Экологически безопасное плазменное травление кремния и кремнийсодержащих материалов для формирования элементов БИС

Процессы плазменного травления (ПТ) различных материалов в настоящее время во многом определяют перспективы развития современных наукоемких технологий — создание изделий микроэлектроники и микромеханики. Решающим преимуществом плазменного травления перед традиционными жидкостными методами является возможность осуществления анизотропного травления. При ПТ высокая степень анизотропии обуславливается направленным воздействием потоков активных частиц, генерируемых в неравновесных электрических разрядах на поверхность материала вне зависимости от ее кристаллографического строения (монокристаллы различной ориентации, поликристаллические и даже аморфные материалы). Кроме того, другими преимуществами методов сухого травления, стимулирующими развитие этого направления в технологии производства ИС, являются широкие возможности управления ходом процесса (автоматизация процессов путем введения датчиков контроля различных параметров плазменного разряда, датчиков окончания процесса травления каждого функционального слоя).

Наиболее распространенными, эффективными и безопасными плазмообразующими реагентами до сих пор считались углеродсодержащие хладоны и их смеси с кислородом и инертными газами (1). Но последние исследования показали, что в выхлопе установок плазменного травления могут содержаться вещества отрицательно воздействующие на человеческий организм и на окружающую среду (2). Указанные выше газы, проходя через насосы, растворяются частично в маслах, вызывая их деградацию. Смена масла, содержащего токсичные вещества (хлор, фосген и др.) требует выполнения особых правил безопасности персонала и специальных мер дальнейшей утилизации этих масел. В выхлопных газах насосов в зависимости от технологических режимов может содержаться до 10% СОС12, до 30% С12. К недостаткам галогенсодержащих хладонов можно отнести их активность по отношению к атмосферному озону, которая ведет к увеличению озоновой дыры в атмосфере планеты (3,4).

В настоящее время проводится поиск альтернативных экологически безопасных плазмообразующих реагентов, которые могли бы обеспечить результаты, по крайней мере, не хуже существующих.

В связи с этим целью диссертационной работы являлось исследование и разработка экологически безопасных процессов плазменного травления кремния и кремнийсодержащих материалов в газовых смесях на основе безуглеродных парогазовых реагентов для создания элементов БИС.

Научная новизна проведенной работы:

1. Проведен анализ и показана перспективность использования плазмообразующих газовых смесей на основе хлора, полученного при помощи промышленных устройств генерации СЬ из твердых малотоксичных солей щелочных металлов, меди и свинца, для травления кремнийсодержащих материалов.

2. Изучен химический состав плазмы и особенности магнетронного реактивно ионного травления кремния в скрещенных электромагнитных полях в плазмообразующих реагентах на основе хлора, смеси хлора и элегаза, четыреххлористого углерода и смеси четыреххлористого углерода с элегазом. Показано, что продукты реакции смесей на основе газообразного хлора легче поддаются дезактивации и не вносят дополнительных дефектов в обрабатываемую поверхность по сравнению с широко используемыми парогазовыми смесями, содержащими четыреххлористый углерод.

3. Исследованы химические компоненты выхлопных газов в зависимости от состава хлорсодержащей смеси в плазме скрещенных электромагнитных полей и разработано устройство дезактивации вредных компонентов, основанное на улавливании хлора и его соединений нагретой до 300 °C медной поверхностью.

4. Изучены экспериментальные зависимости скорости, анизотропии, селективности к маске и к нижележащему слою, а также равномерности травления кремния и кремнийсодержащих материалов от магнитной индукции, мощности ВЧ-генератора, рабочего давления в реакторе и плазмообразующей смеси при обработке в плазменном разряде в скрещенных электромагнитных полях

5. Исследовано влияние магнетронного реактивно ионного травления в плазме хлора и его смесей с элегазом и аргоном на электрофизические параметры обрабатываемых структур. Установлено, что плотность поверхностных состояний на границе

раздела кремний-окисел после формирования вертикального конденсатора не превышает 1,1×1011 см" 2, а при травлении поликремниевых затворов плотность эффективного заряда составляет 1.3×10псм~2'

Показано, что этот вид плазменной обработки в некоторых случаях уменьшает плотность поверхностных состояний на границе раздела кремний-диэлектрик и частично компенсирует положительный заряд в диэлектрике.

Практическая значимость:

1. Разработан комплекс экспериментального оборудования и устройств для экологически безопасного плазменного травления кремния и кремнийсодержащих материалов в газовых смесях на основе хлора. Который состоит: из реактора высокоплотной плазмы, генератора газообразного хлора и устройства очистки выхлопных продуктов реакций.

2. Проведена оптимизация конструкции реактора для плазменного травления кремнийсодержащих материалов в скрещенных электромагнитных полях. На основе экспериментальных результатов выбрано оптимальное расстояние между электродами — 45 мм и расход охлаждающего газа гелия — 0,5 лчас, обеспечивающие хорошую производительность, воспроизводимость и равномерность процессов травления.

3. Разработаны экологически безопасные процессы анизотропного травления монокристаллического кремния для создания самосовмещенных, сверхбыстродействующих ИС с субмикронными размерами элементов и вертикально-интегрированных элементов СБИС.

4. Разработаны экологически безопасные процессы прецизионного травления поликремниевых элементов при формировании МОП-структур.

5. Исследовано влияние геометрических параметров и материала маскирующих слоев на скорость травления и геометрическую форму углублений в монокристаллическом кремнии при травлении в хлорсодержащих смесях. Показано, что использование в качестве маски тонких 0,06−0,1мкм пленок хрома дает возможность получать вертикальные канавки в кремнии глубиной до 15мкм шириной 0,8−1,0мкм.

Реализация результатов работы:

Разработанные процессы травления кремния и кремнийсодержащих слоев были использованы для:

— создания СБИС с высокой степенью интеграции- -изготовления высокоомных поликремниевых резисторов (номинал от1кОм до 400к0м;

— МОП конденсаторов (удельная емкость 0,4ффмкм) — -КМОП транзисторов с повышенным напряжением пробоя (более 15В). Результаты внедрены в ГНЦ «Технологический центр» и использованы в научно-исследова-тельских работах по программе ГНЦ Российской федерации НПК «Технологический центр» МИЭТ на 1991;1997 гг: «Разработка и исследование возможности создания технологии изготовления ячейки ДОЗУ на основе вертикальных конденсатора и МОП транзистора на базе серийного технологического оборудования отечественного производства» (Г.Р.№" 8Ф432) — и в межвузовской научно-технической программе «Конверсия и высокие технологии 1994;1996 гг» по теме «Исследование и разработка плазмохимических процессов формирования субмикронных элементов СБИС в скрещенных ВЧ-электрическом и магнитном полях» (Г.Р.№ 1 950 007 528).

Акты внедрения прилагаются.

На защиту выносится:

1. Разработанный и изученный комплекс оборудования и устройств для экологически безопасного плазменного травления кремнийсодержащих материалов в хлорной плазме, состоящий из устройства генерации газообразного хлора, реактора магнетронного реактивно ионного травления в скрещенных ВЧ-электрическом и вращающемся магнитном полях и устройства дезактивации продуктов реакции.

2. Режимы травления и состав газовой смеси для экологически безопасного анизотропного травления монокристаллического кремния.

3. Режимы травления и состав плазмообразующей смеси для экологически безопасного прецизионного травления в едином вакуумном цикле поликристаллического кремния с областями различного типа проводимости.

4. Результаты экспериментальных исследований влияния обработки в хлорсодержащих смесях в плазме скрещенных электромагнитных полей на электрофизические характеристики границы раздела кремний-диэлектрик при формировании МОП-структур.

5. Результаты исследования влияния материала маскирующих слоев на скорость анизотропного травления и геометрическую форму канавок в монокристаллическом кремнии при плазменной обработке в хлорсодержащих смесях.

Апробация работы: Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийских научно-технических конференциях: «Экология микроэлектроники» Москва, 1990 г., «Электроника и информатика» Москва, 1995 г. и 1997 г., на 2-м Международном симпозиуме «Теоретическая и прикладная плазмохимия» Иваново, 1995, Научно-технической конференции для студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» Москва, 1995 г.

Публикации: основные материалы изложены в 3-х статьях и 7-ми докладах на научных конференциях, по результатам работы получено два авторских свидетельства.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы: 161 страница, 13 таблиц, 48 рисунков. Библиография включает 101 наименование.

5.4. Выводы.

Применение методов плазменного травления в экологически безопасной системе обработки позволяет формировать структуры с меньшими размерами и более высокими качеством и надежностью, чем ИС изготовленные на традиционном оборудовании. Так, например, при создании МОП-транзисторов дает возможность реализовать шаг разводки 4−6 мкм и снизить толщину изолирующего диэлектрика под поликремниевым затвором до 0,02−0,03 мкм, что в свою очередь влечет за собой увеличение быстродействия микросхем. К тому же этот метод обработки позволяет формировать элементы ИС с субмикронными размерами, управляемым профилем травления и минимальными привносимыми дефектами.

Проведенные исследования показывают, что плазменные процессы в экологически безопасной системе обработки обеспечивают хорошую селективность к нижележащим слоям, высокую анизотропию и скорость травления. К тому же они незначительно воздействуют на электрофизические свойства обрабатываемых структур.

Заключение

Основные результаты проделанной работы:

1. Разработан и испытан комплекс оборудования и устройств для экологичеки безопасного травления кремния и кремнийсодержащих материалов в хлорной плазме. Комплекс состоит из:

— реактора высокоплотной плазмы для магнетронного реактивно ионного травления в скрещенных электрическом и магнитным полях;

— устройства генерации хлора из не токсичных твердых продуктов (хлоридов меди, олова, цезия и щелочных металлов), вырабатывающие хлор непосредственно во время травления в количестве необходимом для проведения процесса (0,5−1,5 лчас).

— устройства очистки продуктов реакции травления в хлорной плазме от хлорсодержащих компонентов, позволяющий значительно снизить вероятность попадания вредных газообразных веществ в атмосферу.

— приборов диагностики и контроля состава газовой среды в реакторе и на выходе из откачной системы установки.

2. Исследован химический состав газообразных продуктов реакций травления кремния в хлорной плазме и разработано устройство очистки выхлопа от хлорсодержащих копонентов.

3. Разработаны процессы анизотропного травления монокремниевой подложки, позволяющие формировать канавки в кремнии шириной 0,5−1,5мкм глубиной 10−15мкм.

4. Разработаны процессы травления поликристаллического кремния с областями различного типа проводимости в едином вакуумном цикле, дающий возможность одновременно формировать поликремниевые резисторы и затворы МОП-приборов с субмикронными размерами.

5. Исследовано влияние плазменного травления в скрещенных электромагнитных полях на электрофизические характеристики формируемых МОП-структур. Показано, что разработанные процессы травления уменьшают плотность эффективного зяряда, напряжение плоских зон и плотность поверхностных состояний, что дает возможность создавать приборы с большим быстродействием.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

Разработанные процессы плазменного травления кремния и кремнийсодержащих материалов позволяют формировать структуры с меньшими размерами и более высокими быстродействием и надежностью, чем ИС изготовленные традиционными способами. Так, например, при создании МОП-транзисторов возможно реализовать шаг разводки 4−6 мкм и снизить толщину изолирующего диэлектрика под поликремниевым затвором до 0,02−0,03 мкм, что влечет за собой увеличение быстродействия микросхем. К тому же эти процессы могут быть использованы для создания самосовмещенных СБИС с высокой степенью интеграции, а также для изготовления: высокоомных резисторов (номинал от 1 до 400к0м) — МОП конденсаторов (удельная емкость 0,4 ффмкм2) — КМОП транзисторов с повышенным напряжением пробоя (более 15В).

Таким образом, в результате проделанной работы разработаны технологические процессы экологически безопасного плазменного травления кремния и кремнийсодержащих материалов, обеспечивающие высокую скорость обработки, анизотропию и селективность к нижележащим слоям, которые используются для создания СБИС.