Введение к работе
Актуальность темы.
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). Однако, при использовании и развитии плазменных технологий существенное значение приобретает задача обеспечения экологической безопасности используемой технологии.
Наиболее распространенными, эффективными и безопасными плазмообразующими реагентами до сих пор считались углеродсодержащие хладоны и их смеси с кислородом и инертными газами (1). 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 безопасности при дальнейшей утилизации этих масел, поскольку в выхлопных газах насосов в зависимости от технологических режимов может содержаться, например, до 10% СОСЬ, до 30% Clj. Кроме того, к недостаткам галогенсодержащих хладонов можно отнести их активность по отношению к атмосферному озону, которая ведет к увеличению озоновой дыры в атмосфере планеты.
В настоящее время проводится поиск альтернативных экологически безопасных плазмообразующих реагентов и разработка соответствующих технологий ПТ 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.
Ннучнан новизна работы. I. 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 газовых смесях на основе хлора и элегаза, четыреххлористого углерода и элегаза. 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 С 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
/сс//2Улг« «і сук-раздела кремний-окисел после формирования вертикального^нё
превышает 1,1х10"см"2 , а при травлении поликремниевых затворов
плотность эффективного заряда составляет 1.3х10"см'2"
Показано, что данный вид плазменной обработки в некоторых случаях уменьшает плотность поверхностных состояний на фанице 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 очисткк 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 л\час, 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 поликремнкевых 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 оті кОм до 400кОм);
-МОП конденсаторов (удельная емкость 0,4фф\мкм2); -КМОП транзисторов с повышенным напряжением пробоя более 15В).
Результаты внедрены в ГНЦ «Технологический центр» использованы в научно-исследовательских работах по программе ГНЦ Российской федерации на 1991-1997г: «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.№ 8Ф00432); и в межвузовской научно-технической программе "Конверсия и высокие технологии 1994-1996г." по теме «Исследование и разработка плазм охимических процессов формирования субмикронных элементов СБИС в скрещенных ВЧ-электрическом и магнитном полях» (Г.Р.№ 01950007528).
Разработанные в диссертационной работе Рыбачек Е.Н. методики экологически безопасного плазменного травления
кремния и крсмнийсодержащих материалов (методика селективного травления кремния относительно Si02, методика плазменной очистки поверхности кремния перед формированием подзатворного диэлектрика, методика экспериментального исследования влияния плазменной обработки крсмнийсодержащих слоев на электрофизические свойства получаемых структур) используются в учебном процессе кафедры ИЭМ. и УПК ТЦ МИЭТ.
Выше перечисленные результаты легли в основу лабораторных работ по курсам - технология ИМС и технология БИС:
1). Изучение влияния конструкции и технологии на электрические параметры МДП-транзистора.
2). Плаэмохимичсскос травление кремния.
Акты внедрения прилагаются. На защиту выносится:
1. Разработанный и изученный комплекс оборудования и
устройств для экологически безопасного плазменного травления
крсмнийсодержащих материалов в хлорной плазме, состоящий из'
устройства генерации газообразного хлора, реактора магнетронного
реактивно ионного травления в скрещенных ВЧ-элекзрическом и
вращающемся магнитном полях н устройства дезактивации
продуктов реакции.
-
Режимы травления и состав газовой смеси для экологически безопасного анизотропного травления монокрнеталлического кремния.
-
Режимы травления и состав плаэмообразующей смеси для экологически безопасного прецизионного травления в едином
вакуумном цикле поликрнсталлического кремния с областями различного типа проводимости.
4. Результаты экспериментальных исследований влияния
обработки в хлорсодержащих смесях в плазме скрещенных ВЧ-
электрическом и вращающемся магннтномх 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 монокрнсталлическом кремнии при плазменной
обработке в хлорсодержащих смесях.
Апробация работы:
Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийских научно-технических конференциях: «Экология микроэлектроники» Москва, 1990г., «Электроника и информатика» Москва, 1995г. и 1997г., на 2-м Международном симпозиуме «Теоретическая и прикладная плазмохимия» Иваново, 1995, Научно-технической конференции для студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» Москва, 1995г.
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:
