СПОСОБ АНИЗОТРОПНОГО ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ МИКРОСТРУКТУР В ЦИКЛИЧЕСКОМ ДВУХШАГОВОМ ПРОЦЕССЕ ОКИСЛЕНИЕ-ТРАВЛЕНИЕ Российский патент 2019 года по МПК H01L21/3065 

Изобретение относится к технологии изготовления транзисторов, интегральных схем, приборов силовой электроники и устройств микромеханики (МЭМС) на основе кремния.

С 1970-х годов известен способ плазменного травления кремния в непрерывном режиме в химически активной фторуглерод-содержащей плазме с образованием газообразного соединения SiF₄, применявшийся в технологических реакторах диодного типа [1] для производства изделий микроэлектроники. Для увеличения скорости анизотропного травления были изобретены источники плазмы высокой плотности различных конструкций, работающие в условиях низкого давления в камере. Наибольшее распространение получили технологические реакторы с ВЧ-источниками индуктивно-связанной плазмы и ВЧ-источниками на геликонном резонансе, с независимой регулировкой потенциала смещения на обрабатываемой кремниевой пластине. Повышение степени анизотропии процесса в этом способе достигается наличием плазме фторуглеродных полимеробразующих газов из класса фреонов. Указанный способ характеризуется умеренной скорость травления кремния - до 0.5 мкм/мин. и имеет высокий уровень загрязнений боковой стенки формируемой микроструктуры пленкой фторполимеров. Для последующего удаления таких загрязнений необходимы дополнительные технологические операции.

Для формирования структур глубокого травления в кремнии разработаны способы с более высокой скоростью травления:

1. Способ травления кремния в плазме в непрерывном режиме при криогенных температурах пластины – до -120°C (криогенный процесс травления) [2].

2. Способ травления кремния в плазме в двухшаговом циклическом процессе при криогенных температурах пластины – до -120°C (STiGER – процесс, запатентованный компанией ST Microelectronics, Франция) [3].

3. Способ травления кремния в плазме в двухшаговом циклическом процессе при термостабилизации обрабатываемой пластины при температурах +10 – +50°C (запатентованный “Bosch-процесс”) [4].

Во всех указанных процессах в качестве основного плазмообразующего газа для травления кремния применяется гексафторид серы SF₆, молекула которого содержит 6 атомов фтора, что позволяет достичь максимальной плотности атомарного фтора в плазме, по сравнению с другими фторсодержащими газами, и высокой скорости травления кремния, соответственно. Однако атомарный фтор в условиях комнатной и умеренно пониженной температуры пластины вступает в реакцию с кремнием спонтанно, что приводит к изотропному травлению боковых стенок формируемой микроструктуры и отклонению от заданных топологических размеров формируемой микроструктуры. Для устранения этого недостатка в способах (1)–(3) предпринимаются различные меры.

Способ (1) криогенного глубокого анизотропного травления кремния в непрерывном режиме реализуется при температурах -120 - 80°C в плотной плазме при давлениях 1-20 мторр в смеси плазмообразующих газов SF₆ и О₂ [2].

Анизотропию процесса обеспечивает снижение скорости спонтанной реакции кремния с атомарным фтором при криогенных температурах, одновременно с образованием на боковых стенках формируемой микроструктуры защитной пассивирующей пленки состава Si_xF_yO_z, устойчивой при температурах ниже -75°C. Со дна формируемой микроструктуры пассивирующий слой удаляется ионами плазмы, ускоренными нормально к поверхности электрическим полем потенциала смещения, приложенным к кремниевой пластине. Таким образом, дно формируемой структуры остается свободным для доступа радикалов фтора, что приводит к травлению кремния анизотропно в направлении нормально к поверхности. При нагреве кремниевой пластины до комнатной температуры защитная пленка испаряется со стенок канавки и сформированная структура не имеет каких-либо полимерных загрязнений. Недостатком метода является необходимость проведения процесса травления при криогенных температурах, чувствительность толщины ультратонкой пассивирующей пленки к температуре пластины и высокие требования к термостабилизации пластины в пределах 1°C. Это ограничивает промышленное внедрение криогенных процессов травления кремния.

Известен другой способ (2) анизотропного плазменного криогенного травления кремния – STiGER-процесс [3], в котором шаги пассивации стенок и шаги травления кремния разделены во времени и чередуются последовательно в ходе процесса. Независимый шаг пассивации стенок формируемой микроструктуры из плазмы газов SiF₄ и O₂ позволяет формировать более устойчивую пассивирующую пленку Si_xF_yO_z заданной толщины; состав плазмы на шаге травления аналогичен способу (1) в непрерывном режиме травления. После проведения процесса пассивирующая пленка также испаряется при нагреве пластины до комнатной температуры. В данном способе частично исключаются недостатки, связанные с отсутствием независимого контроля толщины пассивирующей пленки, но возникает новый недостаток - характерная шероховатость стенок, имеющая вид кольцевых гребней, причина которой - в дискретности шагов пассивации и травления.

Способ глубокого анизотропного травления (3) имеет в своей основе пассивацию стенок фторсодержащим полимером, устойчивым при температурах, близких к комнатной, и поэтому лишен недостатков процесса плазменного криогенного травления кремния. Данный способ основан на чередовании шагов пассивации поверхности и стенок формируемой микроструктуры кремния с помощью осаждения полимерного слоя из фторуглеродсодержащей плазмы и последующего шага - травления в плазме SF₆. В оригинале патента [4] в качестве полимеробразующей плазмы использовалась смесь газов CHF₃ и аргона. В дальнейшем в качестве источника для осаждения таких слоев было предложено использовать C₃F₈, C₄F₈, C₄F₄ и другие газы [5] с высоким процентным содержанием углерода, что увеличивает скорость образования полимерного слоя на поверхности кремния. Во время шага пассивации на текущий рельеф формируемой микроструктуры кремния осаждается фтор-полимерная пленка, удаление которой со дна структуры происходит за счет ионной бомбардировки при приложении потенциала смещения к пластине на следующем шаге травления. В каждом шаге травления области дна формируемой микроструктуры плазмой SF₆, кремний травится в режиме, близком к изотропному. Полимерный слой, ранее осажденный на вышележащую боковую стенку канавки, из-за анизотропии ионного потока удаляется на шаге травления значительно медленнее. К достоинствам метода следует отнести высокую вертикальную скорость травления до 20 мкм/мин, высокую селективность по отношению к маскирующему покрытию, как фоторезисту, так и маскам из неорганических материалов (SiO₂, металлы), температуру обрабатываемой пластины, близкую нормальным условиям (+10 - +50°C), что обеспечивает снижение стоимости оборудования и хорошую воспроизводимость технологии. Недостатком процесса являются высокая степень загрязнения стенок профиля формируемой микроструктуры фторуглеродным покрытием и характерная шероховатость стенок в виде повторяющихся гребней на профиле формируемой микроструктуры, аналогичная способу (2). Названный способ (3) выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

В публикации [6] предложено усовершенствование процесса глубокого анизотропного плазменного травления кремния с использованием периодических кратковременных импульсов подачи кислорода в плазмообразующую смесь, приводящих к периодическому дополнительному ингибитированию изотропного травления в ходе процесса. Данный способ пассивации исключает полимерные загрязнения стенок структуры травления.

Недостатком этого процесса, как и криогенных процессов глубокого анизотропного травления кремния (1) и (2) является высокая стоимость оборудования и его конструктивная сложность для охлаждения пластины в камере до температур ниже -40°C.

Предлагаемый способ травления лишен большинства недостатков, присущих описанным выше способам. В основе изобретения лежит циклический двухшаговый процесс анизотропного травления, временные циклы пассивации и травления которого подобны Bosch-процессу (3), отличающийся от него тем, что в качестве пассивирующей пленки на боковой стенке формируемой микроструктуры вместо фтор-полимерного слоя используется слой SiO₂, формирующийся на шаге пассивации реакцией окисления поверхности кремния в плазме O₂ при давлении в камере 1-100 мторр. Продуктами диссоциации кислорода в плазме являются, в том числе, и химически активные радикалы О*. Данные частицы обладают высокой химической активностью и диффузионной способностью, обеспечивающей транспорт к границе SiO₂/Si, что позволяет за 1-10 сек при температуре пластины +10 - +50°C вырастить на поверхности кремния пассивирующий слой, близкий по составу к SiO₂ толщиной 2-5 нм. В качестве плазмообразующего газа на последующем шаге травления, используется плазма SF6, что позволяет достигать высокой скорости вертикального травления микроструктуры. Давление в камере на этом шаге может варьироваться в пределах 1-100 мторр. Удаление пассивирующей пленки со дна микроструктуры, осуществляется ионной бомбардировкой анизотропного ионного потока за счет приложенного потенциала смещения на шаге травления. Следует отметить, что оказывается полезным более акцентированное разделение во времени стадий травления и пассивации, чем в прототипе. Для этого используются паузы между шагами длительностью от 0,5 до 2 с.

Предлагаемый способ может использоваться на разнообразном оборудовании для плазмохимического травления микроэлектронных структур, оснащенном ВЧ-источником сильно ионизованной плазмы низкого давления с генератором с частотой в диапазоне 1-50 МГц и независимым генератором ВЧ-смещения, позволяющим подавать на обрабатываемую кремниевую пластину потенциала смещения в диапазоне 20–200 В, при температуре пластины +10 - +50°C, при давлении в камере 1-100 мторр.

Предложенный способ анизотропного плазменного травления кремния в двухшаговом циклическом плазменном процессе был реализован на оборудовании для плазмохимического травления микроэлектронных структур, оснащенном различными вариантами источников плазмы: 1 – планарный индуктивно-связанный ВЧ-источник плазмы низкого давления с генератором 13.56 МГц, 1000 Вт; 2 - соленоидный индуктивно-связанный ВЧ-источник плазмы низкого давления с генератором 2.0 МГц, 3000 Вт. Пластина имела систему термостабилизации в диапазоне температур +10 - +50°C. Конструкцией была обеспечена возможность подачи на кремниевую пластину потенциала смещения в диапазоне 20–200 В. Предложенный способ был реализован с использованием масок с необходимой топологией на основе оксида и нитрида кремния, металлических слоев и других покрытий, так называемых “жестких” масок, устойчивых к воздействию плазмы кислорода.

Преимуществом данного способа является отсутствие необходимости охлаждения и термостабилизации пластины в технологической камере при криогенных температурах, а также отсутствие загрязнений формируемой микроструктуры фтор-полимерными пленками. Предложенный способ не требует использования дополнительных технологических операций для очистки сформированных кремниевых микроструктур от загрязнений полимерами.

Источники информации:

1. J.A. Bondur / Dry process technology (reactive ion etching) // Journal of Vacuum Science and Technology 13, 1023 (1976);

2. T. Tillocher, R. Dussart, X. Mellhaoui, P. Lefaucheux, M. Boufnichel, P. Ranson / Silicon cryo-etching of deep holes // Microelectronic Engineering Volume 84, Issues 5–8, May–August 2007, Pages 1120-1123

3. Dussart R, Tillocher T, Lefaucheux P, Ranson P, Mellhaoui X, Boufnichel M and Overzet L J 2008 Deep anisotropic silicon etch method France Patent 2914782-A1 (assigned to STMicroelectronics, CNRS and University of Orleans)

4. Патент США US 5501893, 1996, (Method of anisotropically etching silicon, Franz Laermer et al.)

5. Rangelow I.W. Critical tasks in high aspect ratio silicon dry etching for micro-electromechanical systems // J. Vac. Sci. Technol. 2003. V. A21. ‹ 4. P. 1550–1562.

6. Black silicon method XI: oxygen pulses in SF6 plasma H V Jansen, M J de Boer, K Ma, M Girones, S Unnikrishnan, M C Louwerse and M C Elwenspoek J. Micromech. Microeng. 20 (2010) 075027

Использование: изобретение относится к технологии изготовления транзисторов, интегральных схем, приборов силовой электроники и устройств микромеханики (МЭМС) на основе кремния. Способ анизотропного плазменного травления кремния представляет собой циклический двухшаговый процесс травление-пассивация, характеризующийся тем, что на шаге пассивации в качестве пассивирующей пленки на поверхностях формируемой микроструктуры используется слой SiO₂, создаваемый реакцией окисления кремния в плазме O₂. С целью предотвращения изменения состава пассивирующей пленки и для лучшего разделения во времени стадий травления и пассивации, а также предотвращения образования в объеме реактора смеси SF₆ и O₂, в которой не происходит эффективная пассивация поверхности слоем оксида кремния, используются шаги откачки между шагами травления и пассивации длительностью от 0,5 до 10 с. Техническим результатом является обеспечение анизотропного травления кремния при температуре, близкой по значению к комнатной. Преимуществом данного способа является отсутствие необходимости охлаждения и термостабилизации пластины в технологической камере при криогенных температурах, а также отсутствие загрязнений формируемой микроструктуры фтор-полимерными пленками, что позволяет исключить необходимость использования дополнительных технологических операций для очистки сформированных кремниевых микроструктур от загрязнений полимерами. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ анизотропного плазменного травления кремния, представляющий собой циклический двухшаговый процесс, состоящий из чередующихся шагов анизотропного плазмохимического травления и пассивации, в котором на шаге травления происходит травление кремния в плазме SF₆, а на шаге пассивации на поверхностях формируемой микроструктуры создается пассивирующая пленка, отличающийся тем, что на шаге пассивации в качестве пассивирующей пленки на вскрытых поверхностях кремния формируется слой SiO₂, создаваемый реакцией окисления кремния в плазме О₂.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что между шагами процесса добавляется шаг откачки длительностью от 0,5 до 10 с, обеспечивающий лучшее разделение во времени шагов травления и пассивации и предотвращающий изменение состава пассивирующей пленки за счет образования при переключении на следующий шаг в объеме реактора смеси травящего газа и O₂, которая препятствует эффективной пассивации вскрытых поверхностей кремния слоем SiO₂.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первым выполняется шаг пассивации, а затем шаг травления, при этом последним в процессе становится шаг травления, чем обеспечивается достижение минимальной величины подтрава под маску формируемой микроструктуры.