Способ ионно-химического травления кремнийсодержащих диэлектрических пленок на кремниевых подложках Советский патент 1993 года по МПК H01L21/3065 

Изобретение относится к полупроволниковому производству и может быть применено при изготовлении кремниевых полупроводниковых планарных приборов и интегральных схем.

Известен способ ионно-химичесчого травления двуокиси и нитрида кромния в потоке фторсодержа1цих ионов и электронов, заключаю1чийся S том, что травление ведут в потоке полом ительных ионов фтористого водорода и продуктов диссоциации аммиака.

Хотя в этом способе скорость трав-ления кремнийсодержащих диэлектрических пленок примерно в 10 раз превышает скорость травления кремниевой подложки, недостаток способа заключается в том, что образующиеся при термической диссоциации фторидов аммония аммиак и фтористый водород взаимодействуют между собой на относительно холодных стенках вакуумпровода с образованием фторида аммония NTl.T в виде твердой фазы Кроме того,

возможно осаждение твердофазного материала на нагретых до температуры ниже

сл tOO К частях вакуумной камеры и обрабатываемых структурах

Устранение этого недостатка требует прогрева всей вакуумной системы до температуры выше О О К, что усложняет аппаратурное оформление

о способа,.

Наиболее близким техническим реJb. шением к изобретению является способ

о ионно-химического травления кремнийюсодержащих диэлектрических пленок

IOO |0 на кремниевых подложках, включающий ионизацию в электромагнитном поле гаяовпго потока, содержащего фтористый

водород и водород, и последуюи у о нейтрализацию положительных ионов о

Содержание в исходном молекулярном потоке фтористого водорода составляет 5-9,5 по объему.

В процессах диссоциации и ионизации па роз IfF с образованием положи- тельных ионов HF имеет место ряд реакций, сопровождающихся образованием Отор-ионов, например

Однако присутствие в потоке значительного числа фтор-ионов приводит к увеличению скорости травления кремния по сравнению с диэлектрическими пленками,

Ионы водорода частично снижают концентрацию фтора в ионном потоке вследствие протекания в нем реакций, например, типа

F -ь е

20 Е + V

HF

В результате по способу-прототипу удается получить соотношение скорос25тей двуокиси кремния.и кремния от 1,2:1 до 12:1 и нитрида кремния и кремния от 1:1 до ,4,5:1

В то же время при одновременном равлении разновысоких пленок окисла кремния и нитрида кремния на кремнии

30 акое соотношение скоростей оказыватся недостаточным для преимущественного травления указанных пленок.

Целью изобретения является обесечение преиму1:1ественного травления

35 иэлектрических пленок в сравнении с травлением материала подложки

Цель достигается тем, что по способу ионно-химическоро травления кремнийспдержащих- диэлектрических

40 пленок на кремниевых подложках,включающему ионизацию в электромагнитном поле газового потока, содержащего фтористый водород и водород, и последую1цую нейтрализацию положительных

45 ионов, в газовый поток вводят гелий или неон в количестве 0,1-70

Су1цность способа заключается в следую1цем.

Газовый поток, состоящий из фтористого водорода, водорода, гелия и неона, вводят в формирователь ионного потока, где в области плазмы при начальном воздействии электронного удара, а далее и при взаимных соударениях ионов, нейтральных молекул и радикалов происходят процессы возбуждения атомов диссоциации молекул и их ионизации типа

20.96-24,44 эВ Не + е Не +е

.- ,. 18.38-21,31 эВ . „ Ne + 3 Ne +е

„ 24,59 эВ т, - л-о Не + е Не +2е

21.56 эВ

Ne-be 2е

НЕч-е 5, И -bF . 3. + e HF-bHe 16,01 эВ р. ; НЕ ч- Ne

. HF .- Н% F

F--fNe%2e Hg + е -i--2§- Н + И + е Н, 15.4..е-ьНе Нч-Не 1§-2§-ЭВ Н- Н.-е.

При этом в области низкотемпературной плазмы смеси молекулярных jHF HI .и инвертных газов (Не или Ne) происходит эффективная пеннинговская ионизация молекулярных газов за счет тушения метастабильных атомов Не или Ne, т.к.- потенциалы первой ионизации молекул фтористого водорода (16,01 эВ) и водорода (15,3 эВ) меньше энергии минималы ного возбуждения атома.гелия: 20,б2 э для перехода парагелия из состояния (1 S -SQ) в метастабильное состояние 2 S -CSg) или 19,82 эВ для перехода в состояние 2 S (3 S) -для ортогелия, а также для атомов неона - 1.8,30 эВ при переходе

2 р - 5„.- 3 Р 1/2..

Для других инертных газов энергия тушения возбужденных атомов значительно ниже 1б эВ и недостаточна для ионизации молекул фтористого водо-л. рода о

Таким образом, введением во входящий газовый поток, содержащий фтористый водород и водород, неона или гелия обеспечивают увеличенное образование ионов HF в общем ионном-поток в дальнейшем положительные ионы переводят преимущественно в молекуля ное состояние путем создания объемного отрицательного заряда электронов в пространстве реакционной камере между плазменным разрядом.и обрабатываемыми структурами. В результате нейтрализации обладающие таким же первоначальным импул сом как и ионы HF молекулы IIF соуда ряются с поверхностью обрабатываемых структур, в результате чего осуществляется травление диэлектрических кремнийсодержащих пленок в соответст ВИИ с реакциями SiF + 2 HgO 4 HF + SiO, 3 SiF + 4 NH3 12 HF + SijN - Ввиду преобладающего образования ионов HF по сравнению с ионами Г и соответственно молекул IIF по сравнению с атомами F в ионно-атомномоле кулярном потоке в конечном счете про исходит усиленное травление кремнийсодержащих пленок по сравнению с кремнием подложки. Примеры конкретного осуи ествления способа. Процесс ионно-химического травления кремнийсодержащих диэлектрически пленок на кремниевых подложках осуществляют в установке типа УРИ.З. 279с053о Определенное количество паров фто ристого водорода помещают в герметич ный резервуар, .термостатируемый с по мощью термостата, Через устройства для дозирования малых расходов газов пары фтористого водорода, водорода, неона или гелия через вакуумпровод поступают в форми рователь ионного потока о В формирователе под воздействием электромаг нитного поля от источника питания создается газовая плазма низкого дав ления, в которой протекают реакции диссоциации, ионизации и др.. С помощ |Ю электрической составляющей электромагнитного поля из плазмы вытягивают поток положительных ионов фтористого водорода и водо рода, гелия или неона о .Нить накала, помещенная о объеме между плазменным разрядом и полупроводниковыми структурами, эммитиру ет. электроны, образующие облако отрицательного заряда, которое ,ейтрализует положительные ионы, переводя их Б атомное и молекулярное состояние „ Нейтрализация ионов, в частности , фтористого водорода необходима для того, чтобы устранить накопление положительного заряда на диэлектрических слоях обрабатываемой структуры. Молекулы фтористого водорода, взаимодействуя с молекулами кремнийсодержащих диэлектрических пленок, производят интенсивное травление последних. Режимы процесса, а также скорости травления полупроводниковых структур с диэлектрическими кремнийсодержащими пленками на кремниевых подложках с кристаллографической ориентацией кремния в плоскости (ш) в зависимости от содержания нейтральных газов (гелия или неона) и водорода в общем газовом потоке показаны в таблице. Изменение содержания, например, гелия в газовом потоке HF + Н Не в диапазоне от 0,1 об. приводит по сравнению с прототипом (HF + Н) к увеличению соотношения скоростей травления, например, двуокиси кремния и кремния в 1,1 1,3 раза и изменяется в пределах от 1,5:1 до 13,5:1о При увеличении содержания гелия выше 70 обо соотношение скоростей травления уменьшается до значения Ц: - нижнего предела селективности травления, которое еще удовлетворяет требованиям технологии производства полупроводниковых приборов на основе кремния. Аналогично изменяется селективность травления и лри изменении содержания Неона в потоке HF+Hg +Ne (см таблицу)„ Применение данного способа позволяет делать сухую фотогравировку по разновысоким слоям окисла или нитрида кремния на кремнии при том же допустимом подтравливании кремния в окнах, вскрытых на ранних стадиях одного и того же процесса ИХТ Полученное .увеличенное соотношение скоростей травления окисла кремния и кремния л/в 1,3 раза позволяет во столько же увеличить разность толщин боабатываемых слоев окисла или

уменьшить травление в окнах, что заметно расширяет диапазон технологических возможностей применения

ИХТ в производстве биполярных и МДП БИС, увеличивает процент выхода годных приборов.

Н,

He+Hj,+HF

Не