автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Экологически безопасное плазменное травление кремния и кремнийсодержащих материалов для формирования элементов БИС



На правах рукописи

}

РЫБАЧЕК ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА

ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЕ ПЛАЗМЕННОЕ ТРАВЛЕНИЕ КРЕМНИЯ И КРЕМПИЙСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ БИС.

Специальность 05.27.01 -твердотельная электроника, микроэлектроника н наиоэлектроннка.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998 г.

Работа выполнена в ППК «Технологический центр» Московского Государственного института электронной техники (технический университет)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ю.Л.Чаплыгин. Научный консультант: кандидат технических наук, с.н.с. М.Г.Путря Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Королев М.А . МИЭТ кандидат технических наук, ведущий инженер-технолог АО «Ангстрем»: Гальперин В.А.

Ведущая организация: ОАО НИИ МЭ и завод «Микрон».

Защита диссертации состоится « » 1998 г. в_ч._мин.

на заседании диссертационного совета Д 053.02.02. Московскою Государственного института электронной техники но адресу: 103489, г. Москва, К-489, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан « »_1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Актуальность темы.

Процессы плазменного травления (ПТ) различных материалов в настоящее время во многом определяют перспективы развития современных наукоемких технологий - создание изделий микроэлектроники и микромеханики. Решающим преимуществом плазменного травления перед традиционными жидкостными методами является возможность осуществления анизотропного травления. При ПТ высокая степень анизотропии обуславливается направленным воздействием потоков активных частиц, генерируемых в неравновесных электрических разрядах, на поверхность материала вне зависимости от ее кристаллографического строения (монокристаллы различной ориентации, поликристаллические и даже аморфные материалы). Кроме того, другими преимуществами методов сухого травления, стимулирующими развитие этого направления в технологии производства ИС, являются широкие возможности управления ходом процесса (автоматизация процессов путем введения датчиков контроля различных параметров плазменного разряда, датчиков окончания процесса травления). Однако, при использовании и развитии плазменных технологий существенное значение приобретает задача обеспечения экологической безопасности используемой технологии.

Наиболее распространенными, эффективными и безопасными плазмообразующими реагентами до сих пор считались углеродсодержащие хладоны и их смеси с кислородом и инертными газами (1). Исследования показали, что в выхлопе установок плазменного травления могут содержаться вещества отрицательно воздействующие на человеческий организм и. на

окружающую среду (2). Указанные выше газы, проходя через насосы, растворяются частично в маслах, вызывая их деградацию. Смена масла, содержащего токсичные вещества (хлор, фосген и др.) требует выполнения особых правил безопасности персонала и специальных мер безопасности при дальнейшей утилизации этих масел, поскольку в выхлопных газах насосов в зависимости от технологических режимов может содержаться, например, до 10% СОСЬ, до 30% СЬ. Кроме того, к недостаткам галогенсодержащих хладонов можно отнести их активность по отношению к атмосферному озону, которая ведет к увеличению озоновой дыры в атмосфере планеты.

В настоящее время проводится поиск альтернативных экологически безопасных плазмообразующих реагентов и разработка соответствующих технологий ГТГ которые могли бы обеспечить результаты, по крайней мере, не хуже существующих.

В связи с этим целью диссертационной работы являлось исследование и разработка экологически безопасных процессов плазменного травления кремния и кремнийсодержащих материалов в газовых смесях на основе безуглеродных парогазовых реагентов для создания элементов БИС.

Нмучнан новизна работы.

I. Проведен анализ и показана перспективность использования плазмообразующих газовых смесей на основе хлора, полученного при помощи промышленных устройств генерации СЬ из твердых малотоксичных солей щелочных металлов, меди и свинца, для травления кремнийсодержащих материалов.

2. Изучен химический состав плазмы и особенности магнетронного реактивно ионного травления кремния в скрещенных электромагнитных полях в плазмообразующих газовых смесях на основе хлора и элегаза, четыреххлористого углерода и элегаза. Показано, что продукты реакции смесей на основе газообразного хлора легче поддаются дезактивации и не вносят дополнительных дефектов в обрабатываемую поверхность по сравнению с широко используемыми парогазовыми смесями, содержащими четыреххлористый углерод.

3. Исследованы химические компоненты выхлопных газов в зависимости от состава хлорсодержащей смеси в плазме скрещенных электромагнитных полей и разработано устройство дезактивации вредных компонентов, основанное на улавливании хлора и его соединений нагретой до 300 "С медной поверхностью.

4. Изучены экспериментальные зависимости скорости, анизотропии, селективности к маске и к нижележащему слою, а также равномерности травления кремния и кремнийсодержащкх материалов от магнитной индукции, мощности ВЧ-генератора, рабочего давления в реакторе и плазмообразующей смеси при обработке в плазменном разряде в скрещенных электромагнитных полях.

5. Исследовано влияние магнетронного реактивно ионного

травления в плазме хлора и его смесей с элегазом и аргоном на

электрофизические параметры обрабатываемых структур.

Установлено, что плотность поверхностных состояний на границе

конЪенса т <у> <•;• раздела кремний-окисел после формирования вертикального~у'нё

превышает 1,1х10"см'2 , а при травлении поликремнневых затворов

плотность эффективного заряда составляет 1.3х Ю"см'2'

Показано, что данный вид плазменной обработки в некоторых случаях уменьшает плотность поверхностных состояний на границе раздела кремний-диэлектрик и частично компенсирует положительный заряд в диэлектрике.

Практическая значимость: 1. Разработан комплекс экспериментального оборудования и устройств для экологически безопасного плазменного травления кремния и кремнийсодержащих материалов в газовых смесях на основе хлора. Который состоит: из реактора высокоплотной плазмы, генератора газообразного хлора и устройства очистку выхлопных продуктов реакций.

2. Проведена оптимизация конструкции реактора для плазменного травления кремнийсодержащих материалов в скрещенных электромагнитных полях. На основе экспериментальных результатов выбрано оптимальное расстояние между электродами - 45 мм и расход охлаждающего газа гелия - 0,5 л\час, обеспечивающие хорошую производительность, воспроизводимость и равномерность процессов травления.

3. Разработаны экологически безопасные процессы анизотропного травления монокристаллического кремния для создания самосовмещенных, сверхбыстродействующих ИС с субмикронными размерами элементов и вертикально-интегрированных элементов СБИС.

4. Разработаны экологически безопасные процессы прецизионного травления поликремниевых элементов при формировании МОП-структур.

5. Исследовано влияние геометрических параметров и материала маскирующих слоев на скорость травления и

геометрическую форму углублений в монокристаллическом кремнии при травлении в хлорсодержащих смесях. Показано, что использование в качестве маски тонких 0,06-0,1мкм пленок хрома дает возможность получать вертикальные канавки в кремнии глубиной до 15мкм шириной 0,8-1,0мкм. Реализация результатов работы:

Разработанные процессы травления кремния и кремнийсодержащих слоев были использованы для:

-создания СБИС с высокой степенью интеграции; -изготовления высокоомных поликремниевых резисторов (номинал от1 кОм до 400к0м);

-МОП конденсаторов (удельная емкость 0,4фф\мкмг); -КМОГ1 транзисторов с повышенным напряжением пробоя более 15В).

Результаты внедрены в ГНЦ «Технологический центр» использованы в научно-исследовательских работах по программе ГНЦ Российской федерации на 1991-1997г: «Разработка и исследование возможности создания технологии изготовления ячейки ДОЗУ на основе вертикальных конденсатора и МОП транзистора на базе серийного технологического оборудования отечественного производства» (Г.Р.№ 8Ф00432); и в межвузовской научно-технической программе "Конверсия и высокие технологии 1994-1996г." по теме «Исследование и разработка плазм охимических процессов формирования субмикронных элементов СБИС в скрещенных ВЧ-электрическом и магнитном полях» (Г.Р.№ 01950007528).

Разработанные в диссертационной работе Рыбачек E.H. методики экологически безопасного плазменного травлеыия

кремния н крсмнийсодержащих материалов (методика селективного травления кремния относительно 5Ю2, методика плазменной очистки поверхности кремния перед формированием подзатворного диэлектрика, методика экспериментального исследования влияния плазменной обработки крсмнийсодержащих слоев на электрофизические свойства получаемых структур) используются в учебном процессе кафедры ИЭМ. и УПК ТЦ МИЭТ.

Выше перечисленные результаты легли в основу лабораторных работ по курсам - технология ИМС и технология БИС:

1). Изучение влияния конструкции и технологии на электрические параметры МДЛ-транзистора.

2). Плаэмохимнчсское травление кремния.

Акты внедрения прилагаются.

На защиту выкосится:

1. Разработанный и изученный комплекс оборудования и устройств для экологически безопасного плазменного травления крсмнийсодержащих материалов в хлорной плазме, состоящий из' устройства генерации газообразного хлора, реактора магнетронного реактивно ионного травления в скрещенных ВЧ-электрическом и вращающемся • магнитном полях н устройства дезактивации продуктов реакции.

2. Режимы травления и состав газовой смеси для экологически безопасного ашг.ютропного травления монокристаллического кремния.

3. Режимы травления и состав плаэмообразующей смеси для экологически безопасного прецизионного травления в едином

вакуумном цикле пол и кристаллического кремния с областями различного типа проводимости.

4. Результаты экспериментальных исследований влияния обработки в хлорсодержащих смесях в плазме скрещенных ВЧ-электрическом и вращающемся магннтномх полей на электрофизические характеристики границы раздела кремний-диэлектрик при формировании МОП- структур.

5. Результаты исследования влияния материала маскирующих слоев на скорость анизотропного травления и геометрическую форму канавок в монокрнсталлическом кремнии при плазменной обработке в хлорсодержащих смесях.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийских научно-технических конференциях: «Экология микроэлектроники» Москва, 1990г., «Электроника и информатика» Москва, 1995г. и 1997г., на 2-м Международном симпозиуме «Теоретическая и прикладная плазмохимия» Иваново, 1995, Научно-технической конференции для студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» Москва, 1995г.

Публикации: основные материалы изложены в 3-х статьях и 7-ми докладах на научных конференциях, по результатам работы получено два авторских свидетельства.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы 161 страница, ]3 таблиц, 48 рисунков. Библиография включает 101 наименование.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность работы, указаны цель и объект' изучения, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость, дана краткая аннотация работы по главам.

В первой главе работы проведен анализ современных направлений развития способов сухого травления кремний содержащих слоев в смесях хлора и безуглеродных газов. Показано, что на современном этапе все шире используются хлорсодержащие плазмообразующие смеси для сухого травления различных материалов применяемых в микроэлектронике. Проводится аналнь отрицательного влияния применения различных .реагентов на экологическую безопасность процессов травления. А также рассматриваются способы очистки выхлопных газов от вредных продуктов плазменных реакций и методы диагностики и контроля газовой среды в плазменном реакторе и на выходе вакуумной системы. Подчеркнуто, что переход от фреонов к безуглеродным смесям на основе хлора и использования этих смесей в реакторах плазменного травления нового поколения является одним из направлений позволяющем уменьшить экологический вред наносимый окружающей среде.

Во второй главе проведен сравнительный аншшз разработанных процессов глубокого (5-10мкм) анизотропного травления кремня в плазмообразующей смеси.элегаза с хладоном-22 на отечественном серийном оборудовании и на экспериментальной установке «Плазм а-ТЦ<Ю1». Показано, что использование газовых смесей на основе хладона-22 и реактора магнетронного ионно-п.тзменного травления дает возможность повысить экологическую безопасность процессов, травления. Описывается конструкция

экспериментальной установки «Плазма ТЦОО!». Приводите* обоснование выбора реактора магнетронного травления в скрещенных ВЧ-электрическом и вращающемся магнитном полях для дальнейшей разработки процессов экологически безопасного травления кремнийсодержащих слоев. Показано, что использование данного типа оборудования дает возможность создать прецизионные процессы травления кремния обеспечивающие современный уровень производства СБИС и не загрязняющие окружающую среду.

В третьей главе рассмотрен конструктивно-технологический комплекс устройств для экологически безопасного плазменного травления кремнийсодержащих материалов в хлорной плазме.

Описываются конструкции и принцип работы устройств генерации газообразного хлора, которые вырабатывают газообразный хлор непосредственно во время проведения процесса в количестве необходимом для травления.

Также приводится конструкция и принцип работы устройства дезактивации продуктов реакций в хлорсодержащей плазме, основанное на использовании свойства нагретой до 200-300"С медной поверхности переводить газообразные соединения хлора в твердые вещества. Ловушка представляет собой цилиндр из нержавеющей стали, внутри которого размещены медные пластины с отверстиями. На цилиндр надет нагреватель, позволяющий поддерживать температуру медных пластин на уровне 250-300С". Разработанная конструкция медной ловушки рассчитана на 100 часов непрерывной работы. После указанного срока ловушку необходимо регенерировать. Динное устройство полностью улавливает основные продукты травления кремний содержащих

Рис 1 Экологически безопасная система плазменной обработки материалов в хлорной плазме.

Генератор С13

I

И

Слмтр-млшп;

и

—м—

шгжжжжжгш

ишжжжггжж I—<

И

-в

3

Ммо-слмтромвтр

Ловушка С1а

Откачной пост

*

Щелоч ной скрубер 1

Г

Ммсо спектрометр

слоев, такие как газообразный хлор, хлористый водород и четыреххлорнстый кремний на выходе из плазменного реактора. Дополнительно на выходе откачной системы устанавливался скрубер с щелочным раствором, который нейтрализует водород, фюр н серосодержащие соединения. Описанный выше способ дезактивации продуктов плазменных реакций позволяет улавливать вредные компоненты выхлопа и почти полностью исключает загрязнение откачной системы.

Для диагностики и контроля состава плазменного разряда и выхлопных газов при плазменном травлении в хлорсодержащнх смесях в данной работе использовались два основных метода масс-спектральных и спектроскопический. Причем спектральный датчик регистрировал излучение плазмы во время процесса травления, а масс-спектроскопический анализ использовался для изучения состава плазменного разряда и для диагностики выхлопных продуктов травления. На рис.1 схематично изображен экспериментальный комплекс оборудования и устройств для экологически безопасного плазменного травления в

хлорсодержащнх смесях и отмечены места подключения приборов для диагностики и контроля газовой среды.

Проведенный анализ выхлопных газов показал, что после прохождения устройств очистки, они не содержат вредных компонентов, которые могут отрицательно воздействовать на обслуживающий персонал и окружающую среду.

В четвертой главе представлены результаты исследования и разработки экологически безопасных процессов плазменного травления кремния и кремний содержащих материалов.

Исследованы особенности травления монок'ремння и кремнийсодержащих слоев от конструктивных параметров плазменного.реактора установки «Плазма-ТЦ001». На основании проведенных экспериментов выбрана оптимальная величина расхода охлаждающего газа Ile - 0,1-0,5 л/час и расстояние между электродами - 45 мм, при которых обеспечивается наибольшая производительность и равномерность процессов травления крсмнийсодержащих слов в плазмообразующих смесях на основе хлора.

Приведены результаты исследования и разработки процессов анизотропного травления глубоких канавок в кремнии с управляемым профилем стенок. Исследованы зависимости влияния режимных параметров процесса (рабочего давления в реакторе, состава плаэмообразуюшей смеси, мощности ВЧ-разряда) на основные характеристики травления (скорость, селективность, анизогропию, равномерность) монокристаллического кремния.

В данной серии экспериментов в качестве маскирующего покрытия использовали слой окисла кремния толщиной 0,8-1,0 мкм. Специфика процесса травления состояла в том, что основная площадь подложки (до 90%) была закрыта маскирующим слоем S¡(>2, вскрыты только области формирования канавок.

Исследовались следующие смеси для травления: смесь хлор-элегаз, смесь хлор-аргон, хлор без добавок.

Во время проведения всех экспериментов постоянным оставались: расход охлаждающего газа Не (0,5л/час) и величина магнитной индукции (ЮОгс).

Установлено, что при формировании канавок газовой смеси Clj-SFfc селективность к SiO¡ увеличивается, а величина скорости

травления уменьшается. При расходе хлора 80-90% от общего объема смеси, рабочем давлении Ша и мощности ВЧ-разряда 100Вт - канавка имеет сглаженный рельеф стенок и круглое дно, скорость травления составляла 0,3 мкм/мин, селективность к маске 5-6. Но недостатком процесса является низкая селективность к ЗЮз, что не дает возможности получать канавки глубже 6 мкм.

При формировании канавки В смеси хлора с аргоном селективность к маске увеличивается до 10, геометрические размеры и качество поверхности канавок удовлетворительные. Наиболее оптимальный диапазон процентного содержания хлора в смеси 50-70%. Он обеспечивает скорость травления кремния 0,20,3 мкм/мин, селективность к маске 8-10, вертикальные стенки и плоское дно. Этот процесс, с нашей точки зрения, является наиболее перспективным для дальнейших исследований.

При травлении в хлоре может быть получена высокая скорость травления и хорошая селективность к окислу, но основным недостатком процесса является сильно развитый рельеф поверхности стенок и дна канавки, а также необходимость введения дополнительной операции удаления естественного окисла в начале травления.

Для разработки способа травления кремния исключающего основные недостатки описанных выше процессов проводилась оптимизация технологии формирования канавок по двум направлениям; разработка и исследование плазмостойких маскирующих слоев и дальнейшая отработка процессов травления с усовершенстванной маской.

Было проведено исследование влияния формы и размеров исходной фотолитографической маски и материала маскирующего

слоя (фоторезиста, окисла кремния, хрома или их различных комбинаций) на геометрические параметры канавок в Si.

В результате была разработана плазмостойкая маска, состоящая из подслоя окисла толщиной 30-60 нм и слоя хрома толщиной 60-100 нм, обеспечивающая формирование канавок с управляемым профилем стенок и дна и позволяющая получать канавки шириной 0,5-0,8мкм и глубиной до 15мкм.

Также в данной главе представлены результаты исследования и разработки экологически безопасных процессов травления слоев поликристаллического кремния. Проведен сравнительный анализ процессов формирования поликремниевых элементов СБИС на промышленном оборудовании: 08-ПХО-100Т-005, 08-ПХ0100Т-008 и на экспериментальной установке «Плазма-ТЦ001». Показано, что разработанные процессы травления поликремниевых элементов обеспечивают высокую точность переноса фотолитографического рисунка, хорошую селективность к подзатворному диэлектрику и не вносят дополнительных дефектов в обрабатываемую поверхность. Они дают возможность формировать элементы с размерами 0,8-1,2мкм, а также уменьшить толщину окисла под затвором до ЗОнм, что приводит к увеличению быстродействия и уменьшению размеров создаваемых приборов.

Были проведены исследования возможности формирования поликремниевых резисторов и КМОП затворов в одном технологическом цикле изготовления ИС. На кристалле в одном слое присутствовало два типа поликремния: высокоомный р-типа, для создания резисторов и низкоомный п+-типа, для создания электродов затвора КМОП транзисторов, перемычек й связей между отдельными элементами схемы. В связи с этим необходимо было

обеспечить минимальную разность величин скоростей плазменного травления слоя р-типа поликремния, относительно п+-типа и реализовать достаточную селективность травления поликремния относительно нижележащего подзатворного окисла кремния. Для этого был проведен целый ряд экспериментов по отработке экологически безопасного режима травления в плазмообразующих реагентах содержащих хлор.

Разработанные процессы позволяют переносить рисунок с фоторезнзтивной маски на обрабатываемый слой без искажений (анизотропия 15-20) и с высокой селективностью (более 20) к нижележащему диэлектрику. Процесс ■ обеспечивает хорошую равномерность по пластине (до 97 процентов) и воспроизводимость результатов от партии к партии." В отличие от процесса с использованием смеси элегаза с четыреххлористым углеродом разработанный способ травления поликремния в меньшей степени загрязняет обрабатываемую поверхность за счет снижения пленкообразования на стенках реакционной камеры.

О пятой главе описывается исследование влияния процессов травления в скрещенных ВЧ-электрическом. и вращающемся магнитном полях на электрофизические характеристики формируемых структур. Проведен сравнительный анализ воздействия плазменного травления на параметры МОП-структур при обработке на промышленном оборудовании и на установке «Плазма-ТЦ001». Показано, что плазменное травление в скрещенных полях не вносит значительных радиационных повреждений и мало апияст на электрофизические характеристики формируемых МОП-элементов, а это позволяет широко

использовать данные процессы для создания ИС с повышенным быстродействием и хорошей надежностью.

Исследовалось влияние плазмы на свойства поверхности для следующих технологических процессов: 1) формирование вертикального конденсатора (травление глубоких канавок в монокристаллической подложке), 2) травление поликремневых затворов, 3) сглаживание рельефа контактного окна в изолирующем диэлектрике. Анализ свойств обрабатываемой поверхности проводился с использованием Оже-анализа, растровой электронной микросколии, СУ-метрии, ВАХ МОП-структур и функционального контроля готовых изделий.

При формировании вертикального конденсатора эксперимент проводился на установке реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ) 08ПХО-100Т-005 и на экспериментальной установке магнетронного реактивно-ионного травления (МРИТ) "Плазма-ТЦ001". Основным газовым компонентом, который применялся для травления монокремния на установке РИПТ был БР6 (элегаз), а в качестве газа пассиватора (для обеспечения анизотропного травления) в смесь добавляли хлорсодержащий хладон-22. С помощью РЭМ было выявлено, что после стандартного РИПТ поверхность канавки (боковые стенки и дно) имеют сильно развитую структуру (рельеф достигал иногда величины 0,1-0,5 мкм) в отличие от канавок полученных при травлении на установке "Плазма-ТЦ001" (высота микро неровностей не превышала 0,05 мкм). К тому же Оже-спектроскопический анализ поверхностей образцов сформированных в системе РИПТ показал наличие пленок состоящих из переосажденных продуктов реакции в которые, входили материалы маскирующих слоев, подложкодержателя и стенок реакционных камер (С, Си, №,

Сг). При травлении в системе МРИТ интенсивность Оже - пиков меди, никеля и хрома была ниже на 80-90%.

Было установлено, что для улучшения морфологических и электрофизических свойств поверхности канавок, необходимо проводить ряд дополнительных технологических операций позволяющих- значительно повысить 1 качество границы раздела кремний- диэлектрик. Для этого были проведены экспериментальные исследования на образцах изготовленных в едином технологическом процессе. Опробовали три вида обработок: 1) Обработка в перекисно-аммиачном растворе. 2) Предварительное термическое окисление поверхности щели на толщину окисла 0,02 мкм, с- последующим жидкостным химическим травлением слоя окисла с поверхности структуры в растворе плавиковой кислоты. 3) Плэзмохимическая очистка поверхности кремния с удалением тонких, порядка 0,004 мкм слоев естественного нестехиометрического окисла и около 0,01 мкм нарушенного слоя кремния, а также полимерных пленок, с последующим термическим окислением на толщину 0,02 мкм и жидкостным химическим травлением выращенного слоя окисла с поверхности структуры в растворе плавиковой, кислоты.

Оценка качества границы раздела окисел-кремний проводилась на образцах, содержащих щелевой конденсатор с толщиной диэлектрика 0,02-0,025 мкм, нижней обкладкой которого является монокристаллическая подложка, а верхней слой поликристаллического кремния. С помощью С-У- метрии измерены плотности поверхностных состояний на границе раздела окисел-кремний для структур с различными обработками поверхности канавок, значения которых составили 1.54x10м, 1.25x10", 1.11x10" см"2 для первого, второго и третьего типа обработок соответственно.

Таким образом, полученные результаты показывают, что использование комбинированной обработки, включающей плазмохнмическую зачистку поверхности кремния и последующее предварительное окисление позволяет, получить более однородную по микрорельефу поверхность канавки, что позволяет создать более качественную границу раздела окнсел-кремний по сравнению с другими типами исследованных обработок.

Установлено, что при формировании поликремниевых затворов в МОП структурах, наиболее чувствительными к изменению зарядового состояния является подзатворный окисел. На экспериментальных образцах была промоделирована эта часть технологического маршрута формирования затворов. На предварительно окисленные на 0,05мкм пластины наносили слой поликремния 0,45мкм. Затем поверхность образцов обрабатывалась в плазменном разряде хлорсодержащих газов, на промышленных установках, которые традиционно используют для изготовления приборов по поликремииевой технологии: первая группа на установке (РИПТ) ПХО-100Т-005, вторая на установке плазмохимического травления (ПХ) ПХО-ЮОТ-008. Третья группа образцов травилась на эксперименальной установке с магиетроным плазменным разрядом в скрещенных ЕхН полях "Плазма-ТЦОО Г'. Четвертая группа образцов - контрольная, на ней проводилась стандартная жидкостная химическая обработка. На всех образцах формировали алюминиевую металлизацию по стандартному маршруту. Затем при помощи CV-метрии исследовали электрофизические характеристики образцов.

Полученные результанты позволяют - сделать вывод о незначительной величине привносимых в поверхность радиационных нарушений и дефектов, появляющихся после травления поли-Si на

Рис.2. Зависимость плотиости эффективного заряда в диэлектрике от величины ВЧ - мощности при формировании полнкремниевых затворов в плазме скрещенных Exil полей, при Р - 1 па, Qcb » зп = 1 л/час, В ~ 100 Гс.

Рис.3. Зависимость плотности эффективного заряда в диэлектрике от величины магнитной индукции при формировании поликремниевых затворов в плазме скрещенных Е.\Н полей, при Р - 1 па. Оса ♦ зяв ж 1 л/час , N 100 Вт.

5э

ь2Г

?'1 - -----; --------

О 1

0 50 1 00 150 200

N, Вт

установке "Плазма-ТЦООГ'. Они меньше чем на образцах полученных жидкостным травлением. Так на рис.2. приведены зависимости влияния величены мощности ВЧ-разряда и величины магнитной индукции на плотность эффективного заряде в диэлектрике. Из графиков видно, что существует область значений величины мощности и магнитной индукции при которых плазменная обработка не влияет, а в некоторых случаях даже компенсирует эффективный заряд на границе структуры окисел-кремний.

Также в данной главе приведены результаты исследования влияния процесса сглаживания рельефа контактных окон в диэлектрике на электрофизические свойства формируемых структур.

При формировании контактных окон в изолирующем диэлектрике с литографическими размерами менее 2 микрон используется анизотропное плазменное травление окиси кремния толщиной 0,5-1,0 мкм, при этом получают отверстия в слое диэлектрика с вертикальными стенками и острыми углами, на которые в дальнейшем наносится пленка алюминия. Острые углы получаемых отверстий являются источником дополнительных дефектов в слое металлизации из-за повышенной вероятности разрыва пленки А1, поэтому возникает необходимость сглаживания углов контактных окон при сохранении размеров отверстия.

Для сглаживания рельефа окон использовали метод травления диэлектрика в плазме аргона с небольшими добавками хлора (2-3 процента от объема газовой рабочей смеси). Данный прием позволил получить сглаженный рельеф межслойного диэлектрика и соответственно уменьшить вероятность обрыва металлизации. Для оценки влияния этого вида обработки на электрофизические параметры структур измеряли вольт-амперные характеристики (ВАХ)

тестовых транзисторов. Проводилась оценка и сравнение параметров тестовых транзисторов двух групп образцов изготовленных по КМОП БИС технологии. Первая группа образцов обрабатывалась по технологическому маршруту, в который не включалась операция сглаживания контактных окон, на второй группе пластин проводилась дополнительная операция плазменного удаления окисла кремния на острых углах контактного отверстия. Данные измерения параметров тестовых транзисторов (порогового напряжения, напряжения пробоя и токов стоков) показали, что эта дополнительная операция не влияет на основные параметры транзисторов, но при этом снижает вероятность обрыва металлизации. -

Основные результаты проделанной работы:

1. Разработан и испытан комплекс оборудования и устройств для экологичехи безопасного травления кремния и кремнийсодержащих материалов в хлорной плазме. Комплекс состоит из:

- реактора высокоплотной плазмы для магнетронного реактивно ионного травления в скрещенных, электромагнитных полях;

- устройства генерации хлора га не токсичных твердых продуктов (хлоридов меди, олова, цезия и щелочных металлов), вырабатывающие хлор непосредственно во время травления в количестве необходимом для проведения процесса (0,5-1,5 л\час).

- устройства очистки продуктов реакции травления в хлорной плазме от хлорсодержащих компонентов, позволяющий значительно снизить вероятность попадания вредных газообразных веществ в атмосферу.

- приборов диагностики и контроля состава газовой среды в реакторе и на выходе из откачной системы установки.

2. Исследован химический состав газообразных -продуктов реакций травления кремния в хлорной плазме и разработано устройство очистки выхлопа от хлорсодержащих копонентов.

3. Разработаны процессы анизотропного травления монокремниевой подложки, позволяющие формировать канавки в кремнии шириной 0,5-1,5мкм глубиной 10-15мкм.

4. Разработаны процессы травления поликристаллического кремния с областями различного типа проводимости в едином вакуумном цикле, дающий возможность одновременно формировать поликремниевые резисторы и затворы МОП-приборов с субмикронными размерами.

5. Исследовано ' влияние плазменного травления в скрещенных электромагнитных полях на электрофизические характеристики формируемых МОП-структур. Показано, что разработанные процессы травления уменьшают плотность эффективного зяряда, напряжение плоских зон и плотность поверхностных состояний, что дает возможность создавать приборы с большим быстродействием.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

Разработанные процессы плазменного травления кремния и кремнийсодержащих материалов позволяют формировать структуры с меньшими размерами и более высокими быстродействием и надежностью, чем ИС изготовленные традиционными способами. Так при создании МОП-транзисторов возможно реализовать шаг разводки 4-6 мкм и снизить толщину изолирующего диэлектрика под поликремниевым затвором до

0,02-0,03 мкм, что влечет за собой увеличение быстродействия микросхем. К тому же эти процессы могут быть использованы для создания самосовмещенных СБИС с высокой степенью интеграции, а также для изготовления: высокоомных резисторов (номинал от 1 до 400к0м); МОП конденсаторов (удельная емкость

0.4.фф\мкм:); КМОП транзисторов с повышенным напряжением пробоя (более 15В).

Таким образом, в результате проделанной работы созданы технологические процессы экологически безопасного плазменного травления кремния и кремнийсодержащих материалов, обеспечивающие высокую скорость обработки, • анизотропию и селективность к нижележащим, слоям, которые используются для получения СБИС динамической и статической памяти, а также аналогово-цифровых преобразователей.

Основные результаты диссертации опубликованы . в следующих работах:

1. Гулевич И.В., Маринов О.И., Путря М.Г., Рыбачек E.H. Применение управляемых устройств генерации чистых галогенов, используемых при сухом травлении. Тезисы всесоюзной научно-технической конференции «Экология микроэлектроники — 90», Москва, 1990г., с. 24-25.

2. Гулевич И.В., Маринов О.И., Путря М.Г. Рыбачек E.H. Повышение экологической безопасности процессов сухого травления материалов микроэлектроники. Тезисы всесоюзной научно-технической конференции «Экология микроэлектроники -90», Москва, 1990г., с. 25-27.

3. Новожилов А.Ф., Путря М.Г., Рыбачек E.H.,Чаплыгин Ю.А. Экологически безопасное плазменное травление кремнийсодержащих материалов. Электронная промышленность, 1991г., №8, с. 42-44.

4. Галушков А.И., ПутряМ.Г., Рыбачек E.H., Храброва С.Ю. Формирование субмикронных элементов СБИС на поликристаллическом кремнии, содержащем участки различной проводимости. Электронная промышленность, №7,1995г., с. 11-13.

5. Голишников A.A., Путря М.Г., Рыбачек E.H., Чаплыгин Ю.А. Исследование влияния плазменной обработки в скрещенных электромагнитных полях на электрофизические параметры элементов СБИС. Известия ВУЗов «Электроника», Москва, 1998г., №1, с. 43-47.

6. A.C. СССР №1597033, H01L 21/302, Способ анизотропного реактивного ионно-плазмеиного травления кремния и кремнийсодержащих слоев. 1990г.

7. A.C. СССР № 1708108, H01L 21/302, Способ плазменной обработки двуокиси кремния на кремнии. 1991г.

8. Голишников A.A., Путря М.Г., Рыбачек E.H. Исследование влияния плазменной обработки на свойства поверхности. Тезисы всероссийской научно-технической конференции «Электроника и информатика». Москва, 1995г., с.61-63.

9. Рыбачек E.H., Голишников A.A., Путря М.Г. Исследование влияния ПХ травления поликремниевых затворов в скрещенных ЕхН полях на электрофизические свойства подзатворного диэлектрика. Тезисы всероссийской научно-технической конференции «Электроника и информатика». Москва, 1997г., ч.1, с. 183-184.

10. Голишников A.A., Путря М.Г., Рыбачек E.H., Шевяков В.И. Плазменная нейтрализация химически активных поверхностей. Материалы 2-го Мсжд. Симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. Иваново, 1995г., с.70.

11. Голишников A.A., Путря М.Г., Рыбачек E.H. Исследование влияние плазменной обработки на электрофизические свойства формируемых структур. Материалы '2-го Межд. Симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. Иваново, 1995г., с. 168.

12. Голишников A.A., Путря М.Г., Рыбачек E.H. ПХ травление межслойного диэлектрика с управляемым профилем контактного окна. Тезисы всероссийской научно-технической конференции «Электроника и информатика». Москва, 1997г., ч. 1; с. 182-183.

Заказ 174, тираж 80, обьем 1,1 уч. изд.-л. Отпечатано в типографии МИЭТ.

^ /1

6/6/—-О / Я г

московским государственный институт электронной техники

На правах рукописи Экз. № -/

РЫБАЧЕК ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА

Экологически безопасное плазменное травление кремния и кремнийсодержащих материалов для формирования элементов БИС.

Специальность 05.27.01 -твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Ю.А.Чаплыгин. Научный консультант кандидат технических наук

М.Г. Путря

Москва 1998 г.

В......«.............¿.с............

Содержание: Введение------------------------------------

Глава 1. Анализ методов повышения экологической безопасности процессов плазменного травления материалов микроэлектроники.

1.1 Хлорсодержащие газовые смеси для плазмохимических процессов.----------------------------------------------------------------------16

1.2. Характеристика способов очистки выхлопных продуктов плазмохимического травления.-------------------------------24

1.3. Конструктивно- технологические методы повышения экологической безопасности процессов.----------------------------------36

1.4. Выводы.------------------------------------------------------------39

Глава 2. Анизотропное плазменное травление кремния.

2.1. Парогазовые смеси на основе хлора для травления кремнийсодержащих материалов.------------------------------------------41

2.2. Травление кремния на промышленном оборудовании.-45

2.3. Процессы травление на экспериментальном оборудовании.------------------------------------------------------------------49

2.4. Выводы.-----------------------------------------------------------57

Глава 3. Конструктивно-технологический комплекс для экологически безопасного травления кремния и

кремнийсодержащих материалов.

3.1. Устройства получения хлора для плазменного травления кремнийсодержащих материалов.-----------------------------------------59

3.2. Обезвреживание продуктов плазменного травления в газовых смесях на основе хлора.-------------------------------------------66

3.3. Диагностика и контроль состава плазменного разряда и выхлопных газов при плазменном травлении в хлорсодержащих смесях.----------------------------------------------------------------------------70

3.4. Выводы.-------------------------------------------------------------80

Глава 4. Исследование и разработка экологически безопасных процессов плазменного травления кремния и кремнийсодержащих материалов для создания БИС.

4.1. Оптимизация конструктивных параметров рабочего реактора установки «Плазма-ТЦ-001».------------------------------------82

4.2. Анизотропное травление глубоких канавок в монокристаллической подложке.-------------------------------------------95

4.3. Формирование поликремниевых затворов с субмикронными размерами.------------------------------------------------114

4.4. Травление слоев поликристаллического кремния, содержащих участки п- и р-типа проводимости, в одном вакуумном цикле.----------------------------------------------------------------------------117

4.5. Выводы.----------------------------------------------------------129

Глава 5. Исследование влияния процессов травления на электрофизические характеристики обрабатываемых структур.—130

5.1 Влияния процесса анизотропного травления канавок в кремниевой подложке на электрофизические свойства вертикального конденсатора.---------------------------------------------133

5.2. Свойства границы раздела кремний-окисел под поликремниевым затвором.------------------------------------------------139

5.3. Исследование влияния процесса сглаживания рельефа контактных окон в диэлектрике на электрофизические

характеристики МОП-транзистора.---------------------------------------

143

5.4. Выводы.----------------------------------------------------------148

Заключение.----------------------------------------------------------149

Литература.

152

Введение.

Процессы плазменного травления (ПТ) различных материалов в настоящее время во многом определяют перспективы развития современных наукоемких технологий - создание изделий микроэлектроники и микромеханики. Решающим преимуществом плазменного травления перед традиционными жидкостными методами является возможность осуществления анизотропного травления. При ПТ высокая степень анизотропии обуславливается направленным воздействием потоков активных частиц, генерируемых в неравновесных электрических разрядах на поверхность материала вне зависимости от ее кристаллографического строения (монокристаллы различной ориентации, поликристаллические и даже аморфные материалы). Кроме того, другими преимуществами методов сухого травления, стимулирующими развитие этого направления в технологии производства ИС, являются широкие возможности управления ходом процесса (автоматизация процессов путем введения датчиков контроля различных параметров плазменного разряда, датчиков окончания процесса травления каждого функционального слоя).

Наиболее распространенными, эффективными и безопасными плазмообразующими реагентами до сих пор считались углеродсодержащие хладоны и их смеси с кислородом и инертными газами (1). Но последние исследования показали, что в выхлопе установок плазменного травления могут содержаться

вещества отрицательно воздействующие на человеческий организм и на окружающую среду (2). Указанные выше газы, проходя через насосы, растворяются частично в маслах, вызывая их деградацию. Смена масла, содержащего токсичные вещества (хлор, фосген и др.) требует выполнения особых правил безопасности персонала и специальных мер дальнейшей утилизации этих масел. В выхлопных газах насосов в зависимости от технологических режимов может содержаться до 10% СОС12, до 30% С12. К недостаткам галогенсодержащих хладонов можно отнести их активность по отношению к атмосферному озону, которая ведет к увеличению озоновой дыры в атмосфере планеты (3,4).

В настоящее время проводится поиск альтернативных экологически безопасных плазмообразующих реагентов, которые могли бы обеспечить результаты, по крайней мере, не хуже существующих.

В связи с этим целью диссертационной работы являлось исследование и разработка экологически безопасных процессов плазменного травления кремния и кремнийсодержащих материалов в газовых смесях на основе безуглеродных парогазовых реагентов для создания элементов БИС.

Научная новизна проведенной работы:

1. Проведен анализ и показана перспективность использования плазмообразующих газовых смесей на основе хлора, полученного при помощи промышленных устройств генерации СЬ

из твердых малотоксичных солей щелочных металлов, меди и свинца, для травления кремнийсодержащих материалов.

2. Изучен химический состав плазмы и особенности магнетронного реактивно ионного травления кремния в скрещенных электромагнитных полях в плазмообразующих реагентах на основе хлора, смеси хлора и элегаза, четыреххлористого углерода и смеси четыреххлористого углерода с элегазом. Показано, что продукты реакции смесей на основе газообразного хлора легче поддаются дезактивации и не вносят дополнительных дефектов в обрабатываемую поверхность по сравнению с широко используемыми парогазовыми смесями, содержащими четыреххлористый углерод.

3. Исследованы химические компоненты выхлопных газов в зависимости от состава хлорсодержащей смеси в плазме скрещенных электромагнитных полей и разработано устройство дезактивации вредных компонентов, основанное на улавливании хлора и его соединений нагретой до 300 °С медной поверхностью.

4. Изучены экспериментальные зависимости скорости, анизотропии, селективности к маске и к нижележащему слою, а также равномерности травления кремния и кремнийсодержащих материалов от магнитной индукции, мощности ВЧ-генератора, рабочего давления в реакторе и плазмообразующей смеси при обработке в плазменном разряде в скрещенных электромагнитных полях

5. Исследовано влияние магнетронного реактивно ионного травления в плазме хлора и его смесей с элегазом и аргоном на электрофизические параметры обрабатываемых структур. Установлено, что плотность поверхностных состояний на границе

раздела кремний-окисел после формирования вертикального конденсатора не превышает 1,1x1011 см"2 , а при травлении поликремниевых затворов плотность эффективного заряда составляет 1.3х10псм~2'

Показано, что этот вид плазменной обработки в некоторых случаях уменьшает плотность поверхностных состояний на границе раздела кремний-диэлектрик и частично компенсирует положительный заряд в диэлектрике.

Практическая значимость:

1. Разработан комплекс экспериментального оборудования и устройств для экологически безопасного плазменного травления кремния и кремнийсодержащих материалов в газовых смесях на основе хлора. Который состоит: из реактора высокоплотной плазмы, генератора газообразного хлора и устройства очистки выхлопных продуктов реакций.

2. Проведена оптимизация конструкции реактора для плазменного травления кремнийсодержащих материалов в скрещенных электромагнитных полях. На основе экспериментальных результатов выбрано оптимальное расстояние между электродами - 45 мм и расход охлаждающего газа гелия - 0,5 л\час, обеспечивающие хорошую производительность, воспроизводимость и равномерность процессов травления.

3. Разработаны экологически безопасные процессы анизотропного травления монокристаллического кремния для создания самосовмещенных, сверхбыстродействующих ИС с

субмикронными размерами элементов и вертикально-интегрированных элементов СБИС.

4. Разработаны экологически безопасные процессы прецизионного травления поликремниевых элементов при формировании МОП-структур.

5. Исследовано влияние геометрических параметров и материала маскирующих слоев на скорость травления и геометрическую форму углублений в монокристаллическом кремнии при травлении в хлорсодержащих смесях. Показано, что использование в качестве маски тонких 0,06-0,1мкм пленок хрома дает возможность получать вертикальные канавки в кремнии глубиной до 15мкм шириной 0,8-1,0мкм.

Реализация результатов работы:

Разработанные процессы травления кремния и кремнийсодержащих слоев были использованы для:

-создания СБИС с высокой степенью интеграции; -изготовления высокоомных поликремниевых резисторов (номинал от1кОм до 400к0м;

-МОП конденсаторов (удельная емкость 0,4фф\мкм ); -КМОП транзисторов с повышенным напряжением пробоя (более 15В). Результаты внедрены в ГНЦ «Технологический центр» и использованы в научно-исследова-тельских работах по программе ГНЦ Российской федерации НПК "Технологический центр" МИЭТ на 1991-1997 гг: «Разработка и исследование возможности создания технологии изготовления ячейки ДОЗУ на основе вертикальных конденсатора и МОП транзистора на базе серийного

технологического оборудования отечественного производства» (Г.Р.№"8Ф00432); и в межвузовской научно-технической программе "Конверсия и высокие технологии 1994-1996 гг" по теме «Исследование и разработка плазмохимических процессов формирования субмикронных элементов СБИС в скрещенных ВЧ-электрическом и магнитном полях» (Г.Р.№01950007528).

Акты внедрения прилагаются.

На защиту выносится:

1. Разработанный и изученный комплекс оборудования и устройств для экологически безопасного плазменного травления кремнийсодержащих материалов в хлорной плазме, состоящий из устройства генерации газообразного хлора, реактора магнетронного реактивно ионного травления в скрещенных ВЧ-электрическом и вращающемся магнитном полях и устройства дезактивации продуктов реакции.

2. Режимы травления и состав газовой смеси для экологически безопасного анизотропного травления монокристаллического кремния.

3. Режимы травления и состав плазмообразующей смеси для экологически безопасного прецизионного травления в едином вакуумном цикле поликристаллического кремния с областями различного типа проводимости.

4. Результаты экспериментальных исследований влияния обработки в хлорсодержащих смесях в плазме скрещенных электромагнитных полей на электрофизические характеристики

границы раздела кремний-диэлектрик при формировании МОП-структур.

5. Результаты исследования влияния материала маскирующих слоев на скорость анизотропного травления и геометрическую форму канавок в монокристаллическом кремнии при плазменной обработке в хлорсодержащих смесях.

Апробация работы: Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийских научно-технических конференциях: «Экология микроэлектроники» Москва, 1990г., «Электроника и информатика» Москва, 1995г. и 1997г., на 2-м Международном симпозиуме «Теоретическая и прикладная плазмохимия» Иваново, 1995, Научно-технической конференции для студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» Москва, 1995г.

Публикации: основные материалы изложены в 3-х статьях и 7-ми докладах на научных конференциях, по результатам работы получено два авторских свидетельства.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы: 161 страница, 13 таблиц, 48 рисунков. Библиография включает 101 наименование.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность работы, указаны цель и объект изучения, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость, дана краткая аннотация работы по главам.

В первой главе работы проведен анализ современных направлений развития способов сухого травления кремний содержащих слоев в смесях хлора и безуглеродных газов. Показано, что на современном этапе все шире используются хлорсодержащие плазмообразующие смеси для сухого травления различных материалов применяемых в микроэлектронике. Проводится анализ отрицательного влияния применения различных реагентов на экологическую безопасность процессов травления. А также рассматриваются способы очистки выхлопных газов от вредных продуктов плазменных реакций и методы диагностики и контроля газовой среды в плазменном реакторе и на выходе вакуумной системы. Подчеркнуто, что переход от фреонов к безуглеродным смесям на основе хлора и использования этих смесей в реакторах плазменного травления нового поколения является одним из направлений позволяющем уменьшить экологический вред наносимый окружающей среде.

Во второй главе проведен сравнительный анализ разработанных процессов глубокого (5-10мкм) анизотропного травления кремня в плазмообразующей смеси элегаза с хладоном-22 на отечественном серийном оборудовании и на экспериментальной установке «Плазма-ТЦ001». Показано, что использование газовых смесей на основе хладона-22 и реактора магнетронного ионно-плазменного травления дает возможность повысить экологическую

безопасность процессов травления. Описывается конструкция экспериментальной установки «Плазма ТЦ001» и метод организации плазменного потока. Приводится обоснование выбора реактора магнетронного травления в скрещенных ВЧ-электрическом и вращающемся магнитном полях для дальнейшей разработки процессов экологически безопасного травления

кремнийсодержащих слоев. Показано, что использование данного типа оборудования дает возможность создать прецизионные, процессы травления кремния обеспечивающие современный уровень производства СБИС и не загрязняющие окружающую среду.

В третьей главе приводится описание комплекса оборудования и устройств для экологически безопасного плазменного травления кремнийсодержащих материалов в хлорной плазме.

Описываются конструкции и принцип работы устройств генерации газообразного хлора и устройств дезактивации продуктов реакций в хлорсодержащей плазме.

Рассмотрены особенности горения плазменного разряда в газовых смесях на основе хлора, гексафторида серы и инертных газов. Изучены масс-спектры состава выхлопных газов на входе и выходе откачной системы. Проведен анализ вредных составляющих, которые могут воздействовать на обслуживающий персонал и окружающую среду.

Доказана возможность создания процессов травления кремнийсодержащих материалов в плазменном разряде хлора и его смесей, не представляющих опасность для человека и окружающей среды.

В четвертой главе представлены результаты исследования и разработки экологически безопасных процессов плазменного травления кремния и кремний содержащих материалов.

Исследованы особенности травления монокремния и кремнийсодержащих слоев от конструктивных параметров установки «Плазма-ТЦ001»: межэлектродного расстояния и расхода охлаждающего газа Не. На основании проведенных экспериментов выбрана оптимальная конструкция плазменного реактора

Приведены результаты исследования и разработки процессов анизотропного травления глубоких канавок в кремнии с управляемым профилем стенок.. Исследованы зависимости влияния режимных параметров процесса (рабочего давления в реакторе, состава плазмообразующей смеси, мощности ВЧ-разряда) на основные характеристики травления (скорость, селективность, анизотропию, равномерность) монокристаллического кремния. Исследовано влияние на геометрические параметры канавок в формы и размеров исходной фотолитографической маски и материала ма