Актуальность темы
.
Начиная с конца 1970;х плазмохимическое и реактивноионное травление получило широкое распространение в технологии интегральных схем (ИС). Это, в первую очередь, связано с тем, что плазменное травление обладает высокой анизотропией и происходит при достаточно низких температурах. В настоящее время, с развитием нанотехнологии, плазмохимическое травление является практически единственным инструментом для перенесения рисунка ИС в маскирующем слое в материал подложки.
Важным этапом формирования ИС является изготовление изоляции элементов в кремниевой подложке. С момента, как полупроводниковая промышленность достигла критического размера 0.25 мкм для изоляции элементов применяется технология мелкощелевой изоляции (shallow trench isolation (STI)). С каждым годом полупроводниковая промышленность продолжает уменьшать критические размеры интегральных схем и требования к изоляции элементов становятся все более строгими. Например, важными параметрами вытравлимаемых канавок для мелкощелевой изоляции являются такие, как скругление дна и верхних углов канавки, боковые гладкие стенки с углом наклона- 75°-85° и высокая однородность этих параметров по пластине. Одним из факторов, определяющих заданные требования, является воспроизводимость процесса от пластины к пластине, играющая существенную роль в процессе травления. Изменение в состоянии стенок реактора и их влияние на химический состав плазмы было определено как одна из наиболее важных причин изменения параметров процесса, таких как изменение в скорости травления, в профиле структуры, в селективности к маске или однородности по пластине. Было показано, что изменение в состоянии стенок реактора после каждой /пластины происходит из-за осаждения продуктов реакции на внутренние части камеры, что приводит к потерям (или образованию) активных частиц в плазме. Хотя, в настоящее время данная проблема сведена к минимуму путем использования очистки камеры после травления каждой пластины (wafer-less auto clean (WAC)) во фтори кислородсодержащей плазме, некоторые вопросы все еще остаются непонятыми до конца и процессы нуждаются в дополнительной оптимизации.
При переходе на пластины большего диаметра многие проблемы, особенно связанные с однородностью, приобретают качественно новый аспект. Некоторые эффекта, которые не проявляются на пластинах меньшего размера, становятся критичнымина пластинах диаметром 300 мм. Например, при травлении STI структур В: плазме GI2/O2/N2 в реакторе высоко плотнойплазмы TCP 2300 Versys Kiyo фирмы LAM: Research при определенных условияхтравления, наблюдалось полноепрекращение травлениякремнияв центре пластины. При этом параметры процесса (ВЧмощность, давление, потокигазов ит.д.) были постояннымидля каждой пластины. PeaKTop 2300 Versys Kiyo на момент выполнения работы являлся последней разработкой? из серии 2300 Versys Kiyov Он предназначен для травления кремния-. поликремния-, нитридовсилицидов и металловс критическими" размерами менее 90 нм.
Прифомировании STI структуры в процессе, с использованием, смеси CI2/O2/N2 концентрациякислорода должна быть близкак критической, чтобы. обеспечить эффективную защиту боковых стенокформируемогоуглубления пленкош оксида* кремния от подтравливания: Однако небольшое увеличение концентрации активных радикалов кислорода может привезти к полному прекращению травления.
Изменение критических условий сильно зависит от размеров пластины изгза* изменения профиля обеднения активных компонентовплазмы в результате расхода на реакцию травления, и осложнения" диффузионныхпроцессов: Также известно, что изменение отношенияшлощади поверхности к объему играет важную роль в гетерогенных химических реакциях свободных радикалов, изменяя химический состав газовойфазы (плазмы). Поэтому настоящаяработа ориентирована на исследование и оптимизацию процессовтравления канавок для мелкощелевойизоляции, вкремнии— на пластинах диаметром 300 мм. Согласно решению правительства. Российской Федерации переход на технологии с высокой, степеньюинтеграции на пластинах диаметром 300 мм является'- стратегическимнаправлением отечественной микроэлектроники. Микрон (Sitronics) являетсяпервой отечественной компанией, осваивающей технологию на пластинах диаметром 300 мм с минимальными размерами меньше 100 нм. На основании согашения между IMECom (Interuniversity Microelectronics Centre) и Микроном, существенная часть экспериментальной работы была выполнена в IMEC.
Цели и задачи работы.
Настоящая работа посвящена детальному изучению механизма прекращения, травления в центре пластины диаметром 300 мм при травлении канавок в Si для' мелкощелевой изоляции и оптимизации процесса формирования, канавки. При этом решался весь комплекс связанных с этой проблемой следующих задач:
1. Анализ причин, приводящих к дестабилизации процесса травлеш№ канавок в Si, и* выявление вклада различных факторов в изменение условий' травления, определяющих, в конечном итоге, профиль структуры, однородность травления по пластине, а также воспроизводимость процесса от пластины, к пластине.
2. Установление взаимосвязи между процессами, поисходящими в объеме и на поверхности пластины, с параметрами процесса травления, такими как, состав: газовой' смеси, давление, ВЧ-мощность, потенциал смещения на, пластине и-температура пластины.
3. Исследование эффекта образованияпрекращения! травления^ вцентре пластины, определение условий^ образования пассивирующего слоя и его-химического состава. Исследование образования этого эффекта при различных давлениях, ВЧ-мощностях, потоках газов и температуры пластины.
4. Разработка оптимальных условий процесса травления канавок в Sit для< мелкощелевой изоляции размером менее 0,18 мкм на пластинах диаметром 300 мм, обепечивающих требуемый профиль канавки, однородность травления по пластине и воспроизводимость от пластины к пластины.
Научная навизна и достоверность.
1. Впервые установлено, что нагрев кварцевого окна верхнего электрода играет существенную роль в полном прекращениитравления Si при травлении, канавок на пластинах диаметром 300 мм в газовой смеси CI2/O2/N2. Выявлена роль реакций, протекающих на поверхности и в объеме плазмы в дестабилизации условий процесса травления.
2. Установлено, что прекращение травления происходит из-за увеличения концентрации атомарного кислорода О*, несмотря на одновременное увеличение атомарного хлора С1*. Изменение концентрации радикалов связано с температурной* зависимостью вероятности рекомбинации радикалов кислорода и хлора на поверхности кварца.
3. Исследовано влияние температуры кварцевого окна верхнего электрода на образование пассивирующего слоя SiOxCly на поверхности пластины при различных потоках 02, давлениях, ВЧ-мощностях и температурах подложки. Показано, что механизм образования) пассивирующего слоя SiOxCly в смеси-GI2/O2/N2 имеет подобие с механизмом взаимодействия кремния Si с кислородом О в плазме кислорода 02 в так называемых «критических условиях» .
4. Изучены закономерности формирования профиля травления канавки в Si, однородности травления по пластине и воспроизводимости процесса от пластины к пластине при целенаправленном изменении параметров травления, таких как, состав газовой среды, давление, ВЧ-мощность, потенциал смещения на пластине и температура платины.
Практическая ценность.
1. Проведенные исследования’влияния^ кварцевого окна верхнего электрода TCP реактора высокоплотной плазмы выявили недостатки конструкции камеры при травлении структур для мелкощелевой изоляции на 300 мм* пластинах и позволили решить проблему, связанную с неоднородностью травления кремния.
2. Установлены практические рекомендации по стабилизации температуры кварцевого окна верхнего электрода реактора высокоплотной плазмы, как одной из оновных причин, дестабилизирующих процесс травления кремния.
3. Разработан базовый процесс с оптимальными параметрами, позволяющий исключить влияние температуры кварцевого окна верхнего электрода TCP реактора высокоплотной плазмы.
Структура и объем диссертации
.
Диссертация состоит из предисловия, 6 глав, заключения, одного приложенияи списка литературы, включающего работы автора. Каждая из глав (исключая Главу 3 — методика экспериментов) сопровождается разделом «Выводы», в котором кратко описываются основные из сформулированных в данной главе положений. Кроме того, в конце диссертации основные из полученных результатов изложены в разделе «Заключение» .
Диссертация начинается введением (Глава в котором дается краткое описание применения щелевых структур в изготовлении МОП-транзисторов: для формирования изоляции элементов и для формирования затвора. Также, изложена технология изготовления мелкощелевой изоляции, описаны основные сложности процессов и рассмотрены преимущества и недостатки перед технологией локального окисления кремния (LOCOS). Проводится анализ процессов травление пригодных для формирования канавок в кремнии с заданными характеристиками. Изложена проблема, возникающая при травлении структур для мелкощелевой изоляции транзисторов в ИС. Приведена постановка задачи, в которой определены, основные цели диссертационной работы. .
Во второй главе проводится анализ возможных причин, приводящих к изменению соотношения травящей компоненты к пассивирующей в плазме CI2/O2/N2, что приводит к образованию пассивирующего слоя' на поверхности пластины. Было рассмотрено, четыре возможных механизма, объясняющих изменение соотношения концентрации радикалов в плазме в процессе травления и появление прекращения травления: 1) изменение коэффициента рекомбинации атомов на поверхности кварцевого окна, с изменением температуры, 2) распыление кварцевого окна ионной бомбардировкой, что приводит к освобождению атомов О в плазму, 3) загрязнение поверхности боковых стенок камеры, т. е. изменение коэффициента рекомбинации атомов на поверхности и 4) нагрев нейтральных атомов и молекул при соударении их с нагретой поверхностью кварцевого окна, что может приводить к образованию градиента температуры на поверхности пластины, т. е. изменение кинетики поверхностных реакций.
В третьей главе диссертации подробно рассмотрен реактор высокоплотной плазмы LAM 2300 Versys Kiyo, в котором проводились все эксперименты, и< платформа LAM 2300, на которой он установлен. Изложена методика проведения экспериментов. Подробно описаныметодики, применяемые в данной работе: оптическая эмиссионная спектроскопия, объединенная с актинометрией, используемая для определения относительных концентраций частиц в плазме, и эллипсометрия, используемая для определения толщины слоя.
Четвертая глава посвящена изучению травящей плазмы Cl2/02/N2. Проводится анализ оптических эмиссионных спектров, записанных в 02/Аг, С12/Аг,.
М2/Аг, С12/02/Аг и С12/02/Н2/Аг плазмах. Показано, что увеличение температуры кварцевого окна с 47 °C до 110 °C приводит не только к увеличению концентрации радикалов О*, но также к увеличению концентраций радикалов С1* и электронно-возбужденных молекул С12 в плазме более чем на 20%, концентрация радикалов И* при этом не изменяется. По результатам проведенных экспериментов делается заключение, что при увеличении температуры кварцевого окна механизм загрязнения боковых поверхностей реактора и механизм распыления кварцевого окна играют не основную роль в увеличении концентрации радикалов О* в плазме при травлении канавок в 81 для мелкощелевой изоляции и исключаются из рассмотрения.
Пятая глава посвящена детальному изучению механизма образования пятна на поверхности пластины во время травления 81. Рассмотрен механизм окисления поверхности 81 и факторы, влияющие на скорость окисления. Проанализированы результаты экспериментов, позволяющих определить условия и состав формируемого слоя оксида кремния в центре пластины, препятствующего травлению. Исследованы зависимости размера области прекращения травления от температуры кварцевого окна при разных потоках 02, давлениях, ВЧ-мощностях и температурах пластины. Результаты экспериментов, проведенных с использованием сенсорных пластин Р1азшаТетр и РЫэтаУоИ: фирмы КХА Тепсог показывают, что температура кварцевого окна не влияет на температуру подложки во время процесса, а градиент концентрации частиц в плазме присутствует изначально. Данные эксперименты позволили исключить из рассмотрения механизм теплопроводности плазмы, доказывая, что только изменение коэффициента рекомбинации атомов на кварцевом окне приводит к изменению состава плазмы. Показано, что механизм образования оксида в центре пластины имеет сходство с взаимодействием 81 с радикалами О* в так называемых «критических условиях» .
Глава шесть посвящена оптимизации процесса травления канавок в 81 в смеси С12/02ЛЧ2 для формирования мелкощелевой изоляции в ИС. Приведен подробный анализ проблемы возникновения прекращения травления в центре пластины. Рассмотрены результаты экспериментов, проведенных для определения роли азота в исследуемой смеси. Показано, что добавка азота способствует увеличению концентрации радикалов О* в плазме и приводит к образованию более гладких поверхностей канавки. Показано, что замена азота на аргон не дает образования повышенной шероховатости поверхности на краю пятна и, также как и азот, не значительно влияет на потребление нитридной маски. Приведен анализ влияния параметров процесса (таких как потоки газов, давление, ВЧ-мощность и смещение на пластине) на профиль и селективность травления. По итогам проведенных исследований удалось подобрать оптимальные параметры процесса, позволившие исключить появление остановки травления при нагреве кварцевого окна.
Основные результаты работы и выводы.
1. Изучен процесс реактивно-ионного травления канавок в Si для формирования мелкощелевой изоляции с минимальными размерами 0,18 мкм на пластинах диаметром 300 мм в реакторе высокоплотной плазмы.
2. Установлено, что рекомбинация атомов на поверхности основная причина изменения состава плазмы и как следствие появления полного прекращения травления на пластине.
3. Впервые проведено исследование влияния температуры кварцевого окна' верхнего электрода на состав плазмы CI2/O2/N2 методом оптической эммисионной спектроскопии, объединенного с актинометрией.
4. Впервые обнаружено, что увеличение ТКО приводит к увеличению атомарных концентраций радикалов О* и С1*, при этом концентрация радикалов >1* остается постоянной. Проанализирован механизм изменения коэффициентов рекомбинации на поверхности кварца.
5. Впервые изучен механизм окисления поверхности кремния в травящей плазме С12/02ЛЧ2. Показано, что размер области прекращения травления увеличивается с увеличением ТКО, потока 02 и давления, уменьшается при увеличении температуры подложки и не меняется с ВЧ мощностью.
6. Впервые показано, что главной причиной образования области прекращения травления является увеличение концентрации радикалов О*, несмотря на одновременное увеличение концентрации радикалов С1*.
7. Установлено, что механизм образования слоя оксида кремишь в центре пластины имеет сходство с островковым механизмом окисления кремния в плазме* 02 в, так называемых, «критических условиях» .
8. Разработаны практические рекомендации по устранению зависимости? процесса травления канавок для мелкощелевой изоляции ют ТКО. На основе этих рекомендаций' создан рецепт, позволяющий" получить высокую воспроизводимость от пластины к пластины.
9. Предложены рекомендации по улучшению конструктивных особенностей реактора.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Роль объемных и гетерогенных процессов при глубинном травлении кремниевых структур в реакторе высокоплотной плазмы.
2. Роль кислорода О* в объёме и на поверхности. Эффективный процесс анизотропного травления канавок для мелкощелевой изоляции зависит от соотношения концентрации кислорода О* и хлора С1* в обьеме и на повехности пластины. Если концентрация кислорода О* оптимальна, то она обеспечивает защиту боковых стенок за счет образования слоя оксида кремния. Любые флуктуации концентрации кислорода О* приводят к изменению условий формирования защитного слоя. Формирование слоя оксида кремния в хлоркислородной смеси имеет аналогию с так называемыми процессами «критического окисления» кремния кислородом при высоких температурах.
3. Механизм образования пятна оксида, блокирующего процесс травления, которое образуется в центре пластины и его размер определяется градиентом концентрации радикалов кислорода О* в плазме, а также близостью к условиям образования критических кластеров 8Ю2 (больше кислорода — больше пятно). Градиент концентрации радикалов О* определяется температурой кварцевого окна.
4. Изменение вероятности рекомбинации атомов О* и С1* на поверхности кварцевого окна в зависимости от температуры поверхности является доминирующим фактором флуктуации компонентного состава плазмы.
5. Оптимизация процесса анизотропного травления профилей канавок для мелкощелевой изоляции в ИС.
В заключение хочу выразить искреннюю благодарность людям, которые принимали активное участие в этой работе: Гущину О. П. за моральную поддержку, безотказную помощь в обсуждении результатов, возможность получить колоссальный опыт работы в ведущем институте микроэлектроники Европы 1МЕС и за помощь в решении организационных вопросов, Шамиряну Д. Г. за неоценимую помощь в проведении экспериментов и. плодотворный анализ' полученных результатов, Миленину А. П. за поднятие настроения и помощь в проведении экспериментов с сенсорными пластинами, а также Галперину В. А за внимание к моим исследованиям.
В заключение сформулируем основные выводы и положения, выносимые на защиту.
