плазмохимического травления. Так, при дозе облучения 18.75 пКл/мкм2 скорость плазмохимического травления слоя с внедренными ионами составила 0.019 нм/с, при этом селективность травления составила 195.26.

Рис. 6.

Зависимости высоты и шероховатости структур от количества проходов (а) и дозы облучения ФИП (б) при времени плазмохимического травления 120 с.

Схематическое изображение эффектов активации и маскирования, наблюдавшихся на поверхности кремниевых подложек при комбинации методов фокусированных ионных пучков и плазмохимического травления во фторидной плазме при исследуемых режимах, представлено на рис. 7.

Рис. 7.

Схематическое изображение активации и маскирования поверхности подложки кремния при комбинации ФИП и ПХТ.

При формировании наноразмерных структур элементов микро- и наноэлектроники важным параметров является угол наклона стенки структур, характеризующий растравливание и, в конечном итоге, разрешение метода [3, 4, 25].

В данном исследовании, в результате анализа методами АСМ параметров структур с эффектом маскирования, были получены зависимости высоты и угла наклона стенок структур от времени плазмохимической обработки (рис. 8а). Локальная модификация областей 5 × 5 мкм фокусированным пучком ионов осуществлялась при количестве проходов пучка 50, с дозой 12.5 пКл/мкм2, токе ионного пучка 10 пА, ускоряющем напряжении 30 кэВ.

Рис. 8.

Зависимости высоты и угла наклона стенки структур от времени плазмохимического травления (а) и зависимости угла наклона стенки структуры от высоты сформированных структур (б).

Из рис. 8а, с использованием результатов первого этапа исследований можно определить скорость травления структур при данных режимах, которая составляет 3.23 нм/с и коррелирует со значением скорости травления немодифицированных (рис. 1) областей с учетом толщины нарушенного слоя и слоя с внедренными ионами галлия (рис. 5).

Полученные зависимости (рис. 8а) количественно характеризуют известный эффект растравливания при травлении локально неоднородных поверхностей, применительно к структурам и режимам наших экспериментальных исследований [20–23].

Экспериментальные исследования на третьем этапе позволили выявить зависимости высоты полученных структур от ускоряющего напряжения ионного пучка, одного из основных параметров при локальной модификации методом ФИП.

Результаты анализа параметров структур, полученных с эффектом маскирования, позволили выявить зависимости высоты структур от ускоряющего напряжения ионного пучка, при различном времени плазмохимического травления (рис. 9).

Рис. 9.

Зависимости высоты структур от ускоряющего напряжения ионного пучка при различных временах плазмохимического травления.

Анализ показывает, что увеличение ускоряющего напряжения ионного пучка при локальной модификации поверхности приводит к увеличению высоты структур при плазмохимической обработке во фторсодержащей плазме. Этот эффект объясняется тем, что при увеличении ускоряющего напряжение ионы глубже проникают в приповерхностный слой подложки, при этом увеличивается толщина слоя насыщенного галлием (рис. 5), который служит маскирующим покрытием при плазмохимическом травлении. Характер зависимости 9a при времени ПХТ 15 с отражает влияние эффекта активации травления в областях, локально обработанных методом ПХТ. На зависимостях 9b и 9c при временах ПХТ 45 и 60 с отчетливо выражен участок (ускоряющее напряжении ФИП 10–18 кВ) интенсивного формирование структур, которое происходит при проявлении эффекта маскирования в локально модифицированных областях, на втором участке (ускоряющее напряжении ФИП 18–30 кВ) зависимости начинают входить в насыщение и процесс формирования структур значительно замедляется, что связано с физическим разрушением маскирующего слоя ионной бомбардировкой. Общая тенденция к сохранению характера зависимостей при увеличении времени травления отражает достаточно стабильные маскирующие свойства слоя, насыщенного галлием, в рассматриваемом диапазоне режимов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы сформированы наноразмерные структуры при различной комбинации режимов ФИП и ПХТ. Определены общие закономерности влияния режимов ФИП и ПХТ на скорость травления, шероховатость поверхности и угол наклона стенок структур. В результате экспериментальных исследований установлено проявление эффектов активации и маскирования при плазмохимическом травлении поверхности кремния, локально модифицированной фокусированными ионными пучками. Определены общие закономерности плазмохимической обработки локально-модифицированных методом ФИП областей на подложке кремния. Установлено, что при проявлении эффекта маскирования селективность составила 195.26. Скорость формирования структур комбинацией методов ФИП и ПХТ составила 3.23 нм/с, что коррелирует со скоростями травления немодифицированных областей, с учетом толщины нарушенного слоя и слоя с внедренными ионами галлия. Представленные результаты могут быть использованы при разработке технологии изготовления приборных структур микро- и наноэлектроники по самосовмещенной технологии.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 20-69-46076). Результаты получены с использованием инфраструктуры Научно-образовательного центра “Нанотехнологии” Южного федерального университета.

Список литературы

  1. Giannuzzi L.A., Stevie F.A. Introduction to focused ion beams: instrumentation, theory, techniques and practice. N.Y.: Springer, 2004. P. 357.

  2. Лучинин В.В. Нанотехнологии: физика, процессы, диагностика, приборы. М: Физматлит, 2006. 552 с.

  3. Нанотехнологии в микроэлектронике. Под ред. Агеева О.А., Коноплёва Б.Г. М.: Наука, 2019. 511 с. ISBN 978-5-02-040201-0

  4. Bhushan B. Springer Handbook of Nanotechnology (3rd edition) / Ed. by Bharat Bhushan. N.Y.: Springer, 2010. № 1964.

  5. Colligon J.S. Energetic condensation Processes, properties, and products // J. Vac. Sci. Technol. A. 1995. V. 13. № 3. P. 1649–1657.

  6. Vakulov Z., Khakhulin D., Geldash A., Tominov R.V., Klimin V.S., Smirnov V.A., Ageev O.A. Impact of laser pulse repetition frequency on nucleation and growth of LiNbO3 thin films // J. Advanced Dielectrics. 2021. № 2160019.

  7. Vakulov Z., Geldash A., Khakhulin D., Il’ina M.V., Il’in O.I., Klimin V.S., Dzhuplin V.N., Konoplev B.G., He Z., Ageev O.A. Piezoelectric energy harvester based on LiNbO3 thin films // Materials. 2020. V. 13(18). № 3984.

  8. Vakulov Z., Khakhulin D., Zamburg E., Mikhaylichenko A., Smirnov V.S., Tominov R.V., Klimin V.A., Ageev O.A. Towards scalable large-area pulsed laser deposition // Materials. 2021. V. 14(17). № 3984.

  9. Salvati E., Brandt L.R., Papadaki C., Zhang H., Mousavi S.M., Wermeille D., Korsunsky A.M. Nanoscale structural damage due to focused ion beam milling of silicon with Ga ions // Mater. Lett. 2018. V. 213. P. 346–349.

  10. Korsunsky A.M., Guénolé J., Salvati E., Sui T., Mousavi M., Prakash A., Bitzek E. Quantifying eigenstrain distributions induced by focused ion beam damage in silicon // Mater. Lett. 2016. V. 185. P. 47–49.

  11. Kots I.N., Kolomiitsev A.S, Lisitsyn S.A., Polyakova V.V., Klimin V.S., Ageev O.A. Studying the Regimes of Silicon Surface Profiling by Focused Ion Beams // Russian Microelectronics. 2019. V. 48. № 2. P. 72–79.

  12. Lisitsyn S.A., Balakirev S.V., Avilov V.I., Kolomiytsev A.S., Klimin V.S., Solodovnik M.S., Konoplev B.G., Ageev O.A. Study of Nanoscale Profiling Modes of GaAs Epitaxial Structures by Focused Ion Beams // Nanotechnologies in Russia. 2018. V. 13. № 1–2. P. 26–33.

  13. Hwanyeol Park, Ho Jun Kim. Theoretical Analysis of Si2H6 Adsorption on Hydrogenated Silicon Surfaces for Fast Deposition Using Intermediate Pressure SiH4 Capacitively Coupled Plasma // Coatings. 2021. V. 11(9). № 1041.

  14. Yong-Hyun K., Ji-Ho C., Jong-Sik K., Jong-Bae P., Dae-Chul K., Young-Woo K. Comprehensive Data Collection Device for Plasma Equipment Intelligence Studies // Coatings. 2021. V. 11(9). № 1025.

  15. Zeze D., Forrest R., Carey J., Cox D., Robertson I., Weiss B. Ion etching of quartz and Pyrex for microelectronic application // J. Applied Phisics – October. 2002. V. 92. P. 3624–3629.

  16. Winkler T., Kirchhoff V., Goedicke K. Requirements of new pulse power-supplies regarding reactive sputtering processes and adjustment of layer properties. Presentation at European Workshop on Pulsed Plasma Surface Technologies. Dresden. Germany, 2002.

  17. Han C.F., Lin C.C., Lin J.F. Applications of energy flux and numerical analyses to the plasma etching of silicon deep trench isolation (DTI) structures // Precision Engineering. 2021. V. 71. P. 141–152.

  18. Alvarez H.S., Cioldin F.H., Silva A.R., Espínola L.C.J., Vaz A.R., Diniz J.A. Silicon Micro-Channel Definition via ICP-RIE Plasma Etching Process Using Different Aluminum Hardmasks // J. Microelectromechanical Systems. 2021. V. 30. № 9459194. P. 668–674.

  19. Gusmão Cacho M.G., Benotmane K., Pimenta-Barros P., Tiron R., Possémé N. Selective plasma etching of silicon-containing high chi block copolymer for directed self-assembly (DSA) application // J. Vacuum Science and Technology B: Nanotechnology and Microelectronics. 2021. V. 39(41). № 042801.

  20. Choi J.H., Yoon J., Jung Y., Im W.B., Kim H.-J. Analysis of plasma etching resistance for commercial quartz glasses used in semiconductor apparatus in fluorocarbon plasma // Materials Chemistry and Physics. 2021. V. 2721. № 125015.

  21. Соловецкий Д.И. Механизмы плазмохимического травления материалов. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Книга III. М.: Наука, 2000. 346 с.

  22. Орликовский А.А., Словецкий Д.И. Проблемы плазмохимического травления в микроэлектронике // Микроэлектроника. 1987. Т. 16. № 6. С. 497.

  23. Kots I.N., Klimin V.S., Polyakova V.V., Vakulov Z.E., Ageev O.A. Masking coating formation by the focused ion beams method for plasma chemical treatment // J. Physics: Conference Series. 2018. V. 1124(8). № 081035.

  24. Комаров Ф.Ф., Новиков А.П., Ширяев С.Ю. Дефекты структуры в ионно-имплантированном кремнии. Минск: Университетское, 1990. 320 с.

  25. Amirov I.I., Shumilov A.S. Profile Evolution of Silicon Nanostructures in Argon-Plasma Sputtering // J. Surface Investigation. 2020. V. 14. № 5. P. 935–9431.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Микроэлектроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал