ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ ФОТОРЕЗИСТИВНЫХ ПЛЁНОК

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

Гомжин И.В., Лебедев Э.А., Федоров Н.Н., Гущин О.П.

E-mail: niipm@comch.ru ОАО “НИИПМ”

Научно-исследовательский институт полупроводникового машиностроения

В работе рассматривается влияние основных технологических параметров сухого проявления фоторезистов: давления, мощности, величины низкочастотного смещения на скорость, анизотропность, селективность, которое осуществлялось через маску, сформированную на поверхности фоторезиста путем силилирования из газовой фазы гексаметилдисилазаном или полученную низкотемпературным осаждением оксида кремния.

Экспериментальные результаты были получены в разработанном реакторе с индукционным возбуждением плазмы кислорода и независимым смещением на подложкодержателе. Возбуждение газа осуществлялось путём подачи высокочастотного напряжения на частоте 13,56 МГц на плоский индуктор, выполненный в виде спирали и отделённый от вакуумного объёма кварцевой диэлектрической прокладкой. Пластины располагались на водоохлаждаемом подложкодержателе, расположенном параллельно индуктору. На подложкодержатель подавалась регулируемое низкочастотное смещение на частоте 440 КГц.

Показано, что при травлении нижележащего планаризирующего слоя фоторезиста “Негаплаз” толщиной 1 мкм (маскирующий слой Si0₂, рисунок в котором формируется плазмохимическим травлением в реакторе высокого давления в плазме С₃F₈ через маску фоторезиста ФП-051МК) увеличение давления до 9· 10^-2 Па приводит к значительному боковому подтраву. Уменьшение низкочастотного смещения до U_см = -30 В приводит к боковому подтраву под маску SiO₂, увеличение смещения до -200 В приводит к распылению края маски. В рассматриваемом реакторе в интервале давления 6· 10^-2... 9· 10^-2 Па, мощности W(13,56) = 200...400 Вт и U_см (440 Кгц)= -100 В травление трехслойных масок осуществлялось со скоростью 0,8...1,1 мкм/мин и анизотропностью А= 10...15.

Было проведено исследование проявления резиста “Негаплаз” через маски, полученные путем силилирования. Газофазное силилирование проводилось на модернизированной линии микролитографии “ Лада-150А”.

Процесс проявления проводился со скоростью V= 0,5 мкм при следующем режиме работы реактора:W(13,56 МГц ) = 200 Вт, Р=3,7 · 10^-2 Па, U_см = -60 В. Получен минимальный размер дорожек 0,5...0,7 мкм с вертикальным профилем травления.

Скорость проявления резиста не ограничивается величиной 0,5 мкм/мин. Конструктивные возможности реактора позволяют проявлять фоторезистивные слои с более высокими скоростями при соответствующей оптимизации процесса газофазного силилирования.

Плазмостойкость полученных силилированных масок оценивалась по селективности (S) травления силилированных и несилилированных областей в кислородной плазме при различных параметрах процесса сухого травления. Для получения высокого селективности необходимо выбирать условия, когда энергия ионов не слишком велика, чтобы избежать распыления оксидной маски, сформированной силилированием в экспонированных областях. В представленной работе показано, что при низкочастотном смещении на подложкодержателе U_см (440кГц) = -60 В была достигнута S> 15, следует также отметить отсутствие следов микромаскирования на нижележащих функциональных слоях.

Таким образом, путем оптимизации основных технологических факторов удалось сформировать фоторезистивные маски с элементами размером до 0,5 мкм и вертикальным профилем. В докладе представлены фотографии с растрового электронного микроскопа рельефа с размером линий 0,6 мкм, сформированного в плёнке фоторезиста “Негаплаз” по схеме DESIRE процесса.

ПЛАЗМЕННОЕ УДАЛЕНИЕ ФОТОРЕЗИСТА В ПОТОКЕ АКТИВИРОВАННОГО ГАЗА

Гомжин И.В., Лебедев Э.А., Федоров Н.Н.

Одним из путей повышения качества обработки пластин в процессе сухого снятия фоторезиста является применение систем с разделением зон активации плазмы и расположения пластин. Особый интерес к такому способу обработки пластин возникает в связи с задачей удаления фоторезиста в производстве СБИС с использованием тонкого(<250A) изолирующего слоя.

Авторами разработана оригинальная конструкция реактора для плазмохимического удаления фоторезиста с пластин диаметром до 150мм. Система возбуждения газового разряда в реакторе выполнена в виде двух плоскопараллельных электродов, через которые проходят кварцевые трубы. Возбуждение плазмы осуществляется ВЧ генератором на частоте 13,56 МГц. Зоны активации плазмы и расположения пластины разделены расстоянием порядка 350 мм.

Исследовано влияние конструктивных характеристик реактора и технологических параметров процесса на скорость удаления фоторезиста, потенциал плазмы в зоне обработки и характер электрических повреждений, возникающих в тонком нижележащем слое оксида кремния.

Сравнительный анализ реакторов с индукционным и емкостным возбуждением разряда показал, что более эффективным по пространственной локализации плазмы является емкостный способ возбуждения.

Исследовано влияние добавок инертных газов к кислороду на скорость удаления фоторезиста. Добавление тяжелых инертных газов приводит к увеличению скорости удаления фоторезиста в 3…5 раз, причем наибольший эффект дает добавление аргона. При этом максимум скорости удаления фоторезиста совпадает с минимумом потенциала плазмы в зоне обработки пластины, что не реализуется при добавлении других газов (Kr, Хе, СF₄), также повышающих скорость снятия фоторезиста (рис.1).

Установлено, что частота пробоев тонкого оксида кремния (оцениваемая по току утечки на уровне превышающем 100 нА при напряженности электрического поля в диэлектрике 8 МВ/см) пропорциональна постоянному потенциалу плазмы в зоне обработки пластины в диапазоне изменения потенциала от 10В до 100В и уменьшается с увеличением толщины диэлектрика. В случае обработки пластин при потенциале плазмы меннее 10В не наблюдается прямой корреляции частоты пробоев с величиной потенциала плазмы. Существует незначительная величина частоты пробоев (0,5-1,2%), не зависящая от толщины диэлектрика, сравнимая с частотой пробоев тонкого (130A) оксида кремния при химическом снятии фоторезиста (1-2%) (рис.2).

Анализ вольт-фарадных характеристик структур показал, что в случае обработки пластин при величине потенциала лежащем в пределах от 0 до 10 В происходит незначительное увеличение эффективной плотности поверхностных состояний N_ss на границе раздела Si-SiO₂ (130) - с величины N_ss = 9,1•10¹⁰ см ^-2 до 1,38•10¹¹ см^-2, что соответствует смещению потенциала плоских зон V_fb = -56 мВ. При потенциале плазмы равном 50 В плотность поверхностных состояний увеличивается на порядок.

Разработан технологический процесс, позволяющий осуществлять удаление фоторезиста ФП 051МК (задубленного в течение одного часа при температуре 200⁰С) в смеси аргона с кислородом при давлении 500-800Па, мощности 1000Вт и потенциале плазмы в зоне обработки 1 - 3 В с пластин диаметром 150 мм со скоростью 1 мкм/мин, диаметром 100 мм - более 1,5 мкм/мин при практически бесконечной селективности к оксиду кремния. Фоторезист, подвергавшийся стабилизации глубоким ультрафиолетовым излучением, или после операции плазмохимического травления алюминия, удаляется с той же скоростью.

Рис.1 Зависимость скорости удаления фоторезиста (1) и потенциала

плазмы (2) от давления : О₂+76%Аr, Н=310мм, W=950 Вт, Т=250^оС.

Рис.2 Зависимость частоты пробоев оксида кремния от потенциала плазмы в

зоне обработки пластин:

– dsio₂=130

O – dsio₂=220

Легирование фоторезиста мышьяком (доза 1200 мкКл) приводит к уменьшению скорости удаления на 17%, а фосфором (доза 600 мкКл) на 30%.

АНИЗОТРОПНОЕ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ МОНОКРЕМНИЯ.

Гомжин И.В., Лебедев Э.А., Федоров Н.Н., Гущин О.П.

В настоящей работе представлены результаты исследования направленного травления моно-Si в реакторе с индукционным возбуждением газа без использования полимерообразующих добавок и с независимым низкочастотным смещением на подложкодержателе, обеспечивающим контроль энергии и потока ионов на обрабатываемую поверхность независимо от их генерации.

Возбуждение газа осуществлялось в кварцевом цилиндре при подаче высокочастотного напряжения (f=13,56 МГц) на индуктор. Процесс травления проводили в вакуумной камере, внутри которой размещен изолированный водоохлаждаемый подложкодержатель. На подложкодержатель подавалось низкочастотное смещение (f= 440 кГц). Откачка из вакуумной камеры осуществлялась до остаточного давления ~ 10^-3 Па. Для поджига плазмы при пониженном давлении использовался соленоид, охватывающий индуктор.

В экспериментах использовались кремниевые пластины с ориентацией (100), на поверхности которых был сформирован рисунок с топологическим размером l= 1,5 мкм и l= 3 мкм.

Измерения глубины травления моно-Si и анализ профиля проводились на растровом электронном микроскопе “CamScan” (Англия) и интерферометре МИИ-4.

В качестве плазмообразующего газа использовалась смесь элегаза и кислорода, позволяющая получать высокие скорости травления моно-Si и формировать анизотропный профиль за счет образования на стенке канавки пассивирующего слоя SiOx, который препятствует взаимодействию фтора с кремнием.

В результате проведения экспериментов было установлено, что изменение частоты в диапазоне 100кГц-440 кГц не оказывает влияния на скорость и анизотропию травления.

Наиболее сильное влияние на формируемый профиль травления оказывает давление газа в реакторе (рис.1а). Увеличение давления Р> 9•10^-2 Па приводит к изотропному подтраву под край оксидной маски, причиной которого является отклонение ионов, рассеянных при столкновении с молекулами в приэлектродном слое. Проведение процесса при давлении ниже 4 •10^-2 Па связано с трудностями по устойчивому поддержанию плазменного разряда без использования магнитного поля, наложение которого на индукционный разряд приводит к уменьшению анизотропии травления вследствие искривления траектории движения ионов.

Исследование характера зависимости от ВЧ мощности (рис.1б) показало, что скорость травления моно-Si увеличивается с ростом мощности от 1,1 мкм/мин до 1,77 мкм/мин для структур с топологическим размером ширины канавки в оксидной маске l= 3 мкм. Травление канавок шириной l= 1,5 мкм происходит с меньшей скоростью, что связано с затруднением газообмена в канавке. Увеличение мощности при давлении Р=6,5•10^-2 Па более 800 Вт приводит к уменьшению угла наклона боковых стенок; изменение мощности от 400 Вт и ниже приводит к изотропному подтраву под край маски. Это объясняется тем, что при уменьшении ВЧ мощности снижается НЧ мощность, необходимая для поддержания постоянного потенциала смещения –60В, что приводит к уменьшению потока ионов, бомбардирующих поверхность, и, следовательно, направленности травления. Увеличение ВЧ мощности сопровождается возрастанием ионного потока, поэтому наблюдается растрав края маски.

Изменение низкочастотного смещения от –20В до –100В приводит к падению селективности травления моно-Si к оксидной маски за счет увеличения скорости травления SiO₂(рис.1в). Канавки, протравленные при напряжении смещения Исм‹ -20В, имели отрицательный прогиб боковых стенок из-за низкой направленности ионов. Профиль канавок, протравленных при напряжении смещения от –20 В до –80В, был близок к вертикальному, угол наклона боковых стенок (?) составил 85⁰…89⁰.

Рис.1 Зависимость скорости травления моно-Si и селективности S(Si/SiO₂) от

давления (а), ВЧ мощности (б) и величины низкочастотного смещения на

подложкодержателе (в).

Анализ исследуемых зависимостей позволил выбрать оптимальный режим травления моно-Si: давление Р=6,5•10^-2 Па, мощность W=600Вт (f=13,56МГц), низкочастотное смещение Исм =-60В, расход элегаза Q=12,1 см³/мин, расход кислорода Q=3,6 см³/мин, в котором были протравлены канавки шириной 1,5 мкм через оксидную маску толщиной 1,40 мкм на глубину 7,5 мкм при сохранении остаточного слоя SiO₂толщиной 0,2 мкм; через алюминиевую маску толщиной 1 мкм - до 30 мкм. Травление полирующее, дно и стенки канавок гладкие, без полимерных загрязнений переосаждения маски и следов микромаскирования.