Введение к работе
з
Актуальность темы. Начиная с конца 1970-х плазмохимическос и >еактивпое ионное травление получило широкое распространение в ехнологии интегральных схем (ИС). Это, в первую очередь, связано с ем, что плазменное травление обладает высокой анизотропией и [роисходит при достаточно низких температурах. В настоящее время с 'азвнтием ианотехнологии нлазмохимическое травление остается рактически единственным инструментом для перенесения рисунка ИС в локирующем слое в материал подложки. Однако требования на косимые плазмой дефекты, селективность, управление шириной линии, диородпоеть травления становятся все более строгими и более ложными в реализации. В частности, при размерах менее 1 мкм и олмпих аснектных отношениях (глубина/ширина) более 10:1 для ранящихся структур возникает большое число проблем. Основными вляются зависимость скорости и профилей травления от размеров лементов.
Существует, по крайней мере, два существенных следствия икронсодиородиости травления. Во-первых, кажущиеся небольшими зменепия в технологическом маршруте, схемотехнике ячейки или целой ксмы могут привести к неожиданным трудностям, которые могут требовать дорогих и трудоемких усовершенствований плазменных роцсссов для каждого специального случая. Во-вторых, в производстве птимизируют так называемый выход годных изделий путем выбора юмеии травления; это всегда конкуренция между потерей кристаллов г иедотравлнвания и потерей их из-за дефектов от перетравливав и я ижележащих слоев (например, подзатворного диэлектрика), аиисимость скорости травления от размеров элементов ИС влияет на
обе стороны такого процесса оптимизации, а, следовательно, и на выход годных.
К началу описанных в данной диссертации работ автора (1989) было лишь известно, что в области поперечных размеров менее единиц микрон скорость травления более узких канавок и отверстий становится меньше, чем для более широких структур [11. Первое объяснение такому явлению было предложено в работах [2,3], где по аналогии с жидкостным травлением считалось, что продукты реакции препятствуют доставке химически активных частиц в более узкие структуры, что и приводит к уменьшению скорости травления. Однако простые оценки [А2] показывают, что в области давлений, характерных для нлазмохимического и реактивного ионного травления, парциальное давление продуктов реакции составляет доли процента от общего, поэтому влияние продуктов реакции на снижение скорости должно быть ничтожно малым. Учитывая специфику плазмы как источника химически активных частиц (в отличие от жидкостного травителя), заключающуюся в анизотропности углового распределения ионов и изотропности функции распределения нейтральных частиц, было высказано предположение, что основную роль в ограничении скорости травления играет входная апертура структуры; такое снижение скорости травления с ростом аспектного отношения (обратного апертуре) было названо автором апертурным аффектом при плазменном травлении. По аналогии, обратный аиертурный аффект - это увеличение скорости травления с ростом аспектного отношения. Таким образом, требовалось исследовать как аиертурный эффект, так и предсказанный автором позднее обратный анертурный аффект.
Моделирование профилей базировалось в основном на феноменологических моделях, не учитывающих специфику взаимодействия плазмы с поверхностью. Так, основными параметрами
модели анизотропного травления были вертикальная и горизонтальная составляющие скорости травления, при зтом физическая сторона вопроса о происхождении такой анизотропии, как правило, не исследовалась, а все внимание уделялось математическим методам эволюции профиля травления. По этой причине требовалось создать модель процесса травления, учитывающую основные механизмы взаимодействия частиц тлазмы с травящейся поверхностью.
Цель работы. Настоящий цикл работ посвящен детальному теоретическому исследованию проблемы микронеоднородности скорости їлазмеїшого травления субмикроиных и нанометровых структур и рормирования их профилей в кремнии - одном из важнейших іатериалов современной микроэлектроники. При этом решался весь :омплекс связанных с этой проблемой вопросов, который можно условно іазбить на следующие части:
О Детальное исследование формирования профилей травления :ремния и нахождение условий, при которых профиль имеет почти ертикальные боковые стенки, закругленное дно; выяснить, какие іеханизмьі ответственны за формирование особенностей профиля равления. Для этой цели - создание замкнутой модели процесса лазмсниого травления [А1-А12,А17,А18|;
2) Теоретическое исследование апертурного эффекта,
эзиикающего при плазменном травлении узких канавок и определение
спошгых механизмов, влияющих на этот процесс 1А2-
«,AtO,At5,A17,A19l;
3) Выяснение возможности полного устранения апертурного
рфекта и развитие подходов к этой проблеме [А19|;
4) Исследование масштабирования скорости травлення и подобие
«крилей при плазменном травлении кремния [А2-А8];
6 5) Оценка предельных возможностей плазмохимического травления как метода создания наноструктур в кремнии (А13,А14-А16].
Научная новизна и достоверность.
Основные результаты, положенные в основу, диссертации получены впервые, а ее научные положения и выводы обосновань согласием теоретических выводов с экспериментальными результатами г тех случаях, когда экспериментальная ситуация достаточно адекватне соответствовала теоретической модели.
Положения, выносимые на защиту.
1. Впервые разработана однокомпонентная модель процесса анизотропного травления канавок в кремнии в плазме, в которой основными химически активными являются энергетичные частицы - ионы или нейтральные радикалы того же сорта, образовавшиеся в результате перезарядки этих понов и области пространственного заряда плазмы. Модель включает различные механизмы многократного рассеяния этих частиц па внутренней поверхности канавки: зеркальный, диффузный или косинусный, смешанный зеркально-диффузный. Показано, что угловое расхождение потока энергстичных частиц, обусловленное их рассеянием на частицах газовой фазы и начальным максвелловским распределением но скоростям, приводит к образованию бочкообразного профиля, заметному сужению дна и уменьшению скорости травления канавки с ростом ее аспектного отношения (глубина/ширина) в процессе травления, причем эти эффекты усиливаются с ростом углового расхождения. Уменьшение скорости травления было названо автором апертурпым эффектом.
2. Показано, что при наличии многократных отражений
иергетичных частиц от поверхности канавки форма профиля
уществсино зависит от характера их рассеяния поверхностью.
Сравнение результатов моделирования с известными
кснеримснтальными профилями, полученными при травлении в плазме
"BrF-j, позволяет заключить, что для параметров процесса, характерных
ля нлазмохимического и реактивного ионного травлення в этой плазме,
оля частиц, зеркально отраженных от поверхности канавки,
ренебрежимо мала. Показано, что угловое распределение частиц,
траженных от поверхности, определяется косинусным законом
асесяния Кнудсеиа.
-
Впервые разработана и программно реализована модель ионно-тимулированного травления структур в кремнии в низкотемпературной пюгокомнонентпой плазме. Модель включает три основные сорта частиц лазмы, влияющих на скорость травления - энергетичные ионы, имически активные радикалы и радикалы, пассивирующие поверхность. Модель учитывает угловые распределения частиц, коэффициенты их рилинания к поверхности, а также многократные рассеяния всех сортов астин от внутренней поверхности формируемой структуры; законы іассеяния для ионов - зеркальный, диффузный и смешанный зеркалыю-иффузный, для нейтральных частиц - косинусный и изотропный. На снопе этой модели исследовано влияние параметров плазмы - величины ютоков всех сортов частиц, их углового распределения - на форму [рофилей травления канавок в кремнии. Результаты расчетов снользованы для объяснения известных экспериментальных данных и іаходятся с ними в хорошем количественном согласии.
-
В рамках многокомпонентной модели травления полностью бъяснен апертурный эффект при плазмохимическом и реактивном онном травлении - уменьшение скорости травления с ростом аспектного
отношения структуры (глубина/ширина), а также исследованы вес известные механизмы такого уменьшения скорости травления: ограничение потоков частиц входной апертурой структуры, переосаждение продуктов реакции, многократные отражения частиц от внутренней поверхности структуры, эффекты локальных электрических полей в процессе травления, отношение потоков всех сортов частиц, участвующих в процессе травления.
5. Впервые теоретически предсказано существование обратного апертурного эффекта, то есть наличие максимума на зависимости скорости травления структур в кремнии от их аспектного отношения, впоследствии обнаруженного экспериментально. Наличие такого максимума и возможность управления его положением и величиной является предпосылкой для аспектно-независимого травления, очень важного для создания конденсаторов в ячейках памяти в УБИС.
в. Впервые получены аналитические зависимости, связывающие характеристики процесса травления (скорость, время травления) и геометрические параметры структур. Показано, что скорость плазмохимического травления и форма профиля канавки масштабируются с ее аспектным отношением. Обосновано геометрическое подобие профилей канавок различной ширины с одинаковым аспектным отношением, на основе которого предложен метод in situ контроля травления наноструктур.
7. Впервые найдены условия, при которых возможно аспектно-независимое (без апертурного эффекта) нлазмохимическое травление структур. Показано, что наличие физической адсорбции к поверхности травления приводит к появлению области значений параметров -отношение потоков химически активных радикалов, пассивирующих радикалов и ионов, температуры поверхности травления, - при которых
іозможно достижение такого травления вплоть до аспектных отношений L-20.
8. Проведен анализ предельных возможностей плазиохимического равления как инструмента для создания наноструктур. Для известных геханизмов ограничения скорости травления с ростом аспектного тношения (уменьшением поперечных размеров) получена симптотическая зависимость предельной глубины травления h от пфины канавки w: h - w", где а меняется от нуля для аспектно-езависимого травления до 3/2 в случае ограничения скорости за счет ил изображения, а коэффициент пропорциональности зависит от араметров процесса травления, что может быть использовано при птимизании режимов травления.
Практическая ценность.
В целом данная работа представляет законченное исследование, хватывающее круг проблем, связанных с созданием глубоких ^бмикрошшх канавок в кремнии с помощью плазмохимического и еактивного ионного травления. Разработана модель, позволяющая сследовать влияние различных параметров процесса (давление, змпература, состав плазмы и др.) на форму профилей травления, что зляется важным с точки зрения оптимизации процесса. Развитый одход к аспектно-независимому травлению позволяет целенаправленно жать режимы этого процесса, в частности - при пониженных :мнературах, дающих возможность получать структуры с большим напазоном поперечных размеров (от десятков до десятых долей мкм) и тинаковой глубиной, что существенно, например, при изготовлении знтгеповскок оптики.
Получены фундаментальные результаты в области теории апертурного эффекта, в частности, предсказано существование обратного апертурного аффекта, возникающего при отражении энергетичлых частиц от поверхности канавки. (Впоследствии существование такого эффекта было доказано экспериментально н работах других авторов). Проанализировано влияние различных механизмов ограничения потоков частиц из плазмы на масштабирование скорости травления и геометрического подобия получаемых структур с аспектным отношением. Предложена модель процесса плазмохимического травления с пассивацией поверхности, позволяющая целенаправленно искать условия, при которых возможно аспсктно-независимое травление. Решение сформулированных в диссертации задач имеет и большое практическое значение, поскольку оно позволяет не только дать объяснение наблюдаемых особенностей плазмохимического травления, используемых в реальных процессах, но и дает рекомендации но совершенствованию технологии.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на Всесоюзных семинарах:
IV Республиканский семинар "Самоформирование" (Шауляй, 1989)
взаимодействие ионов с поверхностью ВИП (Звенигород, 1991)
Российская конференция "Микроэлектроника-94" (Звенигород, 1994)
На Международных конференциях:
вакуумные электронные и ионные технологии VEIT'89 (Варна, 1989 г.)
но микроэлектронике "Microeiectronics'90" (Минск, 1990 г.)
] 1 XI Национальный накуумпьпї конгресе (Триест, Италия, 1990 г.) по плазменным источникам и разработке новых гсхнодої иіі материалов Фруиле. 1990 г.)
.'і я Ннропсіігкля вакуумная конференция fiVC'-.'J (Вена. 1991 г.) по высоким электронным технологиям (Москва, 1995 г.) "Ма гема піка, компьютер, образование'' (Путино. Н)!)7 г.) по микро- н па по технології! і MNI: (.')ке. Франция. 199л г.; Афины, рецпя. 1997 г.)
- Вш>й«сы_авто^стая_и_иуііл нк&ШШ.
Результаты описанных и диссертации исследовании ангора были публикованы и 198!) -1997 годах и работах |А1-А19|, приведенных гдельным списком и конце рс<|)срага. П.! .них же работ плиты рннодимые и диссертации графики н рисунки. В тех случаях, когда ыло необходимо упоминание результатов других авторов, на их >езулыагы сделаны ссылки, список которых дан и конце диссертации.
Полышшство ил работ было иыиолиепо актором либо и соавторстве
о студентами и аспирантами, работавшими иод руководством автора, и
о'ірудниками ІД1-АІ2. АН-Л!8|. либо самостоятельно |А1.'5,Л19|. В
ксиернмептндьных работах | А1-Л1,Ло-Л8,Л17|, содержащих
еоретическпіі анализ, па защиту выносятся лишь теоретические езулыагы.
М список работ автора включены обзорные статьи |Л.1.Л10,Л12|, анпсаниые » соавторстве с сотрудниками. Н атих работах ангору рииадлежат теоретические расчеты и полученные на их основе графики, остановка задач отдельных их разделов, обсуждение результатов.
Структура диссертации.
Диссертация состоит и:* предисловия, (> глав, заключения, сниск литературы, списка работ автора и двух приложений. Каждая из їла сопровождается разделом "Выводы", в котором кратко суммируются основные из сформулированных в данной главе и выносимых на защит положении. Кроме тою, в конце диссертации основные из нолучснны: результатов сведены в раздел "Заключение".
Общий объем текста составляет 16 3 страниц, включая списої цитированной литературы. Диссертация содержит 80 рисунков и таблицу. Библиография содержит 111 ссылок, включая иубликацш автора но теме диссертации.
