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

Микроэлектроника, 2022, T. 51, № 4, стр. 291-295

Плазмохимическое и реактивно-ионное травление кремния в среде тетрафторметана с аргоном

Д. Б. Мурин a, *, С. А. Пивоваренок a, А. С. Козин a

a Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Ивановский государственный химико-технологический университет”
Иваново, Россия

* E-mail: dim86@mail.ru

Поступила в редакцию 07.07.2021
После доработки 11.01.2022
Принята к публикации 11.01.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Проведено экспериментальное исследование влияния времени травления и внешних параметров разряда (потенциал смещения, вкладываемая мощность, давление газа) на скорость травления кремния в смеси CF4/Ar. Показано, что процесс травления кремния протекает в стационарном режиме. Установлено, что при подаче на подложкодержатель потенциала смещения (–100 или –160 В) происходит существенное увеличение скорости травления кремния.

Ключевые слова: травление, плазма, кинетика, кремний, тетрафторметан, аргон

1. ВВЕДЕНИЕ

Развитие технологии микроэлектроники во второй половине ХХ в. привело к необходимости поиска альтернативы жидкостным методам травления и очистки поверхностей. Выбор был сделан в пользу плазменных технологий. Начиная с конца 70-х гг. ХХ в., плазмохимическое и реактивно-ионное травление получили широкое распространение в технологии сверхбольших интегральных схем (СБИС) и ультрабольших интегральных схем (УБИС). По мере того как размеры приборов в интегральных схемах (ИС) продолжают уменьшаться, и наступает эра технологии ультрасверхбольших интегральных схем (УСБИС), плазменное травление используется все чаще и чаще. Это связано, в первую очередь, с тем, что данный способ переноса изображения характеризуется высокой анизотропией и осуществляется при относительно низких температурах, вследствие чего повышается качество выпускаемых ИС. В настоящее время – эпоху быстрого развития нанотехнологий – плазмохимическое травление (ПХТ) остается практически единственным инструментом для перенесения рисунка ИС на материал подложки. Однако, требования к количеству вносимых плазмой дефектов, селективности, управлению шириной линии и однородности травления становятся все более строгими и более сложными для их реализации [1].

Как уже говорилось ранее, основной областью применения плазменных процессов в современной технологии микро- и наноэлектроники является травление поверхностей полупроводниковых пластин и различных слоев. Под термином “плазменное травление” понимают контролируемое удаление материала с поверхности образца под воздействием активных частиц плазмы. В зависимости от типов активных частиц процессы плазменного травления можно разделить на плазмохимические, ионно-плазменные и реактивно ионно-плазменные. Другой характерной чертой современной технологии плазменного травления является использование сложных газовых систем. В таких системах реализуется комплексное воздействие плазмы на обрабатываемый материал, с одновременной реализацией физического и химического взаимодействия. Это открывает возможности гибкой настройки и оптимизации выходных параметров процесса травления.

В настоящее время фторуглеродные газовые системы являются перспективными плазмообразующими средами для травления полупроводников, в частности кремния. В данной работе в качестве плазмообразующего газа был использован тетрафторметан (CF4) или фреон R-14 и его смесь с аргоном. Фреон R-14 – бесцветный газ, без запаха, относится к так называемым озонобезопасным фреонам группы “C”. Данный газ инертен в химическом отношении, не горит на воздухе, невзрывоопасен даже при контакте с открытым пламенем и при диссоциации не взаимодействует с озоном, устойчив к действию кислот и щелочей. Фреон R-14 играет важную роль в промышленности плазменного травления, так как может легко диссоциировать на химически активные частицы фтора (F) и CFn радикалы. Также известно, что разбавление плазмообразующего газа вторым газом (инертным или химически активным) позволяет достигать дополнительных эффектов при травлении ряда материалов, например, приводить к увеличению скорости травления или незначительному уменьшению [2–6]. Этот эффект представляет большой технологический интерес. Целью данной работы являлось исследование кинетики травления кремния в ВЧ-плазме фреона R-14 с аргоном.

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для исследования плазмохимических процессов в условиях ВЧ-разряда (13.56 МГц, 1.25 кВт) использовалась установка “Платран-100ХТ”. Она предназначена для плазмохимического травления полупроводниковых материалов, а также металлических пленок. Установка обеспечивает возможность обработки пластин диаметром до 100 мм, а также меньших размеров толщиной от 0.3 до 2 мм.

Откачка системы производилась механическим пластинчато-роторным (Leybold BCS, производительность 30 м3/ч) и турбомолекулярным (TMP 803 LMTC, производительность 800 л/с) насосами. Контроль рабочего давления в реакторе осуществлялся баратроном с верхним пределом измерения 0.1 Торр. Измерение и контроль расхода плазмообразующего газа проводились при помощи расходомеров с верхним пределом 200 см3/мин. Фреон R-14 и аргон брали из баллонов с маркой “чистый” (МРТУ 51–77–66), содержание основного газа не менее 99.985%.

В рамках данной работы варьирование внешних (задаваемых) параметров осуществлялось следующим образом: вкладываемая в разряд мощность составляла интервал (550–950) Вт с шагом 100 Вт; давление газа (2–8) мТорр с шагом 1.4 мТорр; расход плазмообразующего газа CF4 и Ar являлся величиной постоянной и составлял 40 и 12 см3/мин (~2.8 и 0.8 мТорр соответственно). Время травления изменялось от 40 до 600 с с интервалом 120 с. Партии образцов обрабатывались в отсутствие потенциала смещения на подложкодержателе, а также при величинах смещения на подложкодержатель –100 и –160 В.

Образцы кремния вырезались из кремниевой пластины марки КЭФ–4.5 (100). На выходе получались пластинки квадратной формы со стороной ~1 см (площадь образца ~1 см2). До помещения в реактор поверхность образцов очищалась от масленых, пылевых и жировых загрязнений в толуоле и ацетоне.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Эксперименты показали, что кинетические зависимости убыли массы образца носят линейный характер (рис. 1), что свидетельствует о стационарном режиме протекания процесса травления. Данный факт может быть обусловлен следующим:

Рис. 1.

Кинетические зависимости травления кремния в ВЧ-плазме CF4/Ar: WRF = 950 Вт, p = 3.6 мТорр (СF4/Ar: 40/12 см3/мин = 2.8/0.8 мТорр).

1) на начальном этапе присутствует небольшой индукционный период (~40 с), который по нашему мнению обусловлен процессом взаимодействия оксидной пленки SiO2 с радикалами CFn (где n = 1, 2, 3), т.е. происходит деструкция пассивирующей оксидной пленки c образованием летучих соединений вида SiFn (где n = 2, 4):

(1)
${\text{Si}}{{{\text{O}}}_{2}} + {\text{ C}}{{{\text{F}}}_{n}} \to {\text{ Si}}{{{\text{F}}}_{n}} + \left( {{\text{C}}{{{\text{O}}}_{n}},{\text{ CO}}{{{\text{F}}}_{n}}} \right),$

2) после удаления оксидной пленки происходит взаимодействие активных частиц плазмы с поверхностью кремния. Основными химически активными частицами являются атомы фтора, которые на поверхность кремния поступают в виде фторуглеродных радикалов CF3 (индекс g – газообразное состояние, s – адсорбированное состояние):

(2)
${\text{C}}{{{\text{F}}}_{{\text{4}}}}{\text{(g) + e}} \to {\text{C}}{{{\text{F}}}_{{\text{3}}}}{\text{(g)}} + {\text{F(g}}) + {\text{e}},$
(3)
${\text{C}}{{{\text{F}}}_{{\text{3}}}}\left( {\text{g}} \right) + {\text{Si}} \to {\text{C}}{{{\text{F}}}_{{\text{3}}}}\left( {\text{s}} \right) + {\text{Si}},$
(4)
${\text{C}}{{{\text{F}}}_{{\text{3}}}}\left( {\text{s}} \right) + {\text{Si}} \to 3{\text{F}}\left( {\text{s}} \right) + {\text{Si}} + {\text{C}}\left( {\text{s}} \right),$
(5)
$4{\text{F}}\left( {\text{s}} \right) + {\text{Si}} \to {\text{Si}}{{{\text{F}}}_{{\text{4}}}}\left( {\text{s}} \right),$
(6)
${\text{Si}}{{{\text{F}}}_{{\text{4}}}}\left( {\text{s}} \right) \to {\text{Si}}{{{\text{F}}}_{{\text{4}}}}\left( {\text{g}} \right),$
(7)
${\text{С}}\left( {\text{s}} \right) + 4{\text{F}}\left( {\text{s}} \right) \to {\text{C}}{{{\text{F}}}_{{\text{4}}}}\left( {\text{g}} \right){\text{.}}$

Из полученных зависимостей видно, что при подаче потенциала смещения на подложкодержатель (–100 и –160 В) убыль массы образца значительно увеличивается (например, при 5 мин обработки в 3.5 раза и в 4 раза соответственно) вследствие того, что появляется дополнительная составляющая процесса (физическое распыление под действием бомбардировки поверхности образца ионами Ar+) (скорости травления кремния в зависимости от времени обработки приведены в табл. 1). Из данных таблицы видно, что скорости травления остаются практически постоянными во всем исследуемом временном диапазоне, что согласуется с литературными данными для аналогичных условий [7–10].

Таблица 1.  

Скорости травления кремния (R, нм/мин) в зависимости от времени травления и внешних параметров разряда

Скорости травления кремния (R, нм/мин) в зависимости от времени травления в смеси CF4/Ar: WRF = 950 Вт, p = 3.6 мТорр (СF4/Ar): 40/12 см3/мин = 2.8/0.8 мТорр)
t, мин Udc = 0 В Udc = –100 В Udc = –160 В
2 155.19 602.56 708.15
4 149.48 597.42 729.61
6 150.21 589.54 722.46
8 157.04 549.14 695.97
10 155.97 570.98 696.61
Скорости травления кремния (R, нм/мин) в зависимости от давления смеси CF4/Ar: WRF = 950 Вт, t = 4 мин, p (Ar) = 0.8 мТорр (const)
p, мТорр Udc = 0 В Udc = –100 В Udc = –160 В
2.2 78.42 350.13 425.61
3.6 110.87 459.83 563.55
5 110.87 495.59 649.38
6.4 132.33 555.89 636.65
7.8 132.33 580.60 659.61
Скорости травления кремния (R, нм/мин) в зависимости от мощности, вкладываемой в разряд, в смеси CF4/Ar: t = 4 мин, p = 3.6 мТорр (СF4/Ar): 40/12 см3/мин = 2.8/0.8 мТорр)
WRF, Вт Udc = 0 В Udc = –100 В Udc = –160 В
550 28.81 239.63 375.77
650 78.04 312.14 444.20
750 106.85 375.77 495.83
850 142.87 445.40 551.05
950 171.68 507.83 597.87

На рис. 2 приведены зависимости скорости травления кремния от давления плазмообразующей смеси. Из полученных зависимостей видно, что наблюдается линейное увеличение скорости травления от давления газа (2–8 мТорр), а именно, при отсутствии смещения на подложкодержателе скорость травления возрастает ~ в 1.7 раза с 0.65 × 1016 до 1.09 × 1016 см–2 с–1, а при смещениях Udc = –100 и –160 В: ~ в 1.7 раза с 2.9 × 1016 до 4.8 × × 1016 см–2 с–1 и ~ в 1.6 раза 3.5 × 1016 до 5.5 × × 1016 см–2 с–1 соответственно. Линейный рост скорости травления связан с увеличением концентрации химически активных частиц с увеличением доли фреона R-14 в смеси и эффективной очисткой поверхности за счет физической и химической составляющей процесса [4, 11]. Данные по скоростям травления в нм/мин в зависимости от давления плазмообразующей смеси приведены в таблице.

Рис. 2.

Зависимости скорости травления кремния в ВЧ-плазме CF4/Ar от давления плазмообразующей смеси: WRF = 950 Вт, t = 4 мин, p (Ar) = 0.8 мТорр (const).

Зависимости скорости травления от мощности, вкладываемой в разряд, приведены на рис. 3, из которого видно, что при использовании смещений –100 В и –160 В увеличение вкладываемой мощности в разряд от 550 до 950 Вт приводит к линейному росту скорости травления кремния. Данный факт обусловлен тем, что рост мощности, вкладываемой в плазму, приводит к росту как плотности потока нейтральных частиц, так и к росту плотности потока ионов на поверхность обрабатываемого материала, что и вызывает увеличение скорости травления [4, 5, 11]. При отсутствии смещения на подложкодержателе скорость травления кремния с ростом вкладываемой мощности в разряд имеет меньшие значения, чем при использовании смещений (например, для мощности 750 Вт скорость травления кремния меньше в 3.5 раза, чем при смещении –100 В и в 4.6 раза при смещении –160 В), что свидетельствует о менее эффективной физической составляющей процесса. Данные по скоростям травления в нм/мин в зависимости от мощности, вкладываемой в разряд, приведены в таблице. Из ее данных видно, что скорость травления кремния в системе CF4/Ar при варьировании мощности, вкладываемой в разряд, увеличивается: при Udc = 0 В ~ в 6 раз, Udc = –100 В ~ в 2.1 раза и Udc = –160 В ~ в 1.6 раза.

Рис. 3.

Зависимости скорости травления кремния в ВЧ-плазме CF4/Ar от мощности, вкладываемой в разряд: t = 4 мин, p = 3.6 мТорр (СF4/Ar: 40/12 см3/мин = = 2.8/0.8 мТорр).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено экспериментальное исследование кинетики травления кремния в ВЧ-плазме смеси фреона R-14 с аргоном. В ходе экспериментального исследования было выявлено, что кинетические зависимости носят линейный характер, что свидетельствует о стационарном режиме протекания процесса травления кремния. На начальном этапе наблюдался индукционный период, который связан с травлением естественного оксида на поверхности кремния посредством CFn радикалов. После удаления данного оксида при взаимодействии химически активных частиц с кремнием на поверхности образовывались летучие соединения вида SiFn, что приводило к интенсивной газификации продуктов взаимодействия с обрабатываемой поверхности. Исследовано влияние внешних параметров ВЧ-плазмы смеси CF4/Ar (вкладываемая мощность, потенциал смещения, давление плазмообразующей смеси) на скорость травления кремния. При использовании потенциалов смещения (–100 и –160 В) наблюдается существенное увеличение скорости травления кремния за счет физической составляющей процесса.

Работа выполнена в рамках государственного задания на выполнение НИР. Тема № FZZW-2020-0007. Исследование проведено с использованием ресурсов Центра коллективного пользования научным оборудованием ИГХТУ (при поддержке Минобрнауки России, соглашение № 075-15-2021-671).

Список литературы

  1. Галперин В.А., Данилкин Е.В., Мочалов А.И. Процессы плазменного травления в микро- и нанотехнологиях / Под ред. Тимошенкова С.П. М.: БИНОМ, 2018. 283 с.

  2. Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов / Под ред. Данилин Б.С. М.: Энергоатомиздат, 1987. 264 с.

  3. Светцов В.И., Ефремов А.М. Вакуумная и плазменная электроника: учеб. пособие. Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново, 2003. 171 с.

  4. Пивоваренок С.А. Влияние добавок Ar и He на кинетику травления GaAs в плазме CF2Cl2 // Микроэлектроника. 2017. Т. 46. № 3. С. 231–235.

  5. Пивоваренок С.А. Влияние добавки N2 на скорость травления GaAs в плазме CF2Cl2 // Микроэлектроника. 2019. Т. 48. № 4. С. 279–283.

  6. Пивоваренок С.А., Королькова К.А. Влияние внешних параметров разряда на скорость травления полиимида // Сборник тезисов докладов на III Всероссийской молодежной конференции “Успехи химической физики”. М.: Издательство “Граница”, 2016. С. 124.

  7. Christophorou L.G., Olthoff J.K., Rao M. Electron interactions with CF4 // J. Physical and Chemical Reference Data. 1996. V. 25. № 5. P. 1341–1388.

  8. Christophorou L.G., Olthoff J.K. Electron Interactions With Plasma Processing Gases: An Update for CF4, CHF3, C2F6, and C3F8 // J. Physical and Chemical Reference Data. 1999. V. 28. № 4. P. 967–982.

  9. Efremov A.M., Kim D.P., Kim C.I. Effect of gas mixing ratio on gas-phase composition and etch rate in an inductively coupled CF4/Ar plasma // Vacuum. 2004. V. 75. № 2. P. 133–142.

  10. Zhang D., Kushner M.J. Mechanisms for CF2 radical generation and loss on surfaces in fluorocarbon plasmas // J. Vacuum Science & Technology A.: Vacuum, Surfaces, and Films. 2000. V. 18. № 6. P. 2661–2668.

  11. Ефремов А.М., Пивоваренок С.А., Светцов В.И. Параметры плазмы и механизмы травления металлов и полупроводников в хлороводороде // Микроэлектроника. 2009. Т. 38. № 3. С. 147–159.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Микроэлектроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал