CC BY
22цесса формирования поликремниевых элементов при наличии сложного рельефа в виде островков кремния в структуре КНИ.
Оборудование и методика проведения эксперимента. Исследование проводилось на установке LAM TCP 9400, которая представляет собой триодную систему вакуумного газоплазменного травления, обеспечивающую плотность плазмы: от 1011
12 -3 и
до 10 см , возбуждаемую при помощи двух ВЧ-генераторов частотой 13,56 МГц, подающих мощность на антенну трансформаторно-связанной плазмы (ТСП) и на подложко-держатель. Установка использует в качестве газовой смеси хлор (Cl2), бромоводород (HBr), кислород (О2), хладон-23 (CHF3) и элегаз (SF6) и имеет индивидуальную обработку пластин. Температура боковых стенок и подложкодержателя во время процесса поддерживается при помощи жидкостного охлаждения и составляет 50 и 15 °С соответственно. Для улучшения теплоотвода обрабатываемой подложки использовался вспомогательный газ -гелий (He), подаваемый между подложкой и подложкодержателем. Установка удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к процессам по скорости, селективности и равномерности травления.
Для определения толщины исследуемых слоев до и после проведения процесса плазменного травления использовался спектрофотометр MPV-SP LEITZ ErgoLUX, оценка морфологии профиля проводилась на растровом электронном микроскопе (РЭМ) Cambridge Stereoscan S-360 SEM.
Для проведения технологических исследований использовались кремниевые пластины диаметром 150 мм со сформированной фоторезистивной маской (ФРМ) толщиной 1,2 мкм, слоем поликремния, легированного фосфором, толщиной 420 нм и подслоем из оксида кремния толщиной 18 нм. ФРМ представляет собой набор регулярных структур с линейными размерами от 1,0 до 2,5 мкм.
Структура исследуемого процесса включает четыре стадии травления.
Первая стадия обеспечивает удаление естественного окисла и зачистку ФРМ с использованием газовой среды на основе плазмы CHF3-SF6. Вторая стадия является основной и протекает в Ch-HBr-О^плазме высокой плотности. Для определения момента окончания процесса используется метод спектрального анализа плазменного разряда с применением фотодиодного датчика, настроенного на линию SiClx (спектр соответствует длине волны 405 нм). Эта стадия характеризуется высокой скоростью травления, но недостаточной равномерностью и селективностью процесса, поэтому после нее необходимо применять дополнительные стадии для удаления остатков слоя поликремния на вертикальных стенках рельефа. Недостаточная равномерность обусловлена в данном реакторе высоким конусным утолщением верхнего керамического окна, характерным для начальных вариантов источников плазмы в установке ТСР 9400. Механизм травления на основной стадии описан в [1, 2], поэтому в данных исследованиях анализировались процессы удаления остатков слоя в так называемых стадиях перетрава и изотропного дотрава.
Стадия перетрава (третья) реализуется после стадии травления основной толщины слоя поликремния и проводится при пониженной мощности в смеси HBr-O2. Данная смесь позволяет удалить остатки слоя поликремния на вертикальных стенках рельефа и создать на них пассивирующий защитный слой достаточной толщины для предотвращения бокового подтрава на следующей стадии.
На стадии изотропного травления (четвертая) используется смесь газов HBr-SF6-O2. Она направлена на удаление остатков поликремния со сложных элементов рельефа других функциональных слоев создаваемой ИС. При этом происходит удаление остатков травимого слоя Si*(2) с элементов рельефа нижележащих слоев Si*(1) и достигается
положительный угол наклона профиля стенок поликремниевой разводки 80-85°). Та-Такой профиль позволяет более эффективно удалять остатки травимого слоя в виде паразитных спейсеров при травлении следующего слоя поликремния (рис.1). Эта стадия также способствует чистке внутрикамерной оснастки от продуктов реакции.
Для оптимизации процесса плазменного травления проведены исследования влияния операционных параметров (давление в рабочей камере, мощности, подаваемые на электрод подложкодержателя и антенну ТСП, состав газовой смеси) на основные выходные характеристики (скорость и неравномерность травления поликремния, селективность поликремния к оксиду кремния и ФРМ).
Соответствующие зависимости скорости травления поликремния и селективности травления поликремния по отношению к окислу кремния от содержания кислорода в смеси при постоянном расходе ИБг, равном 40 см /мин, давлении 10 мТорр, мощности на антенне Wa = 300 Вт и подложкодержателе WПд = 90 Вт представлены на рис.2,а. Установлено, что при малом расходе кислорода скорость травления поликремния низкая, поскольку в рабочем объеме недостаточно концентрации молекул рабочего газа и плотности химически активных частиц (ХАЧ). При увеличении добавки кислорода в рабочую смесь до 5 см /мин скорость травления возрастает от 270 до 300 нм/мин. Снижение скорости травления поликремния при больших концентрациях кислорода связано не только с уменьшением концентрации атомов галогена, но и с адсорбцией атомов кислорода на активных центрах поверхности материалов [2]. По мере увеличения расхода кислорода селективность травления поликремния к окислу кремния растет до определенного момента, когда концентрация кислорода становится избыточной и образующаяся в процессе травления высадка пассивирует не только вертикальные поверхности, но и горизонтальные и препятствует нормальному процессу травления поликремния [3]. Спад скорости травления связан с тем, что кислород разбавляет активную компоненту и инициирует механизм стимулированного плазмой окисления кремния, препятствуя процессу травления.
Результаты исследования влияния давления в реакторе на скорость и неравномерность травления поликремния приведены на рис.2,б. Процесс проводился при мощности Wa = 300 Вт и WПд = 90 Вт и фиксированном расходе газов 40 см3/мин для НБг и 4 см /мин для 02. Давление определяет скорость доставки ХАЧ из зоны генерации к поверхности пластины. Показатель неравномерности травления постепенно возрастает до 12% (при 20 мТорр), после чего отмечается планомерный спад до 8% (при 30 мТорр). Скорость процесса практически линейно увеличивается по мере роста давления, максимальное значение достигается при давлении 30 мТорр, которое является оптимальным для достижения поставленной задачи. При этом давление в плазме разря-
Рис.1. Схематичное изображение (а) и РЭМ-микрофотография (б) остатков поликремния (паразитные спейсеры) на боковых стенках «островков» кремния
да скорости генерации ХАЧ и энергетических частиц (ионов и электронов) максимально, а значит и максимальна скорость травления.
Исследовалась зависимость неравномерности травления и от ВЧ-мощности, подаваемой на антенну ТСП. В качестве минимальной мощности антенны ТСП принято Жа = 200 Вт, так как при малых значениях мощности антенны плазма неустойчива и есть вероятность того, что она не загорится. Из полученной зависимости следует, что при повышении мощности до Жц = 300 Вт значение неравномерности находится на уровне ±4,5%. При дальнейшем увеличении мощности неравномерность резко возрастает, что связано с повышенным влиянием оснастки при высокой мощности.
Для получения необходимых параметров процесса важно провести оптимизацию изотропной стадии травления. Исследовалось влияние основных операционных параметров на выходные характеристики изотропной стадии процесса - влияние добавки кислорода к элегазу на скорость и неравномерность травления, а также на угол наклона формируемого профиля (рис.3). Оценивалось влияние мощности, подаваемой на антенну ТСП, на скорость травления. Выяснено, что зависимость носит линейный характер. Также устанавливалась зависимость угла наклона профиля от давления в реакторе. При изменении давления от 10 до 60 мТорр угол наклона снижается от 80 до 50° и далее практически не изменяется.
Установлено, что наивысшая скорость травления получается при 10%-ной добавке кислорода в смесь SF6+O2. При уменьшении расхода кислорода в газовой смеси скорость травления уменьшается, что объясняется следующими причинами [2]:
- кислород препятствует гетерогенной рекомбинации атомов фтора с другими частицами либо реагируя с ними сам, либо блокируя им доступ к наиболее подходящим для рекомбинации поверхностям;
- уменьшается скорость гомогенных реакций атомов фтора с другими частицами, уменьшая число этих частиц посредством окисления. Таким образом, в плазме увеличивается отношение F/C и повышаются скорости травления материалов;
- кислород реагирует со фторсодержащими частицами, освобождая атомы фтора. Эти реакции могут происходить как в газовой фазе, так и на поверхности материала, подвергаемого травлению;
- кислород служит катализатором процесса диссоциации молекул рабочего газа.
Рис.2. Зависимость скорости травления и селективности поликремния к окислу кремния от содержания 02 в смеси (а) и влияние давления на скорость и неравномерность травления (б)
При увеличении добавки кислорода увеличивается пассивация поверхности, препятствующая травлению поликремния, что, в свою очередь, снижает скорость травления. Это связано не только со снижением концентрации атомов галогена, но и с адсорбцией атомов кислорода на активных центрах поверхности материалов [4].
При повышении ВЧ-мощности скорость травления поликремния линейно возрастает, но при этом увеличивается неравномерность травления по пластине с 3 до 7%, что вызвано конструкционной особенностью камеры травления и влиянием материалов оснастки. Однако при увеличении мощности на антенне свыше 600 Вт увеличивается тепловая нагрузка, конструкция установки не позволяет обеспечить достаточное охлаждение, поэтому оптимальным значением мощности в данном случае Рис 3 3ависимость скорости и неравномер-принято 600 Вт. Неравномерность травления по ности травления поликремния (а) и угла на-пластине при этом составляет ±6%. клона профиля (б) от процентного
Анализируя полученную зависимость угла с°деРжания °2 в газ°в°й смеси наклона профиля от давления, можно сказать,
что при уменьшении давления до 60 мТорр она имеет линейный характер. По мере повышения давления понижается уровень смещения, а значит уменьшается и энергия ионного воздействия. Процесс травления принимает более изотропный характер и угол наклона профиля не изменяется.
Оценивалось влияние длительности стадии перетрава (селективной стадии процесса) на появление подтравов формируемых элементов топологии вблизи границы раздела поликремний/оксид кремния во время финальной стадии процесса - удаления паразитных спейсеров с вертикальных стенок рельефа. Для этого проводился процесс травления поликремния в стандартном режиме первых двух стадий с контролем окончания второй стадии по датчику определения момента окончания травления, стадией перетрава, варьируемой в диапазоне 10-60 с с шагом 10 с, и фиксированной изотропной стадией. На рис.4 представлены результаты этого эксперимента. Установлено, что оптимальная длительность данной стадии составляет 30 с.
а 0
Рис.4. РЭМ-микрофотографии профиля травления при разной длительности стадии перетрава: 30 с (а) и 50 с (б)
V. нм/мин I. /. %
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Содержание СЬ в газовой смеси, %
а
1
50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Содержание О2 в газовой смеси, % 6
Обсуждение результатов эксперимента. Полученные результаты (см. рис.3) можно объяснить с помощью классических подходов, описанных в [5, 6].
На стадии перетрава оптимальными будут следующие операционные параметры процесса: давление 25 мТорр, мощность на антенне Жа = 300 Вт, на электроде под-ложкодержателя Жпд = 100 Вт, а также 10-12%-ное содержание кислорода в газовой смеси.
На стадии изотропного дотрава оптимально следующее сочетание параметров: давление 60 мТорр, мощность на антенне Жа = 600 Вт, на электроде подложкодер-жателя Жпд = 0 Вт, а также 10%-ное содержание кислорода в газовой смеси.
Необходимо отметить, что важным параметром является длительность стадии перетрава, в данном случае она должна составлять 30 с.
В процессе травления на вертикальных поверхностях профиля образуется пассивирующая пленка (рис.5,а), защищающая стенки от воздействия травящих частиц, что повышает анизотропию процесса. В силу особенностей процесса реактивно-ионного травления толщина пленки в нижней части профиля меньше, чем в верхней. В случае длительности стадии перетрава менее 30 с толщина пленки может оказаться недостаточной, чтобы сохранить свою целостность и выдержать воздействия ионной бомбардировки в течение последующей изотропной стадии. При проведении стадии перетрава более 30 с появляются условия для разрушения пассивирующей пленки за счет отклонения ионного потока вблизи края маски. Этот механизм можно пояснить. В процессе травления ФРМ накапливает статический отрицательный заряд, вызывая отклонение ионов и тем самым увеличивая угол расхождения ионного потока вблизи края маски [7]. В результате поток положительно заряженных ионов воздействует на вертикальные поверхности профиля на границах раздела материалов, вызывая деградацию пассивирующей пленки, вследствие чего происходит подтрав функционального слоя на границе с подслоем (см. рис.4). Это особенно заметно на близкорасположенных элементах. Данный эффект может усилиться, если нижележащий слой - окисел кремния. Это связано с избыточным кислородом, выделяющимся из окисла при его травлении. В резуль-
0 О О О
ФРМ
ООО
81
Рис.5. Механизм образования подтрава и эффекта микротренч (а) и вид эффекта микротренч на РЭМ (б)
а
тате усиливается вероятность химического взаимодействия пассивирующей пленки с кислородом, ее деградация и увеличение вероятности подтравливания. Также может наблюдаться проявление микротренч-эффекта - появление нежелательных углублений вблизи вертикальных стенок рельефа (см. рис.5), в результате чего увеличивается количество дефектов в подслое, что является критичным при травлении затворного поликремния.
В процессе травления в изотропной стадии может иметь место подтравливание вблизи границы раздела ФРМ со слоем поликремния. Это связано с тем, что при отклонении параметров процесса от оптимальных толщина пассивирующей пленки может оказаться недостаточной и не обеспечит маскирования вскрытой горизонтальной поверхности слоя под маской, в результате чего происходит подтрав-ливание.
При сохранении целостности пассивирующей пленки по всей высоте стенки профиля можно гарантировать отсутствие нежелательных эффектов.
Профиль травления поликремния при соблюдении оптимальных параметров процесса показан на рис.6. Наклон профиля удовлетворяет предъявленным требованиям, подтравы и паразитные спейсеры отсутствуют.
Таким образом, разработана методика многостадийного процесса плазменного травления поликристаллического кремния в условиях развитого сложного рельефа с вертикальными стенками. Методика обеспечивает формирование заданного профиля травления с одновременным достижением необходимых технологических параметров (скорости, равномерности, селективности травления) и отсутствием негативных факторов (остатков удаляемого материала в виде паразитных спейсеров, подтравов и возникновения дефектов в подслое).
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Договор № 02.G25.31.0059 от 08.04.2013 г.).
Литература
1. Айнспрук Н., Браун Д. Плазменная технология в производстве СБИС. - М.: Мир, 1987. - 469 с.
2. Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для очистки и травления материалов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 263 с.
3. Bell F.H., Joubert O. Polysilicon gate etching in high density plasmas. III. X-ray photoelectron spec-troscopy investigation of sidewall passivation of silicon trenches using an oxide hard mask. - 1996. -URL: http://dx.doi.org/10.1116/1.588758 (дата обращения: 01.02.13).
4. Chang K.M., Yeh T.H., Deng I.C., Lin H.C. Highly selective etching for polysilicon and etch-induced damage to gate oxide with halogen-bearing electroncyclotron-resonance plasma / J. of Appl. Phys. - Vol. 80, N 5. - Sep. 1996. - P. 3048-3055.
Рис. 6. Профиль контрольных элементов структуры после травления по разработанной методике
5. Галперин В.А., Данилкин Е.В., Мочалов А.И. Процессы плазменного травления в микро- и нано-технологиях. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. - 283 с.
6. Effects of plasma conditions on the shapes of features etched in Cl2 and HBr plasmas. I. Bulk crystalline silicon etching / M.A. Vyvoda, M.V. Malyshev, F.P. Klemens et al. // J. Vac. Sci. Technol. A. - 1998. -N 16. - P. 3247-3258.
7. Role of sidewall scattering in feature profile evolution during Cl-2 and HBr plasma etching of silicon / M.A. Vyvoda, D.B. Graves, H. Lee et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. - 2000. - N 18. - P. 820-833.
Статья поступила 11 февраля 2013 г.
Галперин Вячеслав Александрович - кандидат технических наук, начальник лаборатории перспективных процессов НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: современные плазменные технологии и системы обработки, технологии микро- и наноэлектроники, солнечная энергетика, кремний-углеродная наноэлектроника.
Разживин Николай Анатольевич - аспирант кафедры интегральной электроники и микросистем МИЭТ. Область научных интересов: современные плазменные технологии и системы обработки, технологии микро- и наноэлектроники. E-mail: [email protected]
УДК 502.175
Физико-химическое моделирование превращений ингредиентов воздушной среды в промышленных городах
В.Б. Кольцов1, Н.М. Ларионов1, О.В. Кольцова2, Е.И. Гуляева1
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
2
Московский государственный университет природообустройства
Проведен системный анализ состояния воздушного бассейна среднестатистического города на основе многолетнего мониторинга опасных и вредных выбросов в атмосферу предприятиями и инфраструктурой города. Разработана физическая модель расчета вторичных превращений методом минимизации энергии Гиббса при наихудших метеорологических условиях, на основе которой проведен детальный термодинамический анализ возможности химических превращений ингредиентов воздушной среды при мониторинге атмосферы города.
Ключевые слова: моделирование, воздушная среда, химическое превращение, ингредиент, мониторинг.
Развитие промышленности и транспорта, увеличение плотности населения, проникновение человека в стратосферу и космическое пространство, сельскохозяйственное производство, транспортировка природного газа и нефтепродуктов, захоронение опасных химических веществ на дне морей и океанов, совершенствование ядерного оружия - все это способствует глобальному и постоянно увеличивающемуся загрязнению окружающей человека среды обитания. В этих условиях первостепенное значение приобретает проблема борьбы с загрязнениями атмосферы, которая особенно остро стоит в промышленно развитых странах. Существующая система мониторинга воздушного бассейна не отвечает современным требованиям в связи с отсутствием научно-методического обоснования контролируемых ингредиентов, недостаточным количеством постов наблюдения, их низкой информативностью, а также ненадлежащей реализацией предприятиями рекомендаций по снижению выбросов в атмосферу. Исследование состояния атмосферного воздуха, закономерностей распространения примесей, создание научно обоснованной системы мониторинга атмосферного воздуха, моделирование условий вторичных превращений примесей при наихудших метеорологических условиях, повышение его качества является важнейшей проблемой современности.
Задача рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере связана с краткосрочным прогнозом метеоусловий, при котором могут достигаться высокие концентрации примесей в приземном слое атмосферы. Для прогнозирования используют численные, статистические и синоптические методы [1-5]. Результаты теоретического и экспериментального изучения закономерностей распространения примесей от источников загрязнений атмосферы и созданные для этого математические модели являются основой для развития методов прогноза загрязнений воздуха [4].
Теоретическое направление включает разработку теории атмосферной диффузии на основе математического описания распространения примесей с помощью решения уравнения турбулентной диффузии:
© В.Б. Кольцов, Н.М. Ларионов, О.В. Кольцова, Е.И. Гуляева, 2014
