Жидкостное и свч плазмохимическое травление пленок SiOx, осажденных в плазме газового разряда Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.234

Д.В. Нефедов, С.Ю. Суздальцев, В.Я. Шаныгин, М.В. Самарский

ЖИДКОСТНОЕ И СВЧ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ ПЛЕНОК 8Юх, ОСАЖДЕННЫХ В ПЛАЗМЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

Исследованы процессы жидкостного химического и плазменного травления пленок нестехиометрической окиси кремния, полученных в СВЧ плазме газового разряда. Уста-

новлено, что для полного удаления данных пленок необходимо применять последовательность жидкостного и плазменного травлений.

СВЧ плазма, тонкие пленки, окись кремния, жидкостное химическое травление, плазменное травление

D.V. Nefedov, S.Yu. Suzdaltsev, V.Ya. Shanigin, M.V. Samarskiy

LIQUID AND MICROWAVE PLASMA-CHEMICAL ETCHING OF THE SIOX FILMS DEPOSITED IN THE GAS DISCHARGE PLASMA

The research deals with the processes of the liquid chemical and plasma etching of non-stoichiometric silicone oxide films obtained in the microwave gas discharge plasma. To completely remove the given the films, it is necessary to utilize a step-by-step liquid and plasma etching procedure.

Microwave plasma, thin films, silicone oxide, liquid chemical etching, plasma etching

Актуальность. Применение автоэмиссионных катодов с высокой плотностью электронного тока способно улучшить характеристики электровакуумных приборов и дать дополнительное ускорение в развитии вакуумной микроэлектроники. Для получения высокой плотности тока необходимо увеличивать эффективность и концентрацию эмиссионных центров. Причем для исключения взаимного экранирование и снижения перегрева эмиссионных центров требуется создавать катоды с контролируемым распределением по поверхности. Эффективным путем распределения эмиссионных центров могут быть техпроцессы с использованием фотолитографии. Однако фотолитографические способы обработки могут существенно отличаться от стандартных для пленок из нестехиометрической окиси кремния (SiOx), технологичного диэлектрика получаемого в СВЧ плазме газового разряда. Пленки SiOx могут быть получены как методом резистивного испарения в вакууме порошка SiO [1], так и методами химического осаждения из газовой фазы (CVD), активированными плазмой из тетраэтилортосиликата, гексаметилдисилоксана или смеси моносилана с оксонитридом азота [2, 3], при этом значение x может варьироваться в диапазоне от 1 до 2. Так как пленки SiOx являются менее распространенным материалом при изготовлении компонентов электроники, это приводит к необходимости адаптации имеющихся технологий к данному материалу [4]. Целью данной работы являлась отработка технологии травления нестехиометрической окиси кремния для создания автоэмиссионных катодных структур на основе имплантированного монокристаллического кремния при помощи фотолитографии.

Структура образца. В ходе выполнения работы были изготовлены образцы на подложках монокристаллического кремния имплантированного углеродом, показавшие способность к автоэлектронной эмиссии. На поверхность подложек последовательно осаждалась диэлектрическая пленка SiOx и наносился фоторезист, в котором формировались окна 2x2 мкм (рис. 1). Из этих окон осуществлялось удаление диэлектрической пленки на всю ее толщину, так чтобы на дне окна открывалась эмитирующая подложка. На завершающем этапе фоторезистивная маска удалялась, и образец был готов для автоэмиссионных измерений.

Методика. В качестве подложек применялись пластины монокристаллического кремния размером 1 x2 см. Поверхность пластин предварительно подвергалась имплантации ионами углерода с энергией

17 2 18 2

30 кэВ и с дозами 5x10 ион/см и 10 ион/см и без имплантации. На подложки подготовленного кремния осаждались пленки нестехиометрической окиси кремния SiOx, полученного путем разложения паров тетраэтилортосиликата (ТЭОС, C8H20O4Si) в СВЧ плазме газового разряда. Параметры процесса осаждения: температура подложки 200°С, смещающий потенциал на подложкодержателе -200 В, давление паров рабочего вещества 0,1 Па. Полученные пленки имели толщину 200-720 нм.

Позитивный фотолитографический процесс осуществлялся в установке экспозиции и совмещения MJB4. Использованный фотошаблон содержал рисунок, представляющий собой четыре области размером 4x4 мм, с окнами размером 2x2 мкм и расстоянием между окнами 5, 6, 7 и 8 мкм. Нанесение фоторезиста марки AZ 5214E осуществлялось в центрифуге при скорости вращения 4000 об/мин. Подсушивание проводилось при 80°С в течение 1 мин. Засветка фоторезиста УФ-излучением производилась через фотошаблон в контактном режиме, время экспозиции 1,4 с. Проявка в проявителе AZ

726МШ в течение 90 с. В результате происходили удаление фоторезиста из засвеченных областей и вскрытие окон согласно рисунку фотошаблона.

Фоторезист

Рис. 1. Схематическое изображение образца на каждом этапе технологического маршрута: а - после фотолитографии и вскрытия окон в фоторезистивной маске; б - после жидкостного химического травления; в - после травления в плазме О2; г - после удаления фоторезистивной маски, структура в схеме измерения автоэлектронной эмиссии

С целью удаления пленки SiOx из вскрытых окон полученный образец подвергался жидкостному химическому травлению (ЖХТ). В качестве травящего состава применялся раствор плавиковой кислоты (HF) и фтористого аммония (NH4F) в дистиллированной воде в пропорции 1:5:5. Температура ЖХТ 22(±1)°С. Данный раствор селективно взаимодействует с SiO - SiO2 и не взаимодействует с монокристаллическим Si [5]. Окончательным этапом удаления остатков диэлектрической пленки из полученных окон являлся этап СВЧ плазмохимического травления (ПХТ) в кислородсодержащей плазме. В качестве кислородсодержащей газовой смеси использован осушенный воздух.

Качество всех вышеупомянутых процессов контролировалось с помощью оптического микроскопа Olympus МХ51, оснащенного видеокамерой, и с помощью профилометра Dektak 150.

Жидкостное химическое травление. При проведении ЖХТ объем травящего состава HF:NH4F:H2O значительно превышал количество растворяемой пленки, использовалось непрерывное перемешивание и для каждого образца использовалась свежая порция раствора, что поддерживало химическую активность травящего состава на необходимом уровне. После травления измерялась толщина пленки и рассчитывалась средняя скорость травления за весь интервал проведения процесса ЖХТ.

Для определения динамики травления пленки SiOx осуществлялась выдержка образцов в травящем растворе от 0,5 до 6 мин. На рис. 2 показана зависимость изменения толщины (Ah) пленок SiOx, с исходной толщиной 560±15 нм в растворе HF:NH4F:H2O от продолжительности процесса ЖХТ.

Как видно из рис. 2, максимальное изменение толщины пленки отмечено для первых минут процесса, далее с увеличением продолжительности травления изменения толщины не происходит, процесс ЖХТ останавливается. Если не учитывать обнаруженную особенность пленок нестехиомет-рической окиси кремния SiOx, полученных в СВЧ плазме газового разряда, то при практическом применении таких пленок в литографических процессах это приведёт к чрезмерному анизотропному подтраву под фоторезистивную маску и существенно исказит требуемую топологию.

При рассмотренных условиях использование ЖХТ оказалось малоэффективно для полного удаления пленки диэлектрика из SiOx при разработке микроразмерных техпроцессов с фотолитографией.

СВЧ плазменное травление в кислородсодержащей плазме. Скорость травления, измеренная нами после ПХТ исходных (не подвергнутых ЖХТ) пленок SiOx толщиной от 200 до 470 нм, составила 1,5 нм/мин. Режим плазменного травления: продолжительность 10 мин, потенциал на под-ложкодержателе -100 V, давление плазмообразующего газа 0,1 Па. Изменение продолжительности обработки и величины прикладываемого к подложке электрического потенциала (от -100 до -300 V) не оказало заметного влияния на скорость травления.

300 п 250 -200 -

2

31 150 -

.с

<

100 -50 -

0 -■

0 1 2 3 4 5 6 7

длительность, мин

Рис. 2. Зависимость изменения толщины пленки от длительности процесса ЖХТ

На рис. 3 приведены значения средней скорости СВЧ ПХТ пленок толщиной 200-470 нм, не подвергавшихся ЖХТ (в нуле по оси Х) и после ЖХТ продолжительностью от 0,5 до 3 мин.

длительность ЖХТ, мин

Рис. 3. Изменение средней скорости СВЧ плазменного травления ЭЮх пленки при различной длительности предварительного ЖХТ

Несмотря на то, что кислородсодержащая плазма оказывает слабое травящее воздействие на исходную пленку 8Юх, обнаружено, что она эффективно удаляет такую же пленку, но подвергнутую ЖХТ. Скорость травления в плазме для исходной пленки составляет около 1,5 нм/мин, а после обработки ЖХТ в 5 раз выше, около 8 нм/мин. Очевидно, что воздействие травящего раствора при ЖХТ на материал пленки 8ЮХ делает материал более восприимчивым к ионно-плазменной обработке в среде кислорода, причем избыточная продолжительность ЖХТ не приводит к дальнейшему улучшению эффективности ПХТ. Так, обработка пленок толщиной 200-470 нм методом ЖХТ в течение более 1,5 мин не изменила скорость ПХТ.

Обнаружено, что при ПХТ пленок после ЖХТ эффективность травления существенно возрастает с увеличением электрического потенциала, приложенного к подложке (рис. 4).

В случае использования подложек с различной дозой ионной имплантации монокремния углеродом скорость ПХТ возрастает с увеличением дозы и, соответственно, поверхностной электропроводности подложки.

Эксперименты по плазменному травлению пленок исходной толщины 200-720 нм после ЖХТ показали, что толщина пленки не оказывает влияния на скорость травления. Это создаёт удобства для расчета глубины протрава пленки при ПХТ и позволяет варьировать значения электрического потенциала и продолжительности процесса травления.

0 J-т-т-т-т-1

-250 -200 -150 -100 -50 0

и, В

Рис. 4. Влияние электрического потенциала, приложенного к подложке, на скорость травления в кислородсодержащей плазме пленок SiOx после ЖХТ. Пленки осаждены на подложки монокристаллического кремния без имплантации (1) и с дозами имплантации углерода

51017 ион/см2 (2), 1018 ион/см2 (3)

Заключение. Нами показано, что для пленок нестехиометрической окиси кремния SiOx, полученных путем разложения ТЭОС в СВЧ плазме, неэффективно раздельное использование ЖХТ в HF:NH4F:H2O или СВЧ ПХТ в воздушной плазме. Однако при комбинации этих способов, т.е. при последовательном ЖХТ и плазменном травлении, пленки пригодны для создания распределенных объектов при помощи фотолитографии. Определено, что для корректного перенесения рисунка с фотошаблона на пленку SiOx толщиной менее 470 нм при формировании отверстий с нарушением геометрии менее 10 % продолжительность ЖХТ должна быть от 1 до 1,5 мин. Скорость ПХТ в воздушной плазме для обработанной ЖХТ пленки на подложке из неимплантированного кремния составит 20 нм/мин при потенциале -200 V.

При выполнении работы было задействовано оборудование «Объединенной научно-исследовательской лаборатории СГУ-ИРЭ».

ЛИТЕРАТУРА

1. Исследование нанокристаллов кремния в слоях субоксида кремния методом комбинационного рассеяния света / Н.Е. Маслова, А. А. Антоновский, Д.М. Жигунов и др. // ФТП. 2010. Т. 44. в. 8. С. 1074-1077.

2. Borer B.U. SiOx Thin Film Depositionon Partióles by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition in a Circulating Fluidized Bed Reactor: Diss. ETH № 16183 / B.U. Borer. Swiss Federal Institute of Technology Zürich. Switzerland, 2005. Р. 125.

3. Silicon nanocluster crystallization in SiOx films studied by Raman scattering / S. Hernández, A. Martínez, P. Pellegrino et al. // Journal of Applied Physics. 2008. 104, 044304.

4. Травление пленок на основе SiOx, полученных в СВЧ плазме газового разряда / Д.В. Нефедов, С.Ю. Суздальцев, В.Я. Шаныгин, Р.К. Яфаров // Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика: тез. докл. X Всерос. конф. молодых ученых / СФ ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Саратов, 2015. С. 111-112.

5. Кривошеева А.Н., Лучинин В.В. Процессы жидкостного химического травления в технологии микросистем: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. 118 с.

Нефедов Денис Владимирович - Denis V. Nefedov -

кандидат технических наук, научный сотрудник Ph. D., Research Assistant

Саратовского филиала Института радиоэлектроники Kotel'nikov Institute of Radioengineering

им. В.А. Котельникова РАН and Electronics of RAS Saratov branch

Суздальцев Сергей Юрьевич -

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Саратовского филиала Института радиоэлектроники им. В.А. Котельникова РАН

Sergey Yu. Suzdaltsev -

Ph. D., Senior Research Assistant Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of RAS Saratov branch

Шаныгин Виталий Яковлевич -

старший инженер Саратовского филиала Института радиоэлектроники им. В.А. Котельникова РАН

Vitalii Ya. Shanygin -

Senior Engineer

Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of RAS Saratov branch

Самарский Михаил Владимирович -

старший инженер Саратовского филиала Института радиоэлектроники им. В.А. Котельникова РАН

Mikhail V. Samarskiy -

Senior Engineer

Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of RAS Saratov branch

Статья поступила в редакцию 17.08.15, принята к опубликованию 10.11.15