Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ 11
Анизотропное травление 12
Удаление и травление фоторезиста 30
Влияние плазменных обработок на зарядовые характеристики структур 38
1.4. Безэлектродный разряд низкого давления 45
ГЛАВА 2. ПЛАЗМОХРІМИЧЕСКОЕ УДАЛЕНИЕ ФОТОРЕЗИСТА
ВНЕ ЗОНЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ РАЗРЯДА 58
Особенности ПХУ фоторезиста в системах с индивидуальной обработкой пластин 58
Исследование характера локализации плазмы при высоком давлении 65
Разработка реактора высокого давления для ПХУ фоторезиста с пластин большого диаметра 75
ГЛАВА 3. РЕАКТОР ВЫСОКОПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ И
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ РЕАЛИЗУЕМЫЕ В НЕМ 99
Исследование ВЧ-разряда низкого давления в системе с индукторным возбуждением 99
Оптимизация технологического процесса ПХУ фоторезиста в реакторе высокоплотной плазмы 113
Удаление органо - неорганических остатков после реактивно — ионного травления технологических слоев 128
3.4. Изотропное травление диэлектрика 133
ГЛАВА 4. РЕАКТОР И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ИОШО-СТИМУЛИРОВАННОГО ТРАВЛЕНИЯ 138
Реактор с активизацией газа при низком давлении и независимым смещением на подложке 138
Разработка технологического процесса анизотропного травления кремния 144
Теоретический расчет профиля травления канавок в кремнии...154
4.4. Сухое проявление фоторезистивных пленок 160
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 170
ЛИТЕРАТУРА 173
ПРИЛОЖЕНИЯ 187
Приложение 1. Описание электрических схем макетов устройств для
измерения плавающего потенциала зонда и контактных измерений
потенциала поверхности образцов 188
Приложение 2. Программы для ЭВМ 193
Программа расчета профиля травления канавок в кремнии 194
Программа расчета глубины травления канавки в кремнии в зависимости от ее ширины 196
Приложение 3. Акты производственных испытаний технологических
процессов и установок 197
3.1. Протокол аттестационных испытаний процесса
плазмохимического удаления ф/р на установке
"Плазма 150М" 198
Акт испытаний установки удаления фоторезиста, разработанной в рамках ОКР "Плазма— 150 А" 202
Предварительный отчет по испытаниям установки удаления фоторезиста "Плазма— 150 А" по технологическим параметрам 204
Введение к работе
Актуальность темы. Плазменная технология или технология сухого травления — один из новейших методов обработки полупроводниковых пластин, получивший широкое практическое применение в производстве СБИС. В настоящее время наступил новый этап в развитии плазменных методов обработки. Производство СБИС высокой степени интеграции (1М и выше), с размерами микроструктур менее 1мкм, ставит перед разработчиками новые задачи, которые невозможно решить в традиционных системах плазменной обработки. К таким задачам в первую очередь относятся:
1. Удаление фоторезиста без радиационных повреждений обрабатываемой
поверхности.
Проблема заключается не столько в снятии фоторезиста, сколько в том, чтобы не повредить находящуюся под ним структуру, так как обработка полупроводниковых пластин в традиционных плазменных системах приводит к ухудшению свойств границы раздела Si-SiC>2 и пробою тонкого (<20 нм) подзатворного диэлектрика.
2. Сухое проявление фоторезиста.
Использование традиционного однослойного резиста даёт низкое качество субмикронной литографии. Одной из основных задач субмикронной литографии является достижение необходимой разрешающей способности на подложках с развитым поверхностным рельефом, когда слой резиста имеет значительные изменения по толщине. Проблема, сдерживающая широкое применение для этих целей плазменных технологий, заключается в недостаточной проработке технологических процессов и реакторных систем для их реализации.
3. Травление глубоких канавок в кремнии.
Производство СБИС с уровнем интеграции 4М и выше требует создания микроструктур сложной архитектоники, что приводит к необходимости решения такой сложной технологической проблемы, как формирование в
монокристаллическом кремнии канавок с глубиной порядка 5 -г 10 мкм и вертикальными стенками.
При повышении степени интеграции ИС и переходе к технологии формирования элементов СБИС субмикронных размеров на первое место выходят требования по снижению дефектности в обрабатываемых структурах ИС. При этом одновременно возрастают требования по повышению анизотропии и селективности при сохранении высокой скорости обработки на пластинах большого диаметра. Эти требования являются противоречивыми. Высокая анизотропия достигается направленной ионной бомбардировкой, а в существующих процессах ионы, как правило, обладают высокой энергией и вследствие распыления слоев снижают селективность травления. Кроме того, высокоэнергетическая ионная бомбардировка приводит к дефектам в обрабатываемых структурах.
Вследствие этого данная работа, направленная на поиск технических решений по созданию технологических процессов и реакторных систем плазменной обработки низкоэнергетическими химически активными частицами при расположении пластины вне зоны локализации плазмы или частицами с регулируемой энергией, является весьма актуальной для производства СБИС.
Диссертация является частью комплексных исследований, проводимых в ОАО «НИИПМ» в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ: «Кальций» «Исследование применяемости контроля ряда технологических параметров в установках плазмохимического травления» (Гос. per. № 46911), «Континент 212-1» «Создание экспериментальных образцов реакторных модулей для индивидуального плазмохимического, реактивно-ионного, ионного травления плёнок и удаления фоторезиста»(Гос. per. №У01062), «Корпус» «Исследование и разработка технологического процесса для анизотропного глубинного травления монокремния» (Гос. per. №46911), «Комплекс 212» «Разработка средств контроля и систем управления основными технологическими параметрами в реакторах ПХТ» (Гос. per. №
б У33277), «Плазма- 150А» «Разработка и изготовление установки удаления фоторезиста для технологии СБИС субмикронного уровня», проводимой в рамках совместной российско-белорусской научно-технической программы «Создание и серийное производство автоматизированных систем управления бортовой радиолокационной аппаратуры, изделий бытовой радио- и электротехники», подпрограмма «Разработка и освоение серий цифровых, цифро-аналоговых и аналоговых интегральных микросхем для аппаратуры специального назначения и двойного применения», раздел «Технология для создания интегральной элементной базы», а также в рамках договоров с НПО «Интеграл» (г. Минск) и ОАО «НИИМЭ и Микрон» (р, Москва, ґ. Зеленоград).
Цель работы - разработка и оптимизация новых технологических процессов и реакторов с использованием плазмы для удаления фоторезиста, сухого проявления фоторезиста и травления глубоких канавок в кремнии, пригодных для технологии формирования элементов СБИС и обеспечивающих минимальные радиационные повреждения при высокой скорости, анизотропности и селективности травления, оснащение ими технологических установок для массового производства ИС.
В соответствии с целью в работе были поставлены следующие задачи:
Исследовать кинетику плазменного удаления фоторезиста вне зоны локализации разряда и разработать реактор для обработки пластин в послесвечении плазмы высокочастотного разряда;
Исследовать влияние технологических и конструктивных параметров системы с разделением зон активации газа и реакции на устойчивость пространственной локализации плазмы и потенциал в зоне обработки;
Определить возможные причины пробоев тонкого (< 13 нм) оксида кремния при удалении фоторезиста вне зоны локализации разряда;
Разработать и оптимизировать технологические процессы: удаления фоторезистивных плёнок без радиационных повреждений обрабатываемой
поверхности, удаления полимерных плёнок после плазмохимического травления и изотропного травления диэлектрика;
Исследовать особенности высокочастотного возбуждения и поддержания высокоплотной низкотемпературной плазмы при пониженном давлении, разработать реактор для ионно-стимулированного травления;
Исследовать технологические особенности анизотропного травления кремния и фоторезиста, разработать технологические процессы травления глубоких канавок в кремнии и сухого проявления фоторезиста;
Разработать математическую модель формирования профиля травления канавок в кремнии при ионно-стимулированном травлении;
Научная новизна.
Предложен способ, изучена кинетика процесса и оптимизирована технология высокоэффективного удаления фоторезиста вне зоны локализации разряда.
Предложена методика оценки уровня радиационных повреждений обрабатываемой поверхности при плазмохимическом удалении (ПХУ) фоторезиста вне зоны локализации разряда и установлена корреляция частоты пробоев тонкого (< 13 нм) оксида кремния с потенциалом плазмы в зоне обработки.
Разработана методика измерения контактным методом потенциалов, возникающих на образцах в процессе удаления фоторезиста с их поверхности.
Разработана модель формирования профиля травления канавок в кремнии при ионно-стимулированном травлении.
Разработан технологический процесс высокоскоростного высокоанизотропного травления глубоких канавок в кремнии без использования полимеробразующих газов, удовлетворяющий требованиям производства ИС высокой степени интеграции (4М и выше).
Показано, что при формировании структур с размерами порядка 0,5 мкм при использовании метода локального силилирования экспонированных пленок
фоторезиста сухое проявление фоторезиста необходимо проводить в реакторе с высокоэффективным возбуждением плазмы при давлении 3-Ю'2 Па и смещении на подложкодержателе -60 -г -100 В.
7. Установлено, что тлеющий разряд, возбуждаемый в индукторе на частоте 13,56 МГц в диапазоне давления 5-Ю"2 ч- 130 Па, может существовать в форме безэлектродного кольцевого разряда («Н»- разряда) при выполнении условия:
nnD где: U — напряжение на индукторе, В; п - количество витков индуктора; D — внутренний диаметр индуктора, см.
Практическая значимость работы.
В результате проведённых исследований разработаны следующие технологические процессы и реакторы для индивидуального плазмохимического травления:
Технологический процесс и реактор для скоростного удаления фоторезиста в потоке активированного в плазме кислорода, установленный на установках «Плазма НД 125Ф», «Плазма НД 125ПМ»;
Технологический процесс и реактор для удаления фоторезиста в потоке активированной смеси кислорода с аргоном без пробоя тонкого (<13 нм) оксида кремния, установленный на установки «Плазма 150М» и «Плазма НД 150 МФ»;
Реактор высокоплотной плазмы, установленный на автоматической установке «Плазма 150А», позволяющий реализовать следующие технологические процессы: скоростного равномерного удаления фоторезиста с пластин диаметром 150 мм без радиационных повреждений обрабатываемой поверхности, удаления полимерных остатков после плазмохимического травления, изотропного травления контактных окон в диэлектрике;
Реактор и технологические процессы травления канавок в кремнии и сухого проявления фоторезиста.
5. Представленные в работе программы для расчета профиля травления канавок в кремнии могут быть использованы при разработке технологических процессов ионно-стимулированного травления материалов.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы использованы при разработке и изготовлении установок ОАО «НИИПМ» г. Воронеж: «Плазма НД 125Ф», «Плазма 150М», «Плазма НД 125ПМ», «Плазма НД 150МФ», «Плазма 150А», внедрённых на предприятиях, осуществляющих серийное производство ИС: НИИИЭТ (г. Воронеж), ЗАО «ВЗПП - Микрон» (г. Воронеж), НПО «Интеграл» (г. Минск), ОАО «НИИМЭ и «Микрон» (г. Москва, Зеленоград).
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
1. Тлеющий разряд, возбуждаемый в индукторе на частоте 13,56 МГц в
диапазоне давления 5-10' -J- 130 Па, может существовать в форме
безэлектродного кольцевого разряда при выполнении условия: U/mtD > 7,5 ,
где: U - напряжение на индукторе, В; п — количество витков индуктора; D —
внутренний диаметр индуктора, см.
При формировании структур с размерами порядка 0,5 мкм с использованием метода локального силилирования экспонированных на длине волны 336 нм пленок фоторезиста сухое проявление необходимо проводить в реакторе с высокоэффективным возбуждением плазмы при давлении порядка 3-10" Па и напряжении низкочастотного смещения на подложкодержателе -60 -f- -100 В.
Модель формирования профиля травления канавок в кремнии, учитывающая влияние ионной бомбардировки поверхности, результаты расчетов.
Способы удаления фоторезиста с тонкого оксида кремния (толщиной 13 нм) без электрических пробоев и внесения встроенного заряда в полупроводниковые структуры, при реализации которых технологический процесс осуществляется вне зоны локализации разряда с контролем потенциала пространства в зоне обработки.
5. Новая конструкция реактора высокоплотной плазмы, работающего на
частоте 13,56 МГц, позволяющий реализовать следующие технологические
процессы обработки пластин диаметром 150 мм:
-удаление фоторезиста без радиационных повреждений обрабатываемой
поверхности со скоростью до 4 мкм/мин и неравномерностью менее ± 5%;
-удаление полимерных остатков после плазмохимического травления с
селективностью более 1000:1 по отношению к нижележащим слоям
поликремния, Si3N4, Si02;
-изотропного травления контактных окон в БФСС со скоростью более
0,3 мкм/мин.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: VI конференции молодых учёных и специалистов «Разработка и изготовление твердотельных изделий электронной техники» (Москва, 1985 г.); второй Всероссийской конференции с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 1995г.); Юбилейной 2-ой научно-технической конференции АООТ «НИИМЭ и «Микрон» «Разработка, технология и производство полупроводниковых микросхем» (г. Москва, Зеленоград. 1999г.); Осенней сессии Межотраслевой 5-ой научно-технической конференции АООТ «НИИМЭ и «Микрон» «Разработка, технология и производство полупроводниковых микросхем» (г. Гурзуф, 2002 г.); Межотраслевой 6-ой научно-технической конференции АООТ «НИИМЭ и «Микрон» «Разработка, технология и производство полупроводниковых микросхем» (г. Москва, Зеленоград, 2003 г.); Региональной научно-технической конференции «Системы и элементы роботизированных комплексов» (г. Воронеж, 2003 г). Публикации.
По теме диссертации опубликовано 26 работ. Личный вклад автора. Автором самостоятельно получены, обработаны и проанализированы все основные результаты, выносимые на защиту.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и приложения. Общий объём работы 208 страниц, в том числе 85 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 135 наименований.
