CC BY
26ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382.002
Исследование процесса глубокого анизотропного плазменного травления кремния в парогазовой смеси с пониженной полимеризационной способностью
А.А.Голишников, Д.А.Костюков, М.Г.Путря
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Исследованы зависимости технологических характеристик процесса глубокого травления кремния от его операционных параметров. Разработан и оптимизирован процесс глубокого анизотропного плазменного травления кремния для формирования кремниевых структур микроэлектромеханических систем (МЭМС). Результаты работы использованы при формировании рабочих структур МЭМС.
Ключевые слова: процесс глубокого анизотропного травления кремния, микро- и наноэлектромеханические системы, «сухое» травление, анизотропия травления, пассивирующий слой.
Микросистемная техника (МСТ) - одно из наиболее динамично развивающихся научно-технических направлений, определяющих новую тенденцию в области систем, реализуемых на микро- и наноуровне.
На современном этапе при производстве микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС, НЭМС) одной из важнейших технологических операций изготовления элементов является глубокое анизотропное травление кремния. Глубина формируемых структур лежит в диапазоне от 10 до 500 мкм. Существует несколько способов получения глубоких вертикальных структур в кремнии. Наиболее распространенные из них это плазменные методы: «BoschÄ-процесс и альтернативный ему криопроцесс, где используется охлаждение пластины до минусовых температур. Данные методы реализуются в источниках высокоплотной плазмы, например в источниках индуктивно- и трансформаторно-связанной плазмы (ИСП и ТСП) [1-3].
«Bosch»- и криопроцесс позволили заменить используемые до недавнего времени методы глубокого анизотропного жидкостного травления. В отличие от жидкостных анизотропных процессов «сухое» травление не столь чувствительно к кристаллографической ориентации кремния и может обеспечивать высокую селективность к материалу маски. Плазменные процессы могут быть легко автоматизированы и являются более воспроизводимыми и безопасными, чем альтернативные жидкостные.
При массовом производстве МЭМС и НЭМС к процессам плазменного травления предъявляются высокие требования по таким параметрам, как скорость и равномерность травления кремния. Характерным требованием для формирования глубоких структур в кремнии является достижение высокой анизотропии травления при одно© А.А.Голишников, Д.А.Костюков, М.Г.Путря, 2011
временно высокой селективности травления кремния к маскирующему покрытию. Кроме того, необходимо обеспечить минимальный уровень привносимых радиационных повреждений поверхности кремния.
В настоящей работе исследуется процесс глубокого анизотропного плазменного травления (ГАПТ) кремния, обеспечивающего возможность изготовления широкого спектра МЭМС.
Оборудование и методика проведения экспериментов. В ходе работы решались следующие задачи:
- исследование влияния операционных параметров на скорость плазменного травления, селективность кремния к фоторезисту, анизотропию плазменного травления;
- оптимизация процесса ГАПТ кремния с целью получения максимальных технологических характеристик.
Для получения глубоких анизотропных структур в кремнии используется метод плазменного травления с чередованием стадий травления и пассивации [4-6]. Процесс начинается со стадии изотропного травления кремния. Затем следует стадия осаждения полимерной пленки, образующейся на всех поверхностях структуры. Далее снова повторяется стадия травления, при которой происходит удаление полимерного слоя преимущественно с горизонтальных поверхностей за счет ионной бомбардировки. При этом на боковых стенках Бьструктуры остается пассивирующий слой, препятствующий боковому растраву.
Для глубокого анизотропного плазменного травления кремния использовалась экспериментальная установка «Платран-100», в которую интегрирован реактор высокоплотной плазмы на основе ВЧ-источника с трансформаторно-связанной плазмой [7, 8]. Схематически ТСП-реактор показан на рис.1.
8
Л!
Рис.1. Схематичное изображение ТСП-реактора: 1 - вакуумная камера источника плазмы; 2 - столик-подложкодержатель; 3 - кольцевые постоянные магниты; 4 - кварцевое окно; 5 - водяное охлаждение камеры; 6 - каналы подачи газа; 7 - смотровое окно; 8 - индуктор
ТСП-реактор удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к процессам плазменного травления, и имеет следующие характеристики:
- высокая скорость травления Утр (2 мкм/мин и более);
- высокая анизотропия A и селективность S кремния к фоторезисту (ФР), а также кремния к оксиду кремния;
- высокая равномерность травления;
- минимальный уровень привносимых радиационных нарушений поверхности обрабатываемых материалов;
- низкое влияние на электрофизические параметры обрабатываемых структур.
В качестве рабочих газов выбраны элегаз SF6, используемый на стадии травления, хладон-23 CHF3, применяемый на стадии пассивации. Для улучшения теплоотвода от обрабатываемой подложки использовался вспомогательный газ - гелий, который подавался между подложкой и подложкодержателем.
Образцами травления служили Si-пластины диаметром 100 мм со сформированной фоторезистивной маской марки Shipley 1815 Sp15 толщиной 1,4 мкм, представляющей собой регулярные структуры с линейными размерами от 1,2 до 2,5 мкм. Операционные параметры изменялись в диапазонах: расход QSFe - от 200 до 400 см /мин; расход QCHFj
- от 200 до 300 см /мин; ВЧ-мощность при травлении Жтр - от 700 до 1000 Вт; ВЧ-мощность при пассивации Жпас - от 800 до 900 Вт; рабочие давления при травлении Ртр и пассивации Рпас - от 50 до 100 мТорр. Значение напряжения смещения было постоянным в обеих стадиях (исм = 10 В).
Измерения толщины фоторезистивной маски до и после плазменного травления проводились на автоматизированной измерительной спектральной системе MPV-SP. Профили и геометрические параметры протравленных кремниевых структур исследовались с помощью сканирующего электронного микроскопа SEM XL 40 фирмы Philips.
Результаты и их обсуждение. В ходе эксперимента получены зависимости скорости травления кремния Утр от ВЧ-мощности Жтр и расхода рабочего газа QSF (рис.2).
Выявлено, что при повышении ВЧ-мощности скорость травления кремния растет. При изменении ВЧ-мощности в диапазоне 700-900 Вт скорость возрастает с 3,3 до 4 мкм/мин (см. рис.2,а). Это происходит за счет увеличения энергии свободных электронов плазмы, которые, участвуя в процессах ионизации и диссоциации, повышают плотность травящих частиц. На рис.2,6 представлена зависимость скорости травления кремния от расхода гексафторида серы, которая носит более сложный характер.
Г'Тр, мкм/мин 4,2
3,4
¡ .......1.......
[ ! ........!....... .... ..,.., ...
1 г --Г-н
. ..L..Í... " "Г " ...i... -Jf^ ...i..j...<... ---
p ^
......;...... : i......1.....
Г 1
1 L !_
i ¡ ¡
: ¡
650 700 750 800 850 IVTр, Вт а
í'-jp, мкм/мин
! ! ! !
!
¡
:
: : : :
! ! ! ;
175 225 275 325 ßSF6, см3/мин
Рис. 2. Зависимость скорости травления кремния от ВЧ-мощности при = 400 см3/мин, Ртр = 85 мТорр (а) и расхода рабочего элегаза при ^тр = 900 Вт, Ртр = 70 мТорр (б)
Установлено, что при низких расходах скорости травления невысокие, поскольку в рабочем объеме недостаточно концентрации молекул рабочего газа и, соответственно, плотности химически активных частиц (ХАЧ). При увеличении расхода рабочего газа до 325 см3/мин скорость травления кремния резко возрастает с 0,2 до 3,5 мкм/мин, что связано с эффективной доставкой молекул рабочего газа в зону ВЧ-разряда, повышением концентрации радикалов фтора.
Однако при дальнейшем увеличении время нахождения ХАЧ у обрабатываемой поверхности кремния становится настолько малым, что большая их часть удаляется из объема рабочей камеры откачными средствами, не вступив в реакцию с обрабатываемой поверхностью.
В результате исследования выявлено, что анизотропия слабо зависит от
ВЧ-мощности в диапазоне 700-900 Вт и ее значения находятся в пределах 0,98-0,99.
Также установлено, что изменение расхода рао
бочего газа в диапазоне 200-400 см /мин
приводит к уменьшению анизотропии А (рис.3). Это связано с тем, что при увеличении расхода травящего газа возрастает и давление (например, при расходе 300 см3/мин давление
о
Р ~ 70 мТорр, при расходе газа 400 см /мин давление Р ~ 90 мТорр). Увеличение давления приводит к снижению анизотропии, так как уменьшается длина свободного пробега травящих частиц (ХАЧ и ионов) и вероятность их попадания на боковые стенки структур, подвергаемых травлению, увеличивается.
Увеличение ВЧ-мощности в диапазоне 700-900 Вт приводит к снижению селективности травления кремния к фоторезистивной маске с 64 до 60 (рис.4,а). Возможно, это связано с тем, что при увеличении ВЧ-мощности наблюдается рост не только плотности ХАЧ, но и интенсивности ионной бомбардировки, которая приводит к большему увеличению скорости травления фоторезистивной маски по сравнению с кремнием за счет разных величин энергий связи этих материалов (Есв ^^ ~ 200 кДж/моль, Есв С-н ~ 440 кДж/моль).
Рис.3. Зависимость анизотропии травления кремния от расхода рабочего газа 8Р6 при ^ = 900 Вт и Ртр = 70 мТорр
Рис.4. Зависимость селективности травления кремния к фоторезистивной маске от ВЧ-мощности при = 400 см3/мин, Ртр = 85 мТорр (а) и от расхода элегаза
при = 900 Вт и Ртр = 70 мТорр (б)
Зависимость селективности травления кремния к фоторезистивной маске от расхода элегаза представлена на рис.4,б. Видно, что увеличение расхода газа приводит к росту селективности от 8 до 60. Поскольку с увеличением расхода травящего газа SF6 возрастает содержание фтора, это способствует увеличению скорости травления Si. Отметим, что скорость травления кремния растет быстрее, чем скорость травления фоторезиста.
Анализ результатов исследований процесса глубокого анизотропного плазменного травления кремния дает следующие оптимальные операционные значения:
Давление на стадии пассивации.............................................100 мТорр
Давление на стадии травления...............................................90 мТорр
ВЧ-мощность на стадии пассивации.....................................800 Вт
ВЧ-мощность на стадии травления........................................900 Вт
Расход .................................................................................400 см3/мин
Расход СОТ3 .............................................................................250 см3/мин
Отношение времен травления и пассивации ^тр/^пас..............1,5
Напряжение смещения на стадии травления........................-60 В
Эти значения обеспечивают такие параметры технологического процесса, как:
Скорость травления кремния..................................................4 мкм/мин
Селективность к фоторезисту................................................60
Равномерность травления.......................................................95%
Анизотропия.............................................................................0,99
Аспектное отношение (АО)....................................................15
Разработанный процесс ГАПТ кремния использовался при формировании щелевой структуры, структуры емкостного акселерометра и чувствительного элемента виброакустического преобразователя (рис.5).
а б в
Рис.5. Микропрофили травления структур МЭМС: а - щелевая структура (глубина травления кремния И51 = 29,6 мкм, АО =16, А = 0,99); б - структура емкостного акселерометра (И51 = 64,5 мкм, АО = 6, А = 0,99); в - чувствительный элемент виброакустического преобразователя (И51 = 40 мкм, угол наклона боковой стенки 92°)
В результате проведенного исследования установлены корреляции основных технологических характеристик (скорости, анизотропии, селективности) процесса ГАПТ кремниевых структур с операционными параметрами (ВЧ-мощностью и расходом ра-
бочего газа SF6 на стадии травления). На основе анализа полученных экспериментальных данных разработан и оптимизирован процесс ГАПТ кремния для формирования кремниевых структур МЭМС, в частности изготовлены рабочие структуры емкостного акселерометра и чувствительные элементы виброакустического преобразователя.
Литература
1. Elders J., Jansen H.V. DEEMO: A new technology for the fabrication of microstructures // Proc. IEEE MEMS. - 1995. - P. 238-243.
2. Larmer F., Schilp A. Method of Anisotropic Etching Silicon // Patents DE4241045, US 5501893 and EP 625285.
3. Walker M. Comparison of Bosch and cryogenic processes for patterning high aspect ratio features in silicon // Proc. SPIE. - 2001. - Vol. 4407. - P. 89-99.
4. Chabloz M., Sakai Y., Matsuura T., Tsutsumi K. Improvement of sidewall roughness in deep silicon etching // Microsystem Technologies. - 2000. - N 6. - P. 86-89.
5. Blauw M., Zijlstra T., van der Drift E. Balancing the etching and passivation in time-multiplexed deep dry etching of silicon // J. of Vacuum Science Technology B. - 2001. - Vol. 19, N 6. - P. 2930-2934.
6. Амиров И.И., Морозов О.В. Аспектнонезависимое анизотропное травление кремния в плазмохи-мическом, циклическом процессе // Микроэлектроника. - 2007. - Т. 36, вып. 4. - С. 380-389.
7. Орликовский А.А. Плазменные процессы в микро- и наноэлектронике. Ч. 2. Плазмохимические реакторы нового поколения и их применение в технологии микроэлектроники // Микроэлектроника. -1999. - Т. 28, № 6. - С. 415-426.
8. McAully S.A., Ashraf H., Atabo L. Silicon micromatching using a high-density plasma source // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2001. - N 34. - P. 2769-2774.
Статья поступила 15 октября 2010 г.
Голишников Александр Анатольевич - кандидат технических наук, начальник лаборатории вакуумно-плазменных процессов НПК «Технологический центр» МИЭТ. Область научных интересов: технологии плазмохимического травления и физического осаждения тонких пленок из газовой фазы. E-mail: A.Golishnikov@tcen.ru
Костюков Денис Андреевич - магистрант кафедры интегральной электроники и микросистем МИЭТ. Область научных интересов: технологии плазмохимического травления и физического осаждения тонких пленок из газовой фазы.
Путря Михаил Георгиевич - доктор технических наук, профессор, декан факультета электроники и компьютерных технологий МИЭТ. Область научных интересов: микро- и наноэлектроника, перспективные технологические процессы микро- и наноэлектроники, проблемы теории проектирования микроэлектронных систем и САПР элементной базы микро- и наноэлектроники.
