автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и разработка процессов плазменного травления функциональных слоев СБИС с использованием источников высокоплотной плазмы

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ УБИС

1Л. Современные требования к процессам плазменного травления

1.2. Существующие проблемы плазменного травления диэлектрических слоев СБИС

1.3. Проблемы плазменного травления диэлектриков с высоким аспектным соотношением

1.4. Проблемы селективности при плазменном травлении диоксида кремния и нитрида кремния

1.4.1. Селективность плазменного травления диоксида кремния по отношению к нитриду кремния

1.5. Проблемы, возникающие при плазменном травлении проводников затвора

1.5.1. Формирование маски проводников затвора плазменным методом

1.5.2. Плазменное травление проводников затвора из поликристаллического кремния

1.6. Современные требования к оборудованию для плазменного травления

1.6.1. СВЧ - источники плазмы на основе электронно -циклотронного резонанса

1.6.2. Геликонный источник ВЧ - плазмы

1.6.3. Источники индуктивно - и трансформаторно - связанной плазмы

1.7. Выводы и постановка цели и решаемых задач

ГЛАВА 2. ИСТОЧНИКИ ВЫСОКОПЛОТНОЙ ИНДУКТИВНО - И ТРАНСФОРМАТОРНО - СВЯЗАННОЙ ПЛАЗМЫ

2.1. Обоснование выбора механизмов и конструкций источников высокоплотной плазмы для высокоскоростного травления

2.2. Конструкция экспериментальной установки «ПЛАЗМА ТЦ - 002»

2.3. Конструкция реактора индуктивно - связанной плазмы

2.3.1. Исследование возможности формирования изотропного профиля в межслойном диэлектрике в реакторе индуктивно - связанной плазмы

2.4. Конструкция реактора трансформаторно - связанной плазмы

2.5. Оптимизация конструктивных параметров разрабатываемых реакторов высокоплотной плазмы экспериментальной установки «Плазма ТЦ - 002»

2.5.1. Влияние охлаждающего газа на основные характеристики процесса плазменного травления

2.5.2. Влияние расстояния от электрода - подложкодержателя до спиральной катушки реактора трансформаторно -связанной плазмы на процессы травления функциональных слоев СБИС

2.6. Исследование параметров реактора трансформаторно - связанной плазмы

2.7. Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ ПОВЕРХНОСТЬ

3.1. Исследование влияния плазменной обработки на электрофизические параметры транзисторных структур

3.2. Исследование влияния плазменной обработки в источниках высокоплотной плазмы на обрабатываемую поверхность

3.2.1. Исследование влияния плазменной обработки на состояние поверхности кремния методом оптоэлектронного анализа

3.2.2. Исследование влияния плазменной обработки на состояние поверхности кремния с помощью метода локального анизотропного плавления

3.2.3. Исследование влияния плазменной обработки на состояние поверхности кремния с помощью атомно - силового микроскопа

3.3. Спектральные исследования ВЧ - плазмы в реакторе трансформаторно - связанной плазмы

3.4. Выводы

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СЛОЕВ СБИС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСТОЧНИКОВ ВЫСОКОПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ

4.1. Процессы плазменного травления в реакторе индуктивно -связанной плазмы

4.1.1. Исследование и разработка процесса изотропного травления диоксида кремния при формировании контактного окна в реакторе индуктивно - связанной плазмы

4.1.2. Исследование процесса снятия фоторезистивной маски в реакторе индуктивно - связанной плазмы

4.2. Процессы плазменного травления в реакторе трансформаторно -связанной плазмы

4.2.1. Исследование и разработка процесса плазменного травления диоксида кремния

4.2.2. Исследование и разработка процесса плазменного травления нитрида кремния

4.2.3. Исследование и разработка процесса плазменного травления монокристаллического кремния для КМОП технологии и микромеханики

4.3. Выводы

Одной из основных и постоянно действующих тенденций в развитии микроэлектроники является рост степени интеграции, связанный, в первую очередь, с уменьшением размеров элементов микросхем. В настоящее время мировая микроэлектроника вступила в очередной этап своего развития, характеризующийся переходом к размерам элементов 0,13 - 0,18 мкм и менее, степенью интеграции более 106 элементов на одном кристалле и диаметром обрабатываемых пластин 0 = 200 - 300 мм. Формирование элементов с такими размерами, в первую очередь, стало возможным, благодаря внедрению в технологию микроэлектроники методов электронной, рентгеновской и ионной литографии, а также с совершенствованием уже известных и поиском новых технологий при создании СБИС.

В последние годы активно развиваются методы «сухого» травления, уверенно вытесняя традиционную технологию жидкостного химического травления. Большая роль в освоении субмикронных размеров среди методов плазменного травления до последнего времени принадлежала реактивно - ионному травлению, благодаря его анизотропному механизму травления. Вместе с тем, недостаточная производительность реактивно -ионного травления, а также присущая ему высокая энергия бомбардирующих подложку ионов заставляет вести поиск новых способов «сухого» травления и совершенствовать уже известные. Так, например, в триодных разрядных системах удается снизить энергию ионов и давление рабочего газа, но при этом усложняется конструкция внутрикамерного устройства.

СВЧ - плазменные системы тоже отличаются более низким рабочим давлением, низкой энергией бомбардирующих подложку ионов и высокой концентрацией радикалов. Недостатком этих систем является сложность эффективного ввода СВЧ - мощности в плазменный разряд, особенно при его большом объеме.

Известно, что наложение поперечного магнитного поля на ВЧ -разряд приводит к существенному росту степени ионизации и диссоциации рабочего газа без увеличения подводимой к разряду ВЧ - мощности. Это позволяет существенно улучшить ряд параметров процесса травления, а именно:

- повысить анизотропность травления и снизить привносимую дефектность обрабатываемой поверхности, благодаря снижению давления рабочего газа;

- снизить энергию бомбардирующих подложку ионов;

- увеличить скорость травления при неизменной ВЧ - мощности, вводимой в разряд.

В последнее время широкое применение в технологии плазменного травления получили источники высокоплотной плазмы, такие как:

- источники на основе электронно - циклотронного резонанса;

- геликоновые резонаторы;

- источники с индуктивной и трансформаторной связью.

Из перечисленных реакторов наиболее изученными и проверенными на реальных технологических процессах являются источники на основе электронно - циклотронного резонанса. Растущее число положительных откликов на данные источники способствуют расширению их промышленного применения. Это относится прежде всего к Японии, где источники на основе электронно - циклотронного резонанса уже применяется при выпуске приборов ДОЗУ уровня 64 М. Однако при промышленном использовании эти реакторы проигрывают из-за их высокой стоимости, т.к. они могут быть дороже традиционных систем реактивно - ионного травления примерно в три раза. Поэтому многие ведущие фирмы ведут поиск более простых по конструкции источников, позволяющие получать параметры плазмы аналогичные источникам на основе электронно - циклотронного резонанса.

Такие зарубежные фирмы - производители технологического оборудования как, Lam Research, Applied Materials недавно внедрили планарные источники трансформаторно-связанной плазмы с аналогичными параметрами на основе индукционного разряда. Следует отметить, что данные плазменные источники просты по конструкции и питаются от ВЧ - генераторов с традиционной частотой 13,56 МГц, что позволяет им успешно конкурировать в промышленном использовании с более сложными источниками на основе электронно - циклотронного резонанса.

Несмотря на то, что источники индуктивно - и трансформаторно -связанной плазмы за рубежом уже используются в промышленном оборудовании для плазменного осаждения, травления и имплантации, в России и ближнем зарубежье сведения об использовании данных реакторов в литературных источниках отсутствуют и, следовательно, отсутствуют экспериментальные результаты исследований их технологических возможностей.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка процессов плазменного травления функциональных слоев СБИС с использованием разработанных источников индуктивно - и трансформаторно - связанной плазмы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современных требований к технологическому оборудованию для плазменного травления и плазменным процессам травления различных функциональных слоев СБИС, позволяющий выбрать механизм и конструкции разрабатываемых плазменных источников.

2. Разработать конструкции источников высокоплотной плазмы с индуктивным принципом возбуждения высокочастотного разряда.

3. Экспериментально исследовать параметры источников высокоплотной плазмы и их влияние на основные характеристики процессов плазменного травления для оптимизации конструкций разработанных реакторов высокоплотной плазмы.

4. Провести комплексный анализ повреждений И С, возникающих при плазменной обработке.

5. Исследовать влияние высокоплотной плазмы на обрабатываемую поверхность формируемых структур СБИС и разработать технологические приемы, позволяющие снизить дефектообразование на поверхности.

6. Изучить воздействие высокоплотной плазмы на электрофизические параметры КМОП и биполярных транзисторных структур и разработать технологические решения, ' обеспечивающие минимизацию повреждений ИС.

7. На основе проведенных исследований и предложенных рекомендаций разработать процессы плазменного травления различных функциональных слоев СБИС, по своим параметрам превосходящие традиционные РИТ технологии.

Научная новизна:

1. Из проведенного комплексного анализа современного плазменного оборудования показана перспективность использования в технологии плазменного травления ИС источников индуктивно - и трансформаторно - связанной плазмы.

2. Предложен метод плазменного формирования контактного окна с изотропно - анизотропным профилем в едином вакуумном цикле, учитывающий особенности механизма плазменного травления диоксида кремния.

3. Выявлены особенности воздействия высокоплотной плазмы, получаемой в реакторах индуктивно - и трансформаторно - связанной плазмы, на электрофизические свойства обрабатываемых активных элементов МОП и биполярных ИС. Установлено, что обработка в источниках высокоплотной плазмы с высокими скоростями травления оказывает на обрабатываемую поверхность значительно меньшее радиационное воздействие по сравнению с классическими РИТ -технологиями, что обусловлено малыми энергиями ионов, бомбардирующих поверхность.

4. Впервые выявлены механизмы получения изотропного профиля травления в диоксиде кремния при формировании переходных контактных окон в ИС с одно- и многослойной металлизацией, учитывающие взаимосвязь технологических параметров процесса травления и физических характеристик высокоплотной плазмы. Показано, что для получения изотропной составляющей профиля контактного окна в реакторе высокоплотной индуктивно - связанной плазмы доминирующую роль играет температура обрабатываемой подложки и рабочее давление процесса травления.

5. Установлена корреляция основных характеристик процесса плазменного травления различных функциональных слоев СБИС с конструктивными параметрами реактора трансформаторно - связанной плазмы.

6. Показана возможность достижения в реакторе трансформаторно -связанной плазмы скоростей травления функциональных слоев СБИС порядка 1 мкм/мин при минимальных радиационных нарушениях обрабатываемых структур.

Практическая значимость работы:

1. Впервые в России разработан источник высокоплотной трансформаторно - связанной плазмы, позволяющий получать скорости травления различных функциональных слоев порядка 0,5 - 1,0 мкм/мин, благодаря большой плотности ионного потока (4-7 мА/см2) при меньших расходах рабочих газов и более эффективного их использования.

2. Разработан реактор индуктивно - связанной плазмы для прецизионного изотропного травления диоксида кремния при формировании сложного анизотропно - изотропного профиля контактного окна в межслойном диэлектрике.

3. На базе промышленной установки 08 ПХО 100Т - 001 разработан реактор индукционного типа для групповой обработки пластин при снятии фоторезиста, позволяющий в два раза увеличить производительность базового процесса.

4. Проведена оптимизация конструкции реактора трансформаторно -связанной плазмы. На основе экспериментальных результатов выбраны оптимальный расход охлаждающего газа гелия и расстояние между спиральной катушкой и подложкодержателем, позволяющие получать высокие значения скорости и однородности травления.

5. Впервые в России разработан процесс прецизионного плазменного изотропного травления диоксида кремния при формировании контактных окон в межслойном диэлектрике.

6. Разработан процесс прецизионного плазменного анизотропного травления диоксида кремния, обеспечивающий однородность травления 97%, скорость в два раза превосходящую для РИТ реакторов при минимальном плазменном воздействии на обрабатываемые транзисторные структуры.

7. Исследована возможность применения реактора трансформаторно - связанной плазмы для глубокого анизотропного травления кремния с высоким аспектным соотношением. На основании полученных результатов, даны рекомендации по модернизации системы ВЧ - питания спирального индуктора и подложкодержателя.

12

На защиту выносятся:

1. Разработанные конструкции реакторов индуктивно - и трансформаторно - связанной плазмы для высокоскоростного плазменного травления функциональных слоев СБИС.

2. Метод формирования изотропно - анизотропного профиля в диоксиде кремния при получении контактного окна в едином вакуумном цикле.

3. Процесс изотропного прецизионного плазменного травления диоксида кремния в реакторе индуктивно - связанной плазмы (режимы процесса плазменного травления и состав плазмообразующей смеси).

4. Результаты экспериментальных исследований влияния плазменной обработки в реакторе трансформаторно - связанной плазмы на электрофизические характеристики МОП и биполярных транзисторных структур и привносимую дефектность обрабатываемых структур.

5. Процессы плазменного травления диэлектрических слоев СБИС (ФСС, Si02, Si3N4) и монокристаллического кремния в реакторе трансформаторно - связанной плазмы.

1.7. Выводы и постановка цели и решаемых задач

В результате проведенного анализа современных требований к оборудованию для плазменного травления и плазменным процессам травления различных функциональных слоев СБИС установлено, что использование в технологических маршрутах классических технологий плазменного травления (ИТ, ПХТ и РИТ) невозможно или малоэффективно, поскольку достижение необходимой величины одного из параметров процесса, например анизотропии и скорости травления, приводит к однозначному ухудшению других характеристик, например селективности травления к нижележащему слою или степени радиационных повреждений поверхности. С ростом степени интеграции эти требования к плазменным системам травления и плазменным процессам травления становятся более жесткими. Поэтому в настоящее время системы плазменного травления для критических уровней технологии (менее 0,18 мкм) постоянно совершенствуются и от традиционных многофункциональных систем травления в низкоплотной плазме с емкостной связью переходят к системам со средней и высокой плотностью плазмы.

В связи с этим в диссертационной работе предлагается разработать источники высокоплотной индуктивно - и трансформаторно - связанной плазмы, поскольку они наиболее просты в проектировании, производстве и обслуживании и обеспечивают плотность плазмы от 10й до 1012 см"3; и провести исследования и разработку процессов плазменного травления функциональных слоев СБИС с использованием разработанных источников высокоплотной плазмы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать конструкции источников высокоплотной с индуктивным принципом возбуждения высокочастотного разряда.

2. Экспериментально исследовать параметры источников высокоплотной плазмы и их влияние на основные характеристики процессов плазменного травления для оптимизации конструкций разработанных реакторов высокоплотной плазмы.

3. Провести комплексный анализ повреждений ИС, возникающих при плазменной обработке.

4. Исследовать влияние высокоплотной плазмы на обрабатываемую поверхность формируемых структур СБИС и разработать технологические приемы, позволяющие снизить дефектообразование на поверхности.

5. Изучить воздействие высокоплотной плазмы на электрофизические параметры КМОП и биполярных транзисторных структур и разработать технологические решения, обеспечивающие минимизацию повреждений ИС.

51

6. На основе проведенных рекомендаций разработать процессы функциональных слоев СБИС, по традиционные РИТ технологии. исследований и предложенных плазменного травления различных своим параметрам превосходящие

1.1. Обоснование выбора механизмов и конструкций источников высокоплотной плазмы для высокоскоростного плазменного травления

2. Рис.2.1. Поэтапное формирование изотропно анизотропного профиляконтактного окна

3. Для реализации процесса сухого изотропного травления необходимо создание источника плазмы с высокой плотностью нейтральных химически активных частиц (ХАЧ) при минимальном воздействии заряженной компоненты плазмы на поверхность подложки.

4. Таким образом, в рамках данной диссертационной работы предполагается разработать и изготовить источники высокоплотной плазмы -ИСП и ТСП.

5. Конструкция экспериментальной установки «Плазма ТЦ 002»

6. После того, как будет выбрана программа обработки пластин и введен автоматический режим работы установки начинается загрузка рабочих

7. Рис.2.2. Схематичное изображение экспериментальной установки «Плазма1. ТЦ 002».1. Рабочая камера.2. Камера загрузки выгрузки.3. Шлюзовая камера.4. Источник ИСП.5. Источник ТСП.

8. Установка оснащена двумя ВЧ генераторами, мощностью W = 0,5 кВт с частотой f = 13, 56 МГц. Для эффективного подвода ВЧ - мощности в плазменный разряд реакторов применяются LC - согласующие устройства.

9. Газовая система установки представляет собой восемь газовых каналов по четыре на каждый реактор с регулируемым расходом подаваемых реагентов.

10. Конструкция реактора индуктивно связанной плазмы

11. Схематичное изображение конструкции реактора индуктивно -связанной плазмы для изотропного травления представлено на рисунке 2.3 53.

12. Для обеспечения высокой однородности травления необходимо также оптимальным образом реализовать истечение газового потока продуктов

13. Рис. 2.3. Схематичное изображение конструкции реактора индуктивно связанной плазмы.

14. Корпус ИСП реактора. 4. Система термонагрева пластины.

15. Катушка соленоид. 5. Обрабатываемая пластина.

16. Столик подложкодержатель. 6. Плазма.реакции травления с поверхности подложки, компенсировав тем самым, вредное влияние краевого эффекта.

17. Рис.2.4. Схема согласования ВЧ генератора с реактором изотропноготравления

18. Реализация такой схемы согласования позволяет исключить перекос выходных напряжений согласующего устройства относительно потенциала «земли».

19. Состав смеси для травления диоксида кремния при формировании изотропного профиля контактного окна подбирают таким образом, чтобы достичь высокой скорости травления Si02 при обеспечении достаточной селективности к фоторезистивной маске.

20. Зависимость скорости изотропного травления диоксида кремния от прикладываемой ВЧ мощности (Утр.изотроп. = f (W^.) представлена на рис. 2.6 54, 55.350300 jjj 250200 1 150 >10050 0

21. Рис. 2.6. Зависимость скорости изотропного травления окисла кремния от мощности разряда при рабочем давлении Р = 130 Па в смеси SF6 и кислорода с суммарным расходом Qv = 90 л/час и температуре подложкодержателя Т = 85° С

22. Из рис.2.6 видно, что при увеличении ВЧ мощности скорость изотропного травления диоксида кремния монотонно возрастает и достигает максимального значения v = 0,3 мкм/мин при W = 700 Вт.300 400 500 600 700 Мощность, Вт

23. Конструкция реактора трансформаторно связанной плазмы

24. Схематичное изображение конструкции реактора трансформаторно -связанной плазмы для высокоскоростного анизотропного травления, разработанного в рамках данной диссертационной работы представлено на рисунке 2.7 56.

25. На рис.2.8 показана система питания планарной катушки от ВЧ -генератора.1. ГВЧ (13,56МГц)

26. Рис. 2.8. Схема возбуждения разряда в реакторе ТСП.

27. Оптимизация конструктивных параметров разрабатываемых реакторов высокоплотной плазмы экспериментальной установки1. ПЛАЗМА ТЦ 002".

28. В таблице 2.1 приведена зависимость переноса тепла между пластиной и столиком от расхода подаваемого гелия и зазора h между пластиной и столиком при удельной мощности ВЧ генератора w = 0,8 Вт/см .