СПОСОБ ГЛУБОКОГО АНИЗОТРОПНОГО ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР Российский патент 2024 года по МПК H01L21/3065 

Изобретение относится к технологии изготовления микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наносистемной технике на основе кремния.

При формировании глубоких структур в кремнии с низким аспектным соотношением (менее 0,5) методом глубокого анизотропного плазменного травления (ГАПТ) возникает ряд факторов, оказывающих негативное влияние на конечный результат. Одним из таких факторов является температура подложки. В современных системах ГАПТ пластина размещается на охлаждающем электроде. Термический контакт обеспечивается при помощи гелия, поступающего с обратной стороны в центральную область подложки. Формирование глубоких областей с большой площадью вскрытия в непрерывном процессе травления приводит к выделению большого количества тепловой энергии, что служит причиной возникновения перегрева поверхности. При достижении высоких значений термической энергии по пластине наблюдается градиент температуры, изменяется скорость химических взаимодействий, следовательно, значительно увеличивается неравномерность скорости травления. В большинстве применений необходимо обеспечить высокую анизотропию и равномерность травления элементов.

Известен способ ГАПТ кремниевых структур в циклическом двухшаговом процессе при комнатной температуре с добавлением кислорода на этапе пассивации для формирования пленки SiO₂ на боковых поверхностях структуры с целью предотвращения латерального травления /1/.

В этом способе предлагается разделение процесса на два этапа: этап травления кремния в SF₆ и окисления в О₂ при давлении в камере 1-100 мторр. Подложка находится на электроде при температурах +10 - +50°С, что является достаточным для образования окисла на всей поверхности структуры. Пассивирующая пленка со дна структуры удаляется ионной бомбардировкой за счет приложенного смещения на этапе травления. Пауза между шагом травления и осаждения варьируется от 0,5 до 2 с. Предложенный способ был реализован на оборудовании, оснащенном различными вариантами источников: 1 - планарным источником индуктивно-связанной плазмы частотой 13,56 МГц и мощностью 1000 Вт, 2 - соленоидным ВЧ-источником с частотой 2 МГц и мощностью 3000 Вт.

Преимуществом данного способа является отсутствие загрязнения боковых поверхностей структуры фтор-углеродной пленкой. К недостаткам можно отнести пониженную анизотропию процесса в связи с диффузией фтор-радикалов к боковой поверхности кремния из-за нестабильной структуры выращенного при сверхнизкой температуре окисла.

Также известен способ криогенного травления структур в кремнии 121. В данном способе кремниевая пластина обрабатывается при температурах от -40°С до -120°С. Продукт травления кремния SiF_x, полученный при травлении в среде SF₆, конденсируется на боковых стенках структуры и вступает в реакцию с активным кислородом, образуя защитный пассивирующий слой состава SiO_xF_y, стабильный только при температурах ниже -75°С. Этот слой обеспечивает защиту боковых стенок от химического воздействия радикалов, образующихся в плазме. Со дна структуры данный слой удаляется ионным распылением.

Недостатком способа 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 применение криогенного процесса при формировании глубоких структур с высокой обрабатываемой площадью.

В качестве прототипа выбран циклический процесс травления кремния /3/.

На первой стадии процесса кремниевая пластина обрабатывается во фторсодержащей плазме, богатой радикалами фтора, которые реагируют с кремнием с образованием SiF₄ и SiF₂. Данные молекулы являются газообразными и откачивается из камеры реактора. Травление имеет изотропный характер, и осуществляется только на ограниченную глубину, которая обычно составляет менее одного микрона.

Затем следует этап пассивации в среде C₄F₈, при котором тонкая фторуглеродная пленка равномерно осаждается на пластину, после чего процесс циклически повторяется. Этот полимер не вступает в спонтанную химическую реакцию с плазмой и обеспечивает защиту кремния от дальнейшего травления.

На первой стадии следующего цикла с помощью ионной бомбардировки полимерная пленка удаляется со дна канавки, вертикальные стенки остаются защищенными для предотвращения бокового травления. Травление полимера на стенах не происходит, так как для травления полимеров требуются как радикалы, так и ионы, а бомбардировка ионами идет нормально к поверхности подложки.

Данный способ позволяет достичь высоких показателей скорости травления (до 20 мкм/мин), селективности к маске и анизотропии при глубоком травлении кремниевых структур с высоким аспектным соотношением.

Однако, в связи с экзотермической природой химической реакции атомарного фтора с кремнием /4/, при травлении структур с высокой площадью вскрытия возникает избыточное выделение тепловой энергии, приводящей к перегреву пластины и возникновению таких негативных эффектов, как эрозия пассивирующей пленки вследствие ухудшения адгезии к поверхности кремния, что служит причиной появления латеральной составляющей травления, а также микромаскированию донной области структуры и формированию так называемого «черного кремния» в виде микроигл.

Задача изобретения - улучшение выходных характеристик процесса ГАПТ кремния, а именно анизотропии, равномерности, качества травления профиля применительно к структурам со сверхнизким аспектным соотношением.

Способ глубокого плазменного травления кремниевых структур состоит из трех циклически воспроизводимых этапов: травления, полимеризации и ионного распыления полимера со дна структуры. Изобретение отличается тем, что процесс глубокого травления структуры со сверхнизким аспектным соотношением на глубину до 500 мкм распределяется на равные интервалы (с определенным количеством циклов) с последующим извлечением пластины из камеры реактора для предотвращения перегрева поверхности. Этап травления осуществляется в течение 9,5-11 секунд в среде элегаза с добавлением кислорода, этап осаждения полимерной пленки из октафторциклобутана длится 3,5-5 секунды, этап ионного распыления - 1-1,5 секунды. Температура электрода составляет 15°С на всех этапах обработки пластины. Значение мощности ВЧ источника плазмы верхнего электрода составляет 800-850 Вт при частоте генератора 13,56 МГц.

На всех этапах обработки пластины мощность ВЧ источника плазмы низкого давления с генератором 13,56 МГц равна 800-850 Вт для уменьшения влияния переходных процессов на переключении. При мощности меньше 800 Вт снижается плотность химически активных частиц, генерируемых в плазме. В связи с этим, уменьшается скорость травления кремния, что негативно сказывается на общее время обработки пластины. С увеличением мощности ВЧ источника более 850 Вт растет поток ионов, отличающихся неизбирательностью травления, следовательно, снижается селективность травления кремния к маске, что является критичным для обеспечения анизотропии профиля структуры.

Этап травления длится 9,5-11 секунд. Снижение времени этапа травления меньше 9,5 секунд также приводит к уменьшению скорости травления кремния. Увеличение продолжительности этапа травления более 11 секунд приводит к возрастанию геометрических показателей шероховатости боковой поверхности, называемой «скэллопами», что является критичным в некоторых областях применения. Увеличение времени этапа полимеризации поверхности более 5 секунд может привести к неполному удалению полимерной пленки со дна структуры при ионном распылении, что служит причиной образования «черного кремния» и изменения геометрии донной части травимой структуры. Подобный эффект наблюдается и при снижении времени ионного распыления менее 1 секунды. При уменьшении времени полимеризации менее 3,5 секунд снижается толщина пленки, в результате чего возможно не полное покрытие боковой поверхности структуры и возникновение латерального травления. При увеличении продолжительности этапа ионного распыления более 1,5 секунд возникает перегрев поверхности в результате неупругого соударения.

Химическая реакция взаимодействия кремния с фтор-радикалом обусловлена выделением термической энергии, которая накапливается по мере увеличения продолжительности плазменной обработки. При увеличении глубины травления, соответственно, и времени непрерывной обработки пластины, возникает перегрев поверхности пластины. Ухудшается адгезия полимерной пленки к боковой поверхности, возникает вероятность десорбции полимера на дно структуры, что приводит к появлению «черного кремния» при продолжающемся травлении. Одновременно с этим ухудшается анизотропия травления, так как боковые стенки больше не защищены полимерной пленкой. Вероятна эрозия фоторезистивной маски, что также негативно сказывается на качестве травления. В связи с тем, что термическая стабилизация подложки обеспечивается в локальной кольцевой области, расположенной ближе к центру пластины, при значительном росте температуры поверхности проявляется градиент температур, что приводит к росту неравномерности скорости травления.

На фиг. 1, 2 приведены фотографии профиля травления структуры при непрерывной обработке и в случае интервального способа соответственно.

В связи с этим, в данном способе ГАПТ кремния с большой площадью вскрытия предлагается разделение процесса анизотропного травления на равные интервалы. При этом, выходные характеристики процесса ГАПТ интервальным способом значительно превосходят ГАПТ при непрерывной обработке.

Данный способ позволяют достичь угла наклона боковой поверхности 87-88°, селективности к маске фоторезиста 200, равномерности по пластине 96% и отсутствие «черного кремния» на дне структуры при травлении на глубину до 500 мкм. Способ применяется для создания МЭМС-микрофонов, вибрационных гироскопов или устройств, основанных на спин-эффекте.

Источники информации:

1. Патент РФ №2691758.

2. Патент США 8,012,365.

3. Международный патент WO 2014094538 - прототип.

4. Silicon Reagents for Organic Synthesis, 1983, Volume 14.

Изобретение относится к технологии изготовления микроэлектромеханических систем на основе кремния. Способ глубокого анизотропного плазменного травления кремния представляет собой циклический трехэтапный процесс. На первом этапе цикла происходит изотропное травление кремния в газовой смеси элегаза и кислорода. Второй этап характеризуется полимеризацией поверхности структуры в среде октафторциклобутана для предотвращения латерального травления. На третьем этапе полимерный слой на дне структуры удаляется направленным распылением ионами аргона, после чего цикл повторяется. При непрерывном травлении глубоких структур с большой площадью вскрытия происходит избыточное выделение тепла, результатом чего служит перегрев обрабатываемой кремниевой пластины. С целью предотвращения появления негативных эффектов вследствие перегрева обрабатываемой структуры используется интервальный способ обработки, при котором через некоторое количество циклов пластина извлекается из реактора и остужается. Техническим результатом является значительное улучшение таких параметров, как анизотропия, равномерность и качество травления кремниевых структур. 2 ил.

Способ глубокого анизотропного плазменного травления кремниевых структур, включающий циклически повторяющиеся этапы травления кремния, полимеризации поверхности и ионного распыления пассивирующей пленки со дна структуры, отличающийся тем, что процесс глубокого травления на глубину до 500 мкм разделяется на равные интервалы, соответствующие глубине 50 мкм, с последующим извлечением пластины из рабочей камеры реактора для предотвращения перегрева поверхности, причем каждый цикл включает в себя этап травления кремния в течение 9,5-11 секунд в рабочей среде элегаза с добавлением кислорода, затем этап полимеризации поверхности - осаждение полимера из октафторциклобутана в течение 3,5-5 секунд и этап ионного распыления пассивирующей пленки со дна структуры в аргоне в течение 1-1,5 секунд при мощности ВЧ-источника верхнего электрода, равной 800-850 Вт на всех этапах, и частоте 13,56 МГц.