СПОСОБ АНИЗОТРОПНОГО ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ МИКРОСТРУКТУР В ЦИКЛИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ НИТРИДИЗАЦИЯ-ТРАВЛЕНИЕ Российский патент 2023 года по МПК H01L21/3065 

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

С 1990-х годов возникла необходимость формирования высокоаспектных структур для изготовления изделий микроэлектроники и микромеханики на основе кремния. Для создания таких структур были разработаны процессы глубокого плазменного травления кремния. Наибольшее распространение получили технологические процессы в реакторах с ВЧ-источниками индуктивно-связанной плазмы, ВЧ-источниками на геликонном резонансе и микроволновыми источниками на электрон-циклотронном резонансе, с независимой регулировкой потенциала смещения на обрабатываемой кремниевой пластине. Глубина травления кремния может достигать сотен микрометров при аспектном отношении ~30 и более [1]. Известны следующие процессы глубокого травления в кремнии:

1. Способ травления кремния в плазме в двухшаговом циклическом режиме при термостабилизации обрабатываемой пластины при температурах +10-+50°С (запатентованный "Bosch-процесс") [2].

2. Способ травления кремния в плазме в непрерывном режиме при криогенных температурах пластины до -120°С (криогенный процесс травления) [3].

3. Способ травления кремния в плазме в двухшаговом циклическом режиме при криогенных температурах пластины до -120°С (STiGER-процесс, запатентованный компанией ST Microelectronics, Франция) [4].

4. Способ глубокого травления кремния, основанный на циклическом чередовании шагов окисления и травления при температурах +10-+50°С (запатентованный процесс "Окисление-Травление" [5]).

Во всех указанных способах 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 максимальной 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 структуры и отклонению от заданных топологических размеров. Для устранения этого недостатка в способах (1)-(4) предпринимаются различные меры.

Способ глубокого анизотропного травления (1), называемый "Bosch-процесс" и являющийся самым распространенным, имеет в своей основе пассивацию стенок фторуглеродным полимером, устойчивым к травлению при температурах, близких к комнатной, и поэтому лишен недостатков плазменного криогенного травления кремния. Данный способ основан на чередовании шагов пассивации поверхности и стенок структуры кремния с помощью осаждения полимерного слоя из фторуглеродсодержащей плазмы и последующего шага травления в плазме SF₆. В оригинале патента [2] 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 [6] с высоким процентным содержанием углерода, что увеличивает скорость образования полимерного слоя на поверхности кремния. Во время шага пассивации на текущий рельеф 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 микроструктуры плазмой SF₆, кремний травится в режиме, близком к изотропному. К достоинствам метода следует отнести 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°С, что обеспечивает снижение стоимости оборудования. Недостатком метода являются высокая степень загрязнения стенок профиля фторуглеродным покрытием и характерная шероховатость стенок канавки в виде повторяющихся гребней на профиле структур травления.

Способ (2) криогенного глубокого анизотропного травления кремния в непрерывном режиме реализуется при температурах -80 - -120°С в плотной плазме при давлениях 1-20 мторр в смеси плазмообразующих газов SF₆ и O₂ [3]. Анизотропию процесса обеспечивает снижение скорости спонтанной реакции кремния с атомарным фтором при криогенных температурах одновременно с образованием на боковых стенках структуры травления защитной пассивирующей пленки состава Si_xF_yO_z, устойчивой к травлению при температурах ниже -75°С. Со дна структуры травления 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°С. Это ограничивает промышленное внедрение криогенных процессов травления кремния. Кроме того, использование кислорода в плазменном процессе травления приводит к низкой селективности травления по отношению к фоторезистным маскам, или любым маскирующим покрытиям с органическими компонентами, из-за высокой скорости травления фоторезиста кислородсодержащей плазмой.

Известен другой способ (3) анизотропного плазменного криогенного травления кремния - STiGER-процесс [4], в котором шаги пассивации стенок и шаги травления кремния разделены во времени и чередуются последовательно в ходе процесса. Независимый шаг пассивации стенок структуры из плазмы газов SiF₄ и О₂ позволяет формировать более устойчивую пассивирующую пленку Si_xF_yO_z заданной толщины; состав плазмы на шаге травления аналогичен способу (2) 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. Также применение кислородной плазмы сокращает возможность использования фоторезистных масок.

Процесс (4) травления кремния "Окисление-Травление" [5] так же, как и Bosch-процесс является двухшаговым циклическим процессом и основан на пассивации боковых стенок структур с помощью образования SiO₂ на поверхности кремния путем реакции окисления в плазме О₂ при давлении в камере 1-100 мторр и температуре пластины +10-+50°С. Последующий шаг травления осуществляется за счет плазменного травления в плазме SF₆. Анизотропия процесса достигается за счет преимущественного удаления пассивирующей пленки ускоренными ионами с нормальных потоку ионов участков поверхности. Пассивирующая пленка SiO₂, сформированная на боковой стенке формируемой кремниевой структуры, из-за анизотропии ионного потока является устойчивой к травлению. Для лучшего разделения во времени стадий травления и пассивации и предотвращения образования в объеме реактора смеси элегаза и кислорода, в которой не происходит эффективная пассивация поверхности слоем оксида кремния, между шагами процесса добавляется шаг откачки длительностью от 0.5 до 10 с. Преимуществом данного способа является отсутствие необходимости охлаждения и термостабилизации пластины в технологической камере при криогенных температурах, что отличает его от способов (2) и (3), а также отсутствие загрязнений микроструктуры фтор-полимерными пленками, в отличие от способа (1). Так же, как и у рассмотренных выше способов (2) и (3) недостатком данного способа является невысокая селективность травления по отношению к фоторезистным маскам из-за использования кислородной плазмы. Способы (2), (3), (4) предполагают использование масок с заданной топологией на основе оксида и нитрида кремния, металлических слоев и других покрытий, так называемых жестких масок, устойчивых к воздействию плазмы кислорода.

Указанные способы (1)-(4) являются прототипами предлагаемого изобретения, причем процесс “Окисление-Травление” (4) наиболее близок к предлагаемому для патентования способу. Способ представляет собой циклический двухшаговый процесс анизотропного травления, отличающийся тем, что в качестве пассивирующей пленки, формируемой на поверхности микроструктуры, используется либо слой SiN_x, создаваемый на шаге пассивации реакцией нитридизации поверхности кремния в плазме N₂ при давлении в камере 1-100 мТорр либо слой SiO_xN_y, создаваемый реакцией нитридизации кремния в плазме смеси O₂/N₂ с процентным содержанием азота в диапазоне 10-100%. Продуктами диссоциации азота являются, в том числе, и химически активные радикалы N*. Эти частицы обладают высокой химической активностью и диффузионной способностью, обеспечивающей транспорт к границе SiN_x/Si, что позволяет за 1-10 с сформировать на поверхности кремния пассивирующий слой, близкий по составу к SiN_x толщиной 2-4 нм. В качестве плазмообразующего газа на последующем шаге травления, аналогично прототипам (1)-(4) используется плазма SF₆, что позволяет достигать высокой скорости вертикального травления. 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. В отличие от пассивации поверхности структуры в плазме кислорода, при пассивации в плазме азота менее выражены химические реакции деструкции органических фоторезистных масок, что увеличивает селективность травления кремния по отношению к фоторезисту, а также уменьшает уход критического размера за счет отсутствия анизотропного травления боковой стенки маски.

Предложенный способ анизотропного плазменного травления кремния в двухшаговом циклическом плазменном процессе был реализован на технологическом оборудовании для плазмохимического травления микроэлектронных структур, оснащенном удаленным ВЧ-источником сильно ионизованной плазмы низкого давления с генератором мощностью 3000 Вт на частоте 2 МГц и независимым генератором ВЧ-смещения, позволяющим подавать на обрабатываемую кремниевую пластину отрицательный потенциал смещения в диапазоне 20 - 200 В, при температуре пластины +10-+50°С. В результате достигнута селективность травления кремния по отношению к фоторезистной маске равная 10:1, что в 2 раза превышает селективность травления, получаемую в процессе (4) при сравнимых параметрах. Кроме того, исследовалась разновидность предлагаемого процесса, в котором в качестве плазмообразующего газа использовалась смесь кислорода и азота, в которой за счет улучшенных пассивирующих свойств достигались меньшие значения подтрава под маску.

Уход горизонтального критического размера в проведенных экспериментах с оптимизированным составом плазмы N₂+O₂ не превышал 2 нм за цикл при использовании фоторезистивной маски.

Следует отметить, что оказывается полезным акцентированное разделение стадий травления и пассивации за счет уменьшения скоростей реакций в плазменной смеси между фторсодержащими частицами с кислород и азотсодержащими радикалами. Для этого используются паузы между шагами длительностью от 0,5 до 10 с, во время которых мощность, вкладываемая ВЧ-источником в плазму, уменьшается.

Преимуществом предложенного способа является отсутствие необходимости охлаждения и термостабилизации пластины в технологической камере при криогенных температурах, отличающих его от прототипов (2) и (3), а также отсутствие загрязнений кремниевой микроструктуры фтор-полимерными пленками, в отличие от прототипа (1). Предложенный способ не требует технологических операций очистки боковых стенок сформированных кремниевых микроструктур от загрязнений полимерами. В отличие от прототипов (2), (3) и (4), способ предполагает использование фоторезистных масок с заданной топологией, что упрощает технологический процесс.

Технические результаты изобретения. Способ обеспечивает анизотропное травление кремния при температуре, близкой по значению к комнатной. Преимуществами данного способа является отсутствие необходимости глубокого охлаждения и термостабилизации пластины в технологической камере при криогенных температурах, отсутствие загрязнений микроструктуры фтор-полимерными пленками, что позволяет исключить технологические операции очистки сформированных кремниевых микроструктур от загрязнений полимерами. Отсутствие кислорода в плазме, или его сниженная концентрация, существенно улучшают плазмостойкость фоторезистивных масок травления, или любых маскирующих покрытий с органическими компонентами, за счет чего повышается селективность травления по отношению к маске и снижается уход критического размера. Также применение азотсодержащей плазмы обеспечивает увеличение плазмостойкости пассивирующей пленки и увеличивает анизотропию на шаге травления.

Источники информации

1. В. Wu, A. Kumar, and S. Pamarthy/High aspect ratio silicon etch: A review // Journal of Applied Physics 108, 051101 (2010).

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

3. 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.

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

5. Патент РФ RU 2691758 C1, 2019, (Способ анизотропного плазменного травления кремниевых микроструктур в циклическом двухшаговом процессе окисление-травление, Аверкин С.Н. и др.).

6. 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.

Изобретение относится к технологии изготовления интегральных схем, приборов силовой электроники и устройств микромеханики (МЭМС) на основе кремния. Способ анизотропного плазменного травления кремния включает циклический двухшаговый процесс травления, состоящий из чередующихся шагов анизотропного плазмохимического травления и пассивации, в котором на шаге травления проводят травление кремния в плазме SF₆, а на шаге пассивации на поверхностях формируемой микроструктуры создают пассивирующую пленку, при этом на шаге пассивации в качестве пассивирующей пленки на вскрытых поверхностях кремния формируют либо слой SiN_x, создаваемый реакцией нитридизации кремния в плазме N₂, либо слой SiO_xN_y, создаваемый реакцией нитридизации кремния в плазме смеси O₂/N₂ с процентным содержанием азота в диапазоне 10-100%. Изобретение обеспечивает возможность анизотропного травления кремния при температуре, близкой по значению к комнатной, поскольку отсутствует необходимость глубокого охлаждения и термостабилизации пластины в технологической камере при криогенных температурах. 1 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 проводят травление кремния в плазме SF₆, а на шаге пассивации на поверхностях формируемой микроструктуры создают пассивирующую пленку, отличающийся тем, что на шаге пассивации в качестве пассивирующей пленки на вскрытых поверхностях кремния формируют либо слой SiN_x, создаваемый реакцией нитридизации кремния в плазме N₂, либо слой SiO_xN_y, создаваемый реакцией нитридизации кремния в плазме смеси O₂/N₂ с процентным содержанием азота в диапазоне 10-100%.

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