СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР Российский патент 2024 года по МПК H01L21/30 

Изобретение относится к технологии изготовления интегральных схем, устройств микромеханики - микроэлектромеханических систем (МЭМС) и микрофлюидики на основе кремния.

При формировании структур глубоким анизотропным плазменным травлением кремния во фторсодержащей плазме, с малыми и сверхмалыми аспектными отношениями (много меньше 0,5) наблюдается ряд сложностей, связанных с геометрией структур и качеством травления. В частности, это обусловлено большими площадями вскрытия, 30% и более от общей площади пластины, что качественно отличает данный процесс от процесса формирования глубоких щелей с аспектными отношениями более 100/1/.

Для большинства применений важно прецизионно контролировать анизотропию, шероховатость поверхностей и равномерность протравленных элементов на кремниевой подложке. Обычно это достигается с использованием одного из двух принципов, а именно: криогенной пассивации боковых стенок или Bosch-процесса, которые основаны на формировании защитного слоя в виде полимера на боковых стенках элементов. Скорость травления пассивирующего фторуглеродного слоя без ионной составляющей низкая, и поэтому скорость бокового травления будет очень низкой по сравнению с вертикальной. Таким образом, может быть достигнута высокая анизотропия. Важным аспектом с точки зрения формы и шероховатости боковых стенок профиля являются соотношения операционных параметров на этапах травления и осаждения, таких как состав газовой смеси, мощностей ВЧ источника плазмы, продолжительностей этапов.

Для формирования кремниевых структур с малым аспектным отношением известен способ травления кремния в плазме в двухшаговом циклическом процессе при разных мощностях ВЧ источника плазмы на этапах травления и осаждения /2/.

В этом способе травления предлагается разделение процесса на два этапа: изотропное травление в элегазе и осаждение пассивирующего слоя октафторциклобутана, при этом пластина находится на подложкодержателе при комнатной температуре. Значения операционных параметров двух этапов различны: на этапе травления на источник плазмы подается ВЧ мощность, достигающая 280-300 Вт в течение 0,1-100 секунд, на этапе пассивации - 100-120 Вт в течение 0,1-40 секунд. К достоинствам данного способа можно отнести высокую анизотропию профиля, а также выгодные с точки зрения МЭМС элементов температурные условия, благодаря которым в структуре не будут возникать механические напряжения, приводящие к излому или вырыву мембран. К недостаткам относится большая разница в мощностях ВЧ источника плазмы на двух этапах, которая может приводить к дестабилизации плазмы и сниженной воспроизводимости циклов. При этом, за счет значительной разницы в продолжительностях двух этапов будет увеличиваться размер скэллопов - гребешков, что приведет к высокой шероховатости боковых стенок, что критично для ряда изделий микрофлюидики.

Также известен способ травления кремния в плазме в двухшаговом циклическом процессе при криогенных температурах пластины - до -120°С (STiGER - процесс, запатентованный компанией ST Microelectronics, Франция) /3/.

В этом случае процесс разделен, аналогично предыдущему способу, на две стадии, но подложка постоянно находится при криогенных температурах до -120°С. В отличие от классического Bosch процесса, в STiGER на этапе пассивации боковых стенок используется газовая смесь элегаза и кислорода для формирования пленки вида SixFyOz. К достоинствам данного метода можно отнести лучшие условия для отвода тепла, образующегося в результате экзотермических реакций, за счет которых достигается высокая равномерность травления по пластине. При этом недостатком является цикличность процесса, что также приводит к возникновению скэллопов, и, по сравнению, с классическим методом Bosch процесса, охлаждение структуры до криогенных температур с последующим переносом из камеры в шлюз с комнатной температурой может повлиять на целостность тонких пленок в изготавливаемой МЭМС структуре. Следует отметить, что скорость травления при низких температурах значительно меньше, что играет важную роль при травлении больших площадей вскрытия. Также затруднено воспроизводимое формирование толщины пассивирующей пленки за счет более сложного процесса ее образования на поверхностях.

Наиболее близким по технической сути является способ травления кремния «мультишаговым» методом, в основе которого лежит Bosch-процесс /4/.

В этом способе рассматривается метод «мультишагового травления», где цикл травления делится на три интервала с добавлением этапа ионной бомбардировки пассивирующего слоя со дна щели, что особо важно для достижения высокой анизотропии при травлении структур с малым аспектным отношением. К достоинству способа можно отнести фиксированную мощность ВЧ источника плазмы на всех трех этапах, при этом нивелируется возникновение переходных процессов в плазме. К недостаткам можно отнести неустановленное соотношение продолжительности этапов, возможные перегревы структуры при введении этапа ионной бомбардировки, что негативно отразится на равномерности скорости травления по пластине, а также применимость процесса только к переходным отверстиям.

Задача изобретения - улучшение воспроизводимости процесса плазмохимического травления кремния и качества профиля травления кремния с точки зрения анизотропии и шероховатости боковых стенок, а также применимость к структурам с малым аспектным отношением.

Суть изобретения - способ плазмохимического травления кремниевых структур, включающий этапы травления кремния, осаждения пассивирующей пленки, распыления ионной бомбардировкой пассивирующей пленки со дна структуры, отличающийся тем, что устанавливают соотношение продолжительностей этапов травления и осаждения не более 3 и последовательностью этапов: сначала проводят этап травления кремния в течение 1-9 секунд в элегазе с добавлением 5-7% кислорода, затем этап осаждения фторуглеродной пленки из октафторциклобутана в течение 1-3 секунд, после этап распыления ионной бомбардировкой пассивирующей пленки со дна структуры в смеси аргона и элегаза в течение 0,5-1 секунд при фиксированном значении мощности ВЧ источника плазмы на всех этапах в диапазоне 700-800 Вт, поддерживая температуру подложкодержателя с пластиной в диапазоне 15-20°С.

При мощностях меньше 700 Вт наблюдается резкий спад скорости травления и равномерности распределения химически-активных частиц по площади пластины. В случаях установки значения мощности ВЧ источника плазмы в диапазоне 800-900 Вт выявляется нестабильность в согласовании падающей и отраженной мощностей, при этом ухудшается геометрия структуры, селективность к фоторезистивной маске и микрошероховатость поверхностей.

Рассматривая продолжительности этапов, можно отметить, что при времени этапа травления меньше одной секунды наблюдаются неконтролируемые переходные процессы, в течение которых значения операционных параметров не выходят на плато, при большей продолжительности этапа травления возникает большое выделения тепла, при котором теплоотвода установки может быть недостаточно. Вместе с этим увеличивается размер скэллопа. При уменьшении времени этапа пассивации фторуглеродная пленка может покрыть не все поверхности кремниевой структуры или ее толщина будет слишком мала, для обеспечения защиты боковых стенок. При продолжительности этапа осаждения больше трех секунд существует риск неполного удаления пассивирующей пленки и возникновения эффекта «черного кремния». При увеличении продолжительности этапа распыления пассивирующей пленки ионной бомбардировкой структура значительно перегревается, что приводит к хаотичности движения химически активных частиц, уменьшению селективности, латеральным подтравам, потере анизотропии и к высокой неравномерности травления. При меньшем времени этапа распыления возможно неполное удаление пассивирующей пленки со дна структуры.

При температурах подложкодержателя в диапазоне 15-20°С обеспечивается равномерность травления по площади пластины не менее 97% при цикловой скорости травления кремния 1,7 мкм/цикл, при температурах 20°С и более возникают вышеописанные отрицательные эффекты, связанные с перегревом подложки, к чему добавляются проблемы с переосаждением пассивирующей пленки на дно структуры.

При добавлении кислорода в количестве больше 7% от газовой смеси на стадии травления происходит уменьшение цикловой скорости травления кремния на 12% за счет увеличения толщины оксида кремния, что требует большей продолжительности ионной бомбардировки. При добавлении кислорода меньше 5% от газовой смеси не наблюдается значительного снижения шероховатости боковых стенок и добавка считается нецелесообразной.

На фиг. 1-3 приведены фотографии профиля кремниевой структуры с растрового электронного микроскопа. На фиг. 1 представлен общий вид кремниевой структуры, на фиг. 2 - профиль кремниевой структуры, на фиг. 3 - скэллопы на боковых стенках.

Предлагаемый способ подразумевает использование установки, оборудованной ВЧ источником плазмы с независимым генератором ВЧ мощности для смещения подложки, и разделение процесса травления кремниевых структур с малым аспектным отношением на три этапа: первый этап - травление кремния в течение 1-9 секунд в газовой смеси элегаза с добавлением 5-7% примеси кислорода для минимизации шероховатости боковых стенок при рабочем давлении 7 Па и подаваемой мощностью генератора ВЧ на подложкодержатель 4 Вт, второй этап - осаждение пассивирующей пленки из газа октафторциклобутана продолжительностью 1-3 секунд при рабочем давлении 4 Па и подаваемой мощностью генератора ВЧ на подложкодержатель 1 Вт, третий этап - распыление ионной бомбардировкой пассивирующей пленки со дна структуры в смеси аргона и элегаза в течение 0,5-1 секунд при рабочем давлении 9 Па и подаваемой мощностью генератора ВЧ на подложкодержатель 50 Вт. Все три этапа формируют один цикл процесса, количество которых устанавливается в зависимости от требуемой глубины травления. На всех этапах значение мощности ВЧ источника плазмы зафиксировано и находится в диапазоне 700-800 Вт для нивелирования возникновения отрицательных эффектов, связанных с генерацией плазмы, при этом температура подложкодержателя с пластиной достигает 15-20°С.

Способ применяется для формирования МЭМС элементов, в частности колонок хроматографа на кремниевом кристалле, где особо важными является вертикальность стенок канала для корректного хроматографического процесса, а также минимальная шероховатость боковых стенок для равномерного осаждения неподвижных фаз. Аспектное соотношение при этом может достигать меньше 0,5, а глубина травления достигает 500 мкм.

Предлагаемый способ анизотропного плазменного травления кремниевых структур, по сравнению с прототипом, применим как к созданию переходных отверстий, так и к травлению структур с малым аспектным отношением, что часто используется в МЭМС технологии и устройствах микрофлюидики, при этом позволяет получать структуры с низкой шероховатостью боковых стенок, равномерностью по глубине на всей площади пластины и характеризуется высокой воспроизводимостью и плазменной стабильностью. На фиг. 1-3 показано, что угол наклона боковых стенок достигает 89-90°, с глубиной и длиной скэллопов 0,16 мкм и 0,85 мкм соответственно.

Источники информации:

1. Y. Li, X. Du, Y. Wang, H. Tai, D. Qiu, Q. Lin, and Y. Jiang. Improvement of column efficiency in MEMS-Based gas chromatography column. 2014.

2. Патент РФ №2456702.

3. Патент Франции №2914782.

4. Международный патент WO 2014094538 - прототип.

Использование: для изготовления интегральных схем, устройств микромеханики - микроэлектромеханических систем (МЭМС) и микрофлюидики на основе кремния. Сущность изобретения заключается в том, что способ плазмохимического травления кремниевых структур включает этапы травления кремния, осаждения пассивирующей пленки, распыления ионной бомбардировкой пассивирующей пленки со дна структуры, при этом устанавливают соотношение продолжительностей этапов травления и осаждения не более 3 с последовательностью этапов: сначала проводят этап травления кремния в течение 1-9 с в элегазе с добавлением 5-7% кислорода, затем этап осаждения фторуглеродной пленки из октафторциклобутана в течение 1-3 с, после этап распыления ионной бомбардировкой пассивирующей пленки со дна структуры в смеси аргона и элегаза в течение 0,5-1 с при фиксированном значении мощности ВЧ источника плазмы на всех этапах в диапазоне 700-800 Вт, поддерживая температуру подложкодержателя с пластиной в диапазоне 15-20°С. Технический результат - обеспечение возможност формирования кремниевых структур со сверхмалым аспектным отношением с минимальной шероховатостью поверхностей и анизотропией профиля. 3 ил.

Способ плазмохимического травления кремниевых структур, включающий этапы травления кремния, осаждения пассивирующей пленки, распыления ионной бомбардировкой пассивирующей пленки со дна структуры, отличающийся тем, что устанавливают соотношение продолжительностей этапов травления и осаждения не более 3 и последовательностью этапов: сначала проводят этап травления кремния в течение 1-9 с в элегазе с добавлением 5-7% кислорода, затем этап осаждения фторуглеродной пленки из октафторциклобутана в течение 1-3 с, после этап распыления ионной бомбардировкой пассивирующей пленки со дна структуры в смеси аргона и элегаза в течение 0,5-1 с при фиксированном значении мощности ВЧ источника плазмы на всех этапах в диапазоне 700-800 Вт, поддерживая температуру подложкодержателя с пластиной в диапазоне 15-20°С.