eng
Выпуск #7/2017
В.Одиноков
Новые вакуумно-плазменные процессы и оборудование для микроэлектроники
Новые вакуумно-плазменные процессы и оборудование для микроэлектроники
Просмотры: 2395
Рассмотрены актуальные вакуумно-плазменные процессы для микроэлектроники: атомно-слоевое осаждение, плазмохимическое травление, формирование мелкощелевой изоляции и очистка поверхности пластин.
УДК 621.382, ВАК 05.27.01, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.78.7.72.81
УДК 621.382, ВАК 05.27.01, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.78.7.72.81
Теги: atomic layer deposition plasma-chemical etching shallow trench isolation wafer stripping атомно-слоевое осаждение мелкощелевая изоляция очистка пластин плазмохимическое травление
ОАО "Научно-исследовательский институт точного машиностроения" освоило новые вакуумно-плазменные технологические процессы и разработало промышленное автоматизированное оборудование для серийного производства изделий микроэлектроники.
АТОМНО-СЛОЕВОЕ ОСАЖДЕНИЕ
Согласно дорожной карте развития микроэлектроники, к 2020 году минимальный характерный размер топологии интегральных микросхем будет достигать 5–10 нм, а формируемые тонкопленочные покрытия должны обладать комплексом свойств, обеспечивающих надежность работы полупроводниковых устройств. Существующее технологическое оборудование для формирования тонкопленочных покрытий вакуумно-плазменными методами (PVD и СVD) не обеспечивает требуемые параметры качества формируемых сверхтонких пленок.
Атомно-слоевое осаждение (АСО) позволяет создавать тонкие пленки нанометровой толщины. Кроме того, сверхтонкие покрытия, полученные по методу АСО, обладают рядом уникальных характеристик (конформность, сплошность, стехиометрия), которые способствуют их применению, например, в следующих отраслях:
микроэлектроника (подзатворные диэлектрики с высоким k, металлические слои затворного электрода, затравочные и барьерные слои в технологии сквозных отверстий TSV и т.д.);
солнечная энергетика (пассивирующий слой, проводящие оксиды, промежуточные многослойные многокомпонентные структуры и т.д.);
производство твердотельных топливных элементов (анодные слои, слои электролита, катодные слои и т.д.);
машиностроение (коррозионностойкие покрытия, пары трения и т.д.);
медицина (биосовместимые покрытия для имплантов).
АСО реализуется в виде повторно-циклируемой химической реакции с последовательной адсорбцией на подложке двух реагентов – прекурсоров, продукт взаимодействия которых формирует пленку диэлектрика либо металла. В АСО фазы сорбции прекурсоров и собственно реакции между ними перемежаются продувкой инертным газом и откачкой объема реактора для удаления излишков прекурсоров и газообразных продуктов реакции. Ростовой процесс в каждом цикле самоограничивается толщиной одного монослоя выращиваемой пленки. Схематически фазы атомно-слоевого цикла показаны на рис.1. На рис.2 представлены примеры химических процессов, протекающих на поверхности образца при осаждении пленок оксида алюминия Al2O3, оксида титана TiO2 и оксида цинка ZnO.
Преимуществом метода АСО является хорошее управление стехиометрическим составом наносимых пленок с высокой степенью однородности по площади пластины. Их толщина контролируется в процессе роста с точностью до одного мономолекулярного слоя. Температура пластины в процессе нанесения пленки не превышает 300 °C. Однако скорость осаждения оказывается существенно ниже, чем при использовании других методов, что ограничивает применение АСО только задачами прецизионного нанесения сверхтонких пленок.
Для повышения производительности процесса АСО применяется удаленный источник плазмы на основе индуктивно-связанного ВЧ газового разряда. Технологические газы, проходя через область горения разряда, разлагаются на радикалы, которые участвуют в формировании пленок на поверхности образцов. Чтобы плазма в источнике не оказывала радиационного воздействия на образцы и не повреждала структуру пленок, выходная апертура источника удалена от реактора на значительное расстояние и отделена от него быстродействующим вакуумным затвором.
Сам по себе процесс АСО имеет довольно простой алгоритм работы, но оборудование для его реализации должно оснащаться большим количеством надежных узлов, так как используются воспламеняющиеся и вредные для здоровья химические реактивы, которые необходимо быстро повторно-циклично подавать в реактор.
На рис.3 показана схема установки АСО с плазменной активацией и поштучной загрузкой пластин диаметром до 200 мм с помощью шлюзовой камеры. На рис.4 показана схема подготовки и подачи прекурсоров. Прекурсорами называются химические реактивы, компоненты которых реагируют с компонентами на поверхности образцов, в результате чего формируется один молекулярный слой вещества с образованием летучих соединений, которые затем удаляются продувкой реактора. Прекурсоры – в основном металлоорганические соединения с различным уровнем давления насыщенных собственных паров. Если давление на поверхности металлоорганической жидкости меньше 133,33 Па, то такое соединение называют прекурсором с низким давлением – его необходимо применять нагретым до температуры от 50 до 80 °C. Для подачи такого прекурсора в реактор также следует выполнять барботирование – прокачивать инертный газ с определенным расходом через ампулу (барботер), в которой находится прекурсор. Если давление на поверхности металлоорганической жидкости больше 133,33 Па, то такое соединение называют прекурсором с высоким давлением, и для подачи в реактор его необходимо охлаждать до температуры от 10 до 20 °C. Пропускание инертного газа через барботер в этом случае не требуется.
ГЛУБОКОЕ АНИЗОТРОПНОЕ ТРАВЛЕНИЕ
По прогнозам производителей ИС на 2020–2025 годы, физические размеры минимальных элементов КМОП уменьшатся ниже порога 10 нм. Несмотря на разработку перспективных туннельных транзисторов, становится ясно, что скоро будут достигнуты геометрические пределы, поэтому сейчас ведутся активные исследования трехмерных структур с возможностью укладывать стоки транзисторов друг на друга. Такой 3D-подход позволит продолжать наращивать количество компонентов на квадратный миллиметр, даже если горизонтальные физические размеры больше не будут поддаваться дальнейшему масштабированию.
Одна из технологий создания трехмерных систем – глубокое анизотропное травление, которое в наибольшей степени актуально для формирования структур MEMS и TSV, а также DRAM-конденсаторов.
Процесс глубокого анизотропного травления (Bosch-процесс) является двухстадийным и циклическим. На первой стадии (рис.5) осуществляется быстрое изотропное травление кремния в плазме SF6 газа, на второй – осаждение полимерной пленки во фторуглеродной плазме. Эти стадии циклически повторяются. На первой стадии следующего цикла под действием бомбардировки ионами Ar происходит быстрое удаление пассивирующей пленки со дна канавки, с последующим удалением кремния. На боковых стенках пассивирующая пленка сохраняется за счет отсутствия ионной компоненты при ее травлении.
Основными преимуществами Bosch-процесса являются контролируемый и стабильный профиль травления, хорошая селективность к маске, высокая скорость травления и высокое аспектное соотношение. Основной недостаток – шероховатость стенок вследствие цикличности травления.
На рис.6 представлен результат глубокого анизотропного травления отверстий диаметром 13 мкм на глубину 112 мкм при режимах, приведенных в табл.1. Неравномерность травления по пластине составила ± 3,5%.
На рис.7 представлен результат глубокого анизотропного травления щелей шириной 1,5 мкм при режимах, приведенных в табл.2. Неравномерность травления по пластине составила ± 3,5%.
На рис.8 приведена схема установки глубокого анизотропного травления с поштучной загрузкой пластин диаметром до 200 мм с помощью шлюзовой камеры.
ФОРМИРОВАНИЕ МЕЛКОЩЕЛЕВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
С развитием нанотехнологии плазмохимическое травление стало практически единственным инструментом для переноса рисунка ИС в маскирующем слое в материал подложки. Кроме того, важным этапом формирования ИС является изготовление изоляции элементов в кремниевой подложке. После того как полупроводниковая промышленность достигла критического размера 0,25 мкм, стала применяться технология мелкощелевой изоляции элементов (shallow trench isolation, STI). С каждым годом критические размеры ИС продолжают уменьшаться, и требования к изоляции элементов становятся все более высокими.
Травление кремния с формированием гладких щелей осуществляется при одновременной подаче в камеру травящего и образующего полимер газов. В результате процессы травления кремния и образования полимера на поверхности пластины происходят одновременно, но за счет напряжения смещения травление идет преимущественно в вертикальном направлении (рис.9). Основное преимущество процесса – контролируемый профиль травления, селективность к маске и высокое аспектное соотношение. Однако при травлении на большие глубины процесс становиться трудно контролируемым, что делает его нежелательным в технологии TSV.
На рис.10 показан результат травления структуры с гладкими щелями шириной 1,5 мкм при режимах, приведенных в табл.3. Равномерность травления по пластине составила ± 3,5%.
На рис.11 представлена схема установки формирования мелкощелевой изоляции на пластинах диаметром до 200 мм.
ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
СВЧ-ИСТОЧНИКА ПЛАЗМЫ
Процессы удаления фоторезистивной маски остаются одной из самых распространенных операций в микроэлектронике. С развитием технологий возникают все новые задачи по удалению фоторезиста и очистки пластин, например удаление остатков полимера после процессов глубокого анизотропного травления в TSV-структурах.
Удаление фоторезистивной маски и полимеров проводится в реакторе с удаленным СВЧ-источником плазмы. Удаленная плазма изолирует пластину от ионов и электромагнитных полей, что уменьшает нежелательные эффекты встроенного заряда, которые могут повредить активные области микросхемы на пластине. Изотропная обработка происходит с помощью химически активных частиц в отсутствии электромагнитных полей.
СВЧ-плазма (2,45 ГГц) по сравнению с ВЧ-плазмой (13,56 МГц) имеет ряд преимуществ. Микроволновая плазма характеризуется более высокой концентрацией нейтральных частиц, большими скоростями удаления фоторезиста и других загрязнений, меньшей концентрацией ионизированных частиц, что, в свою очередь, ведет к меньшему повреждению других слоев, вызванному зарядом, а также более высокой селективностью травления по отношению к нижележащим и проэкспонированным пленкам.
Для предотвращения диффузии ионов в диэлектрические или оксидные слои, пластину нагревают до температуры не более 270 °С. В процессе очистки радикалы могут включать следующие элементы: F, Cl, O, H и CFx, где х = 1, 2 или 3.
При удалении фоторезиста радикалы O перемещаются к поверхности пластины, где происходит их адсорбция (рис.12). Затем эти радикалы вступают в химическую реакцию с атомом C с образованием молекулы CO2 и последующей ее десорбцией.
Основные реакции взаимодействия радикалов с фоторезистом и полимерной пленкой протекают следующим образом:
с фоторезистом:
C + 2O → CO2;
2H + O → H2O;
N + 2O → NO2;
S + 2O → SO2;
с полимером:
(CH)x + 2O →CO2;
CxSiyOz + F → CO2 + SiF4.
Продукты реакции впоследствии удаляются откачной системой установки.
Таким образом, удаленный источник СВЧ-плазмы изолирует пластину от ионов и электромагнитных полей, которые могут повредить активные области микросхемы, а радикалы обеспечивают очистку изделия и удаление фоторезистивных или полимерных слоев.
Схема установки с источником СВЧ-плазмы для удаления фоторезиста или полимерной пленки приведена на рис.13.
Общий вид установок для проведения процессов атомно-слоевого осаждения, плазмохимического травления, формирования микрощелевой изоляции и очистки поверхности пластин представлен на рис.14.
ЛИТЕРАТУРА
Гущин О.П., Валеев А.С., Чамов А.А., Мицын Н.Г., Долгополов В.М., Одиноков В.В., Немировский В.Э., Иракин П.А. Разработка оборудования и исследование технологии глубокого травления кремния // Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника. 2015. Вып. 3 (159). С. 50–54.
Данила А.В., Долгополов В.М., Иракин П.А., Немировский В.Э., Одиноков В.В., Павлов Г.Я. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. 2015. Вып. 5 (239). С. 42–48.
Одиноков В.В., Панфилов Ю.В. Выбор типа вакуумно нанотехнологического оборудования по критерию заданной производительности //Наноинженерия. 2011. № 11. С. 7–18.
АТОМНО-СЛОЕВОЕ ОСАЖДЕНИЕ
Согласно дорожной карте развития микроэлектроники, к 2020 году минимальный характерный размер топологии интегральных микросхем будет достигать 5–10 нм, а формируемые тонкопленочные покрытия должны обладать комплексом свойств, обеспечивающих надежность работы полупроводниковых устройств. Существующее технологическое оборудование для формирования тонкопленочных покрытий вакуумно-плазменными методами (PVD и СVD) не обеспечивает требуемые параметры качества формируемых сверхтонких пленок.
Атомно-слоевое осаждение (АСО) позволяет создавать тонкие пленки нанометровой толщины. Кроме того, сверхтонкие покрытия, полученные по методу АСО, обладают рядом уникальных характеристик (конформность, сплошность, стехиометрия), которые способствуют их применению, например, в следующих отраслях:
микроэлектроника (подзатворные диэлектрики с высоким k, металлические слои затворного электрода, затравочные и барьерные слои в технологии сквозных отверстий TSV и т.д.);
солнечная энергетика (пассивирующий слой, проводящие оксиды, промежуточные многослойные многокомпонентные структуры и т.д.);
производство твердотельных топливных элементов (анодные слои, слои электролита, катодные слои и т.д.);
машиностроение (коррозионностойкие покрытия, пары трения и т.д.);
медицина (биосовместимые покрытия для имплантов).
АСО реализуется в виде повторно-циклируемой химической реакции с последовательной адсорбцией на подложке двух реагентов – прекурсоров, продукт взаимодействия которых формирует пленку диэлектрика либо металла. В АСО фазы сорбции прекурсоров и собственно реакции между ними перемежаются продувкой инертным газом и откачкой объема реактора для удаления излишков прекурсоров и газообразных продуктов реакции. Ростовой процесс в каждом цикле самоограничивается толщиной одного монослоя выращиваемой пленки. Схематически фазы атомно-слоевого цикла показаны на рис.1. На рис.2 представлены примеры химических процессов, протекающих на поверхности образца при осаждении пленок оксида алюминия Al2O3, оксида титана TiO2 и оксида цинка ZnO.
Преимуществом метода АСО является хорошее управление стехиометрическим составом наносимых пленок с высокой степенью однородности по площади пластины. Их толщина контролируется в процессе роста с точностью до одного мономолекулярного слоя. Температура пластины в процессе нанесения пленки не превышает 300 °C. Однако скорость осаждения оказывается существенно ниже, чем при использовании других методов, что ограничивает применение АСО только задачами прецизионного нанесения сверхтонких пленок.
Для повышения производительности процесса АСО применяется удаленный источник плазмы на основе индуктивно-связанного ВЧ газового разряда. Технологические газы, проходя через область горения разряда, разлагаются на радикалы, которые участвуют в формировании пленок на поверхности образцов. Чтобы плазма в источнике не оказывала радиационного воздействия на образцы и не повреждала структуру пленок, выходная апертура источника удалена от реактора на значительное расстояние и отделена от него быстродействующим вакуумным затвором.
Сам по себе процесс АСО имеет довольно простой алгоритм работы, но оборудование для его реализации должно оснащаться большим количеством надежных узлов, так как используются воспламеняющиеся и вредные для здоровья химические реактивы, которые необходимо быстро повторно-циклично подавать в реактор.
На рис.3 показана схема установки АСО с плазменной активацией и поштучной загрузкой пластин диаметром до 200 мм с помощью шлюзовой камеры. На рис.4 показана схема подготовки и подачи прекурсоров. Прекурсорами называются химические реактивы, компоненты которых реагируют с компонентами на поверхности образцов, в результате чего формируется один молекулярный слой вещества с образованием летучих соединений, которые затем удаляются продувкой реактора. Прекурсоры – в основном металлоорганические соединения с различным уровнем давления насыщенных собственных паров. Если давление на поверхности металлоорганической жидкости меньше 133,33 Па, то такое соединение называют прекурсором с низким давлением – его необходимо применять нагретым до температуры от 50 до 80 °C. Для подачи такого прекурсора в реактор также следует выполнять барботирование – прокачивать инертный газ с определенным расходом через ампулу (барботер), в которой находится прекурсор. Если давление на поверхности металлоорганической жидкости больше 133,33 Па, то такое соединение называют прекурсором с высоким давлением, и для подачи в реактор его необходимо охлаждать до температуры от 10 до 20 °C. Пропускание инертного газа через барботер в этом случае не требуется.
ГЛУБОКОЕ АНИЗОТРОПНОЕ ТРАВЛЕНИЕ
По прогнозам производителей ИС на 2020–2025 годы, физические размеры минимальных элементов КМОП уменьшатся ниже порога 10 нм. Несмотря на разработку перспективных туннельных транзисторов, становится ясно, что скоро будут достигнуты геометрические пределы, поэтому сейчас ведутся активные исследования трехмерных структур с возможностью укладывать стоки транзисторов друг на друга. Такой 3D-подход позволит продолжать наращивать количество компонентов на квадратный миллиметр, даже если горизонтальные физические размеры больше не будут поддаваться дальнейшему масштабированию.
Одна из технологий создания трехмерных систем – глубокое анизотропное травление, которое в наибольшей степени актуально для формирования структур MEMS и TSV, а также DRAM-конденсаторов.
Процесс глубокого анизотропного травления (Bosch-процесс) является двухстадийным и циклическим. На первой стадии (рис.5) осуществляется быстрое изотропное травление кремния в плазме SF6 газа, на второй – осаждение полимерной пленки во фторуглеродной плазме. Эти стадии циклически повторяются. На первой стадии следующего цикла под действием бомбардировки ионами Ar происходит быстрое удаление пассивирующей пленки со дна канавки, с последующим удалением кремния. На боковых стенках пассивирующая пленка сохраняется за счет отсутствия ионной компоненты при ее травлении.
Основными преимуществами Bosch-процесса являются контролируемый и стабильный профиль травления, хорошая селективность к маске, высокая скорость травления и высокое аспектное соотношение. Основной недостаток – шероховатость стенок вследствие цикличности травления.
На рис.6 представлен результат глубокого анизотропного травления отверстий диаметром 13 мкм на глубину 112 мкм при режимах, приведенных в табл.1. Неравномерность травления по пластине составила ± 3,5%.
На рис.7 представлен результат глубокого анизотропного травления щелей шириной 1,5 мкм при режимах, приведенных в табл.2. Неравномерность травления по пластине составила ± 3,5%.
На рис.8 приведена схема установки глубокого анизотропного травления с поштучной загрузкой пластин диаметром до 200 мм с помощью шлюзовой камеры.
ФОРМИРОВАНИЕ МЕЛКОЩЕЛЕВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
С развитием нанотехнологии плазмохимическое травление стало практически единственным инструментом для переноса рисунка ИС в маскирующем слое в материал подложки. Кроме того, важным этапом формирования ИС является изготовление изоляции элементов в кремниевой подложке. После того как полупроводниковая промышленность достигла критического размера 0,25 мкм, стала применяться технология мелкощелевой изоляции элементов (shallow trench isolation, STI). С каждым годом критические размеры ИС продолжают уменьшаться, и требования к изоляции элементов становятся все более высокими.
Травление кремния с формированием гладких щелей осуществляется при одновременной подаче в камеру травящего и образующего полимер газов. В результате процессы травления кремния и образования полимера на поверхности пластины происходят одновременно, но за счет напряжения смещения травление идет преимущественно в вертикальном направлении (рис.9). Основное преимущество процесса – контролируемый профиль травления, селективность к маске и высокое аспектное соотношение. Однако при травлении на большие глубины процесс становиться трудно контролируемым, что делает его нежелательным в технологии TSV.
На рис.10 показан результат травления структуры с гладкими щелями шириной 1,5 мкм при режимах, приведенных в табл.3. Равномерность травления по пластине составила ± 3,5%.
На рис.11 представлена схема установки формирования мелкощелевой изоляции на пластинах диаметром до 200 мм.
ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
СВЧ-ИСТОЧНИКА ПЛАЗМЫ
Процессы удаления фоторезистивной маски остаются одной из самых распространенных операций в микроэлектронике. С развитием технологий возникают все новые задачи по удалению фоторезиста и очистки пластин, например удаление остатков полимера после процессов глубокого анизотропного травления в TSV-структурах.
Удаление фоторезистивной маски и полимеров проводится в реакторе с удаленным СВЧ-источником плазмы. Удаленная плазма изолирует пластину от ионов и электромагнитных полей, что уменьшает нежелательные эффекты встроенного заряда, которые могут повредить активные области микросхемы на пластине. Изотропная обработка происходит с помощью химически активных частиц в отсутствии электромагнитных полей.
СВЧ-плазма (2,45 ГГц) по сравнению с ВЧ-плазмой (13,56 МГц) имеет ряд преимуществ. Микроволновая плазма характеризуется более высокой концентрацией нейтральных частиц, большими скоростями удаления фоторезиста и других загрязнений, меньшей концентрацией ионизированных частиц, что, в свою очередь, ведет к меньшему повреждению других слоев, вызванному зарядом, а также более высокой селективностью травления по отношению к нижележащим и проэкспонированным пленкам.
Для предотвращения диффузии ионов в диэлектрические или оксидные слои, пластину нагревают до температуры не более 270 °С. В процессе очистки радикалы могут включать следующие элементы: F, Cl, O, H и CFx, где х = 1, 2 или 3.
При удалении фоторезиста радикалы O перемещаются к поверхности пластины, где происходит их адсорбция (рис.12). Затем эти радикалы вступают в химическую реакцию с атомом C с образованием молекулы CO2 и последующей ее десорбцией.
Основные реакции взаимодействия радикалов с фоторезистом и полимерной пленкой протекают следующим образом:
с фоторезистом:
C + 2O → CO2;
2H + O → H2O;
N + 2O → NO2;
S + 2O → SO2;
с полимером:
(CH)x + 2O →CO2;
CxSiyOz + F → CO2 + SiF4.
Продукты реакции впоследствии удаляются откачной системой установки.
Таким образом, удаленный источник СВЧ-плазмы изолирует пластину от ионов и электромагнитных полей, которые могут повредить активные области микросхемы, а радикалы обеспечивают очистку изделия и удаление фоторезистивных или полимерных слоев.
Схема установки с источником СВЧ-плазмы для удаления фоторезиста или полимерной пленки приведена на рис.13.
Общий вид установок для проведения процессов атомно-слоевого осаждения, плазмохимического травления, формирования микрощелевой изоляции и очистки поверхности пластин представлен на рис.14.
ЛИТЕРАТУРА
Гущин О.П., Валеев А.С., Чамов А.А., Мицын Н.Г., Долгополов В.М., Одиноков В.В., Немировский В.Э., Иракин П.А. Разработка оборудования и исследование технологии глубокого травления кремния // Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника. 2015. Вып. 3 (159). С. 50–54.
Данила А.В., Долгополов В.М., Иракин П.А., Немировский В.Э., Одиноков В.В., Павлов Г.Я. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. 2015. Вып. 5 (239). С. 42–48.
Одиноков В.В., Панфилов Ю.В. Выбор типа вакуумно нанотехнологического оборудования по критерию заданной производительности //Наноинженерия. 2011. № 11. С. 7–18.
Отзывы читателей
