Введение к работе
Актуальность темы. Микроэлектроника является катализатором научно-технического прогресса для всех важнейших отраслей промышленности и науки, а уровень развития и объемы производства ее основных изделий - интегральных схем (ИС) во многом характеризуют экономический, оборонный и культурный потенциал страны.
Ключевой технологической проблемой микроэлектроники в ближайшее десятилетие является освоение промышленного производства кремниевых СБИО и УБИС (сверх- и ультрабольших ИС) со степенью интеграции Юб-10а элементов на кристалл, с минимальными размерами элементов (0,35-1,2) мкм и площадью кристалла (0,65-2,0) см2.
Основой в разработке и освоении промышленного производства СБИС и УБИС является создание оборудования со стабильными технологией скими характеристиками, обеспечивающими получение ИС с элементами субмикронных размеров при высоком показателе выхода годных.
Существенное место в технологии микроэлектроники при реализации травления топологических элементов ИС с высоким разрешением занимает плазмохимическое (ПХ) и ионно-плазменноо (МП) оборудование. В ПХ оборудовании процессы травления на основе высокочастотного (ВЧ) разряда пониженного давления реализуются в рабочих камерах, получивших название реакторы.
Плазмохимические процессы, протекающие в реакторах, представляют собой сложные, много^актсрные явления. Данные процессы включают в себя механизмы взаимодействия частиц в объеме ВЧ плазмы, на границе плвзма-обрабатываемый объект, на границе плазма-конструкционные элементы реактора.
Без детального изучения и исследования механизмов и кинетики физико-химических взаимодействий и их особенностей в плазменных
_ % «
планарных.реакторах, представляющих собой наиболее распространенный тип разрядной системы в серийных установках' ПХ травления, невозможны успешные разработки технологических процессов и оборудования сухого размерного травления (СРТ) функциональных слоев для изготовления ИО с.субмикронными размерами элементов.
;Планарные реакторы в силу их универсальности при эксплуатации и технологичности при изготовлении до настоящего1 времени остаются одними из широко используемых в промышленном оборудований.
Необходимость совершенствования конструкции ПХ реакторов с целью достижения высоких технологических характеристик травления делает крайне актуальной проблему исследования механизмов и кинетики физико-химических процессов в планарных реакторах.
Цель работы - исследования физико-химических процессов гене
рации и гибели частиц в объеме плазмы ВЧ разряда пониженного дав
ления и на поверхностях планерного диодного реактора для установ
ления особенностей возбуЗДения разряда и поддержания характерис
тик плазмы на заданном уровне, взаимодействия плазменной сре
ды с материалами внутренних элементов реактора и обрабатываемыми
изделиями, ' .'..'."'-
Задачи исследования. Для достижения поставленной-цели в
работе решаются следующие задачи:- ... '
экспериментальные исследования в пленарном реакторе в ВЧ разряде Аг пониженного давления.закономерностей радиального распределения внутренних параметров плазмы (электронные плотность Ne и температура "$е), связи средней массовой, температуры газа (Т ) с внешними операционными параметрами, особенностей прост-,, ранственного распределения "характеристического излучения плазмы в межэлектродном зазоре; -.'>
экспериментальные исследования зависимости распределения энэрговыделения в планарном реакторе вводимой в'разряд в sf6 ВЧ
-"б -
мощности от внешних операционных параметров;
разработка инженерной методики оптимизации геометрической конфигурации пленарной диодной разрядной системы на основе простой модели энерговыделения ВЧ мощности в объеме ГОС реактора;
определение вероятностей (7ГР) и констант скорости (К ) гибели атомов фтора (F) на различных конструкционных.материалах
в плазме sPg в широком диапазоне внешних операционных параметров;
экспериментальные исследования зависимости пространственного распределения концентрации р в межэлектродном зазоре в ВЧ плазме sf6 от операционных параметров разряда и материала элементов рабочей, камеры;
исследования влияния материала покрытия электрода-подложко-деркателя в ВЧ плазме sfq на технологические характеристики процесса травления кремния, концентрацию атомов фтора в приэлектрод-ной области разряда и тенденции изменения концентраціш высокоэнергетических электронов, .
Для исследования цлазмы использовались метод оптической - эмиссионной,, спектроскопии с элементами актинометрии (включая актинометрию о временным разрешением), метод электростатических-зондов Лецгмюра, метод контроля за плазменной средой по состоянию тестовых образцов. :'.-
Стабилизация температуры внутренних элементов реактора и
как следствие этого стабилизация физико-химических характе
ристик разряда осуществлялась специально разработанным холо
дильным термостатом. '.
Нау-гная новизна работы, состоит в следующем: ' I.Впервые определены вероятности гибели атомов фтора в ВЧ плазме.пониженногодавления в смеси SF6+2,5^Ar для различных материалов: si (пластина КДБ-ІО(ІОО)), фторопласт-4, АМг2Мі ситзл типа ''Маоог", кварцевое стекло'-КВ, сталь I2XI8HIQT, W, А1го3,
Zro , Nbxo [xv2, yv5], -керамические композиции sic-AiN-Y2o3 и 5i,N,-Y0o„-A:uo_, а также закономерности их изменения в зависи-мости от уровня вводимой в разряд ВЧ мощности (ffd=I9-200 Вт), давления газа (Р=20-100 Па); межэлектродного зазора (Н=30-52 мм). Проведено сравнение вероятностей гибели. Р на si и АМг2М, полученных в плазме и послесвечении.
2. В результате,исследованр3 ВЧ плазмы Аг пониженного давле
ния (Р=ЗІ,9 Па) в планарном диодном ассимметричяом реакторе
обнаружены!
эффект вытеснения плазмы из центра реактора на периферию при сближении электродов с одновременным увеличением вводимой в разряд ВЧ мощности;
взаимосвязанные эффекты повышения интенсивности излучения характеристической линии Аг в зоне "отрицательного свечения" к аномального нагрева газа' при определенных операционных парамет- pax (Н=40 мм; W=I00-200 Вт). '
-
В зависимости от wd и Н определена средняя массовая температура газа в ВЧ разряде.Аг, которая в исследуемом диапазоне операционных параметров составляла значения 316-356 К.
-
Исследовано распределение энерговыделения вводимой в разряд ВЧ мощности в рабочем газе, на потенциальном и заземленном электроде-подложкодёржетеле, на заземленных частях реактора в ВЧ плазме в смеси SF6+2,5%Ar в диапазоне уровня ВЧ мощности 100-500 Вт, давления рабочего газа 32-100 Па, межэлектродного зазора 20-52 мм.
-
Показано влияние материала покрытия заземленного электро-, да-подлжкодержателя (АМг2М, si, w, ZrO,, Nbxo [зл-2, у-^5], Sic~AiN-YEo3, si3N4-Y2o -ai2o3) в планарном диодном реакторе на . технологические характеристики травления кремния тина КДБ-Ю(ЮО) в смеси SF +2,5%Аг в ВЧ плазме пошшешюго давления (32 Па),
тенденции изменения концентрации быстрых электронов с пороговой энергией 1Ь>13,5 эВ, относительную концентрацию атомов фтора в разряде.
6. Исследовано пространственное распределение концентрации атомарного фтора в межэлектродном зазоре в диодном пленарном ас-симметричном реакторе из алюминиевого сплава АМг2М, при наличии в зоне плазмы' технологической накладки из sic-Air<-Y2o , наличии загрузочного эффекта в ВЧ плазме пониженного давления (32 Па) в смеси sf6+2,5J6At в широком диапазоне внешних операционных условий генерации разряда (wd=I0Q-350 Вт, Н=20-52 мм). Показано, что наработка F в.ллазме определяется во многом конкуренцией двух механизмов (гененрация электронами плазмы или высокоэнергетическими катодными электронами), а переход от одного механизма к другому связан с внешними операционными параметрами разряда.
Практическая ценность работы:
1. Разработан и внедрен холодильный термостат для тепловой
стабилизации электрода-годложкодержателя, позволяющий уменьшить
тепловые нагрузки на внутренние элементы реактора и обрабатыва
емые в плазме технологические объекты, значительно повысить-
воспроизводимрсть процессов травления и стабилизировать кинетику
реакций в активном объеме рабочей камеры.
2. На основе предложенной простой модели энарговнделания ВЧ
мощности в объеме ПХ реактора разработана инженерная методика оп
тимизации геометрической конфигурации пленарной диодной разрядной
системы. Инженерная методика позволяет настроить внешние операционные параметры разряда на достижение требуемых значений внутренних физических характеристик плазмы при оптимизации конфигурации разрядной электродной системы диодного реактора и отработке заданной технологической операции травления.
3. Определены тепловые нагрузки на внутренние конструкционные
-о -
элементы реактора и КЦЦ вклада мощности в исходный рабочих газ,
на основе которых сформулированы технические требования при
разработке системы термостабилизации конструктива рабочих камер
установок ПХ травления. ' _
4.Разработана методика измерения вероятностей и констант скорости гибели атомов фтора с помощью двух модификаций актинометрии с временным разрешениемв плазме и послесвечении, а также показана ее эффективность для смеси бр6+2,Б;6Аг.
. Б. Впервые получены значения вероятности гибели атомов F в плазме на различных материалах и установлены закономерности воздействия материалов внутренних элементов рабочей камеры на состояние фторсодержащей плазменной среды, что открывает возможности целенаправленного выбора наиболее перспективных конструкционных материалов для плазмохимических.реакторов.
Достоверность результатов. .
Достоверность полученных экспериментальных и теоретических результатов исследований обусловлена не противоречием данных результатов известным и апробированным постулатам химической кинетики, газодинимики, молекулярной физики, физики газовых разрядов и подтверждается контрольными экспериментами, количественными оценками погрешностей измерений и регулярными аттестациями диагностического оборудования.
На защиту выносятся следующие основные положения;
.1. Значения вероятностей и констант скорости гибели атомов фтора на различных конструкционных материалах в ВЧ плазме пониженного давления в смеси ВР6+2,5ЯАг и в послесвечении в широком . диапазоне операционных параметров разряда (давление Р, мощность wd, межэлектродный зазор Н), полученные в результате экспериментальных исследований и открывающие возможность целенаправленного выбора конструкционных материалов для ПХ реакторов.
-
Закономерности энерговыделения в рабочем газе, на потенциальном и заземленном электроде-подложкодержателе в планарном ас-симметричном диодном реакторе в ВЧ плазме пониженного давления в смеси s?6+2,5%kr в широком диапазоне операционных параметров разряда (р, wd, Н), определяющие энергоэффективность планарного реактора.
-
Результаты исследования влияния материалов покрытия элек-трода-подложкодержателя в ВЧ плазме SF6+2,5#Ar на технологические характеристики травления кремниевой пластины, тенденции изменения концентрации быстрых электронов с энергией tb>13,5 эВ и относительную концентрацию атомов фтора в межэлектродном зазоре в планарном ассимметричном диодном реакторе, позволяющие оптимизировать процесс ПХ травления si.
-
Полученные зависимости средней массовой температуры газа в ВЧ плазме аргона от операционных параметров разряда (wd, Н), характеризующие особенности генерации разряда в планарном реакторе.
-
Закономерности вытеснения плазмы из центра диодного реактора на периферию при сближении электродов и увеличении вводимой в разряд ВЧ мощности, зарегистрированные на основе измерений внутренних параметров плазмы (электронные температура и плотность) в "положительном столбе" ВЧ разряда аргона.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах НЖШ, лаборатории СТИМО МИЭТ, ВНИШГРИ, ФТИРАН, докладывались на 2-ой научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника" (г.Гурзуф, октябрь 1995 г.), Ш-ем Российско-китайском симпозиуме "Актуальные проблемы современного материаловедения" (г.Калуга, октябрь 1995 г.).
Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 2-х научно-технических отчетах по HMF, 3-х статьях, 1-м препринте, тезисах 4-х докладов на конференциях.
--1U- —
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти Ллав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Диссертация изложена на ІЄЗ страницах основного текста, содержит 49 рисункоь и 8 таблиц к основному тексту, список литературы из 150 наименований и 3 приложения.
