RU2433081C1 - Method of ion-beam treatment - Google Patents

Method of ion-beam treatment Download PDF

Info

Publication number
RU2433081C1
RU2433081C1 RU2010128123/28A RU2010128123A RU2433081C1 RU 2433081 C1 RU2433081 C1 RU 2433081C1 RU 2010128123/28 A RU2010128123/28 A RU 2010128123/28A RU 2010128123 A RU2010128123 A RU 2010128123A RU 2433081 C1 RU2433081 C1 RU 2433081C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ion
etching
substrate
charged particles
carried out
Prior art date
Application number
RU2010128123/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Петрович Маишев (RU)
Юрий Петрович Маишев
Сергей Леонидович Шевчук (RU)
Сергей Леонидович Шевчук
Юрий Петрович Терентьев (RU)
Юрий Петрович Терентьев
Original Assignee
Российская академия наук Учреждение Российской академии наук Физико-технологический институт РАН (ФТИАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская академия наук Учреждение Российской академии наук Физико-технологический институт РАН (ФТИАН) filed Critical Российская академия наук Учреждение Российской академии наук Физико-технологический институт РАН (ФТИАН)
Priority to RU2010128123/28A priority Critical patent/RU2433081C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2433081C1 publication Critical patent/RU2433081C1/en

Links

Abstract

FIELD: nanotechnologies. ^ SUBSTANCE: invention relates to micro- and nano-electronics, to the technology of nanostructures manufacturing with size of <30 nm in process of etching through a resistive mask with high aspect ratio. The method of ion-beam treatment includes treatment of dielectric materials by chemically active or inert charged particles, acceleration of which is carried out in the source of ions. Besides, the treatment of dielectric materials is carried out by a beam of ions simultaneously with supply of HF shift to the substrate. ^ EFFECT: neutralisation of positive charge at the whole area of dielectric surface of structures, reduced effect of charged particles at parameters of treated items, increased resolution of minimum sizes of their elements and etching of materials with high aspect ratio. ^ 1 dwg

Description

Изобретение относится к микро- и наноэлектронике, к технологии изготовления наноструктур с минимальным размером <30 нм при травлении через резистивную маску с высоким аспектным отношением, к процессам прецизионного травления в среде химически активных или инертных газов, осаждения бездефектных тонких диэлектрических пленок, очистки и полировки поверхностей обрабатываемых изделий. В процессе обработки поверхностей диэлектриков пучком ионов эти поверхности, как показано, например, в работе [1], заряжаются до положительного потенциала такой величины, при которой плотность тока ионов равна плотности тока электронов, отбираемых из пучковой плазмы. Между диэлектрической подложкой и пучковой плазмой образуется ленгмюровский слой d, величина которого определяется законом ЛенгмюраThe invention relates to micro- and nanoelectronics, to a technology for manufacturing nanostructures with a minimum size of <30 nm when etched through a resistive mask with a high aspect ratio, to processes of precision etching in a medium of chemically active or inert gases, deposition of defect-free thin dielectric films, cleaning and polishing surfaces processed products. In the process of treating dielectric surfaces with an ion beam, these surfaces, as shown, for example, in [1], are charged to a positive potential of such a value that the ion current density is equal to the current density of electrons taken from the beam plasma. A Langmuir layer d is formed between the dielectric substrate and the beam plasma, the value of which is determined by the Langmuir law

je=ji=A U3/2/d2,j e = j i = AU 3/2 / d 2 ,

где d - расстояние от границы пучковой плазмы до поверхности подложки; je - плотность тока электронов, отбираемых с границы пучковой плазмы на подложку; ji - плотность тока пучка ионов; U - положительный потенциал на поверхности диэлектрической подложки; А - постоянная.where d is the distance from the boundary of the beam plasma to the surface of the substrate; j e is the current density of electrons taken from the boundary of the beam plasma onto the substrate; j i is the ion beam current density; U is the positive potential on the surface of the dielectric substrate; A is constant.

Величина положительного потенциала может достигать от десятков до сотен вольт в зависимости от энергии ионов, тока пучка, давления в области обрабатываемой подложки, состава рабочего вещества.The value of the positive potential can reach from tens to hundreds of volts, depending on the ion energy, beam current, pressure in the region of the processed substrate, the composition of the working substance.

Зарядка диэлектрических пленок, нанесенных на электропроводящий слой (металл, или полупроводник), может привести к пробою диэлектрика или к появлению в нем положительного объемного заряда, существенно влияющего на параметры полупроводниковых приборов. Кроме того, зарядка диэлектрической маски вызывает искажение траекторий движения ионов при травлении функциональных слоев, особенно при высоких аспектных отношениях (глубина травления к ширине или диаметру отверстия).Charging dielectric films deposited on an electrically conductive layer (metal, or semiconductor) can lead to breakdown of the dielectric or to the appearance of a positive space charge in it, which significantly affects the parameters of semiconductor devices. In addition, charging the dielectric mask causes distortion of the ion paths during etching of the functional layers, especially at high aspect ratios (etching depth to the width or diameter of the hole).

Зарядка поверхностей диэлектриков (например, резистивных масок при травлении) в процессе обработки подложек немоноэнергетическими пучками (например, при использовании источников ионов с замкнутым дрейфом электронов [2, 3]) приводит, в частности, к отражению от подложек медленных ионов, если их энергия меньше энергии потенциала подложки и, как следствие, к снижению производительности процесса обработки.Charging the surfaces of dielectrics (for example, resistive masks during etching) during the processing of substrates by non-monoenergetic beams (for example, when using ion sources with a closed electron drift [2, 3]) leads, in particular, to the reflection of slow ions from substrates if their energy is lower energy potential of the substrate and, as a consequence, to reduce the productivity of the processing process.

Величиной положительного потенциала на диэлектрической подложке можно управлять, создавая поток электронов из специально организованного источника электронов, например термоэлектронного накаливаемого катода, полого катода, плазменного разряда. Недостатком этих методов токовой нейтрализации пучка ионов является отсутствие нейтрализации положительного поверхностного заряда в каждой точке диэлектрической поверхности даже при равенстве токов ионов и электронов на подложке. Это приводит к необходимости механического перемещения подложки относительно пучка ионов, как, например, в установке «Каштан» [4], что не всегда выполнимо, в частности, для кластерного оборудования. Кроме того, использование дополнительных источников электронов не всегда приемлемо при работе с химически активными газами при реактивном ионно-лучевом травлении.The value of the positive potential on the dielectric substrate can be controlled by creating an electron stream from a specially organized electron source, for example, a thermionic incandescent cathode, a hollow cathode, and a plasma discharge. The disadvantage of these methods of current neutralization of the ion beam is the lack of neutralization of the positive surface charge at each point of the dielectric surface, even if the currents of ions and electrons on the substrate are equal. This makes it necessary to mechanically move the substrate relative to the ion beam, as, for example, in the Kashtan installation [4], which is not always feasible, in particular, for cluster equipment. In addition, the use of additional electron sources is not always acceptable when working with chemically active gases during reactive ion-beam etching.

Целью данного изобретения является достижение технического результата, заключающегося в нейтрализации положительного заряда на всей площади диэлектрической поверхности структур, в снижении влияния заряженных частиц на параметры обрабатываемых изделий, в повышении разрешения минимальных размеров их элементов и в осуществлении травления материалов с высоким аспектным отношением. The aim of this invention is to achieve a technical result, which consists in neutralizing a positive charge over the entire dielectric surface area of structures, in reducing the influence of charged particles on the parameters of the processed products, in increasing the resolution of the minimum dimensions of their elements and in etching materials with a high aspect ratio.

Поставленная задача решается в способе, включающем обработку диэлектрической поверхности подложки пучком положительных ионов химически активных или инертных веществ при одновременной подаче на подложку ВЧ потенциала, генерирующего электроны, нейтрализующие образуемый пучком ионов положительный заряд на всей площади диэлектрической поверхности подложки.The problem is solved in a method involving treating a dielectric surface of a substrate with a beam of positive ions of chemically active or inert substances while simultaneously applying an RF potential generating electrons to the substrate that neutralizes the positive charge formed by the ion beam over the entire area of the dielectric surface of the substrate.

Один из примеров осуществления способа ионно-лучевой обработки приведен на чертеже. Технологическая вакуумная камера 1 откачивается до давления 5·10-4 Па турбомолекулярным насосом ТМН-1500 (на чертеже показан только фланец 5 для присоединения агрегата откачного) с эффективной быстротой откачки ≥700 л/с в диапазоне давлений (10-2÷1.3·10-4) Па, затем через регулятор расхода газа 7 осуществляется напуск рабочего газа или смеси газов (химически активных или инертных) в источник ионов 6, а через регулятор расхода газа 8 - в область подложки 4 (в зависимости от проводимого технологического процесса), и устанавливается рабочее давление ~10-2 Па.One example of the implementation of the ion beam processing method is shown in the drawing. Technological vacuum chamber 1 is pumped out to a pressure of 5 · 10 -4 Pa with a TMN-1500 turbomolecular pump (the drawing shows only flange 5 for connecting the pumping unit) with an effective pumping speed ≥700 l / s in the pressure range (10 -2 ÷ 1.3 · 10 -4 ) Pa, then through the gas flow regulator 7, the working gas or gas mixture (chemically active or inert) is injected into the ion source 6, and through the gas flow regulator 8, into the substrate region 4 (depending on the process being carried out), and working pressure is set ~ 10 -2 Pa

При включении электропитания в источнике ионов 6 происходит зажигание разряда и формирование направленного пучка ионов 9 рабочего вещества, распространяющегося в технологической камере до стола 2, на котором закреплены обрабатываемые подложки 4. Одновременно с этим на поверхность подложек через ВЧ ввод 3 подается ВЧ смещение величиной от 20 до 100 Вт.When the power is turned on in the ion source 6, a discharge is ignited and a directed ion beam 9 of the working substance is formed, propagating in the processing chamber to the table 2, on which the processed substrates are fixed 4. At the same time, an RF offset of 20 or more is supplied to the surface of the substrates up to 100 watts.

Эксперименты по практическому выполнению изобретения проводились на установке ионно-лучевой обработки «Каштан» [4].Experiments on the practical implementation of the invention were carried out on the installation of ion-beam processing "Chestnut" [4].

Авторами экспериментально установлено, что при одновременном травлении с помощью пучка ионов и ВЧ разряда в среде CF4 таких, например, материалов, как Nb, W, удается существенно (более чем в 4 раза) снизить рабочее давление в технологической камере. Установлено также, что при давлении 6.5·10-2 Па минимальный разрядный ток поддерживался при напряжении 600 В, что позволяет проводить травление пленочных материалов низкоэнергетичным пучком ионов.It was experimentally established by the authors that while etching with the aid of an ion beam and an RF discharge in a CF 4 medium, for example, materials such as Nb, W, it is possible to significantly (more than 4 times) reduce the working pressure in the process chamber. It was also established that at a pressure of 6.5 · 10 -2 Pa, the minimum discharge current was maintained at a voltage of 600 V, which allows etching of film materials with a low-energy ion beam.

Для формирования наноструктур с минимальными размерами элементов (до 20 нм) для автоэмиссионных приборов проведены процессы прецизионного травления Ti пучком ионов элегаза одновременно с ВЧ смещением на подложке через маску нанопористого анодного оксида алюминия толщиной до 1 мкм и диаметром отверстий (20÷30) нм (аспектное отношение структуры маски ~50:1).For the formation of nanostructures with minimum element sizes (up to 20 nm) for field emission devices, precision etching of Ti by an SF6 ion beam was carried out simultaneously with RF displacement on the substrate through a mask of nanoporous anodic alumina with a thickness of up to 1 μm and aperture diameter (20 ÷ 30) nm (aspect mask structure ratio ~ 50: 1).

По сравнению с известными техническими решениями предлагаемый способ ионно-лучевой обработки позволяет:Compared with the known technical solutions, the proposed method of ion-beam processing allows you to:

- управлять зарядом на поверхности подложки и, например, при травлении через резистивную маску устранить пробои в ней и искажения траекторий ионов;- manage the charge on the surface of the substrate and, for example, when etching through a resistive mask to eliminate breakdowns in it and distortion of the ion trajectories;

- существенно снизить влияние заряженных частиц на параметры обрабатываемых структур за счет того, что обработка их пучком ионов проводится одновременно с подачей на подложку ВЧ потенциала, генерирующего электроны, нейтрализующие положительный заряд на поверхности подложки, образуемый пучком ионов;- significantly reduce the effect of charged particles on the parameters of the structures being processed due to the fact that their ion beam is processed simultaneously with applying to the substrate an RF potential generating electrons that neutralize the positive charge on the substrate surface formed by the ion beam;

- примерно в 4 раза снизить рабочее давление в области подложек, вследствие чего возрастает анизотропия травления и разрешение минимальных размеров элементов;- reduce the working pressure in the region of the substrates by about 4 times, as a result of which the anisotropy of the etching and the resolution of the minimum dimensions of the elements increase;

- формировать наноструктуры с минимальными размерами элементов (до 20 нм), например, для автоэмиссионных приборов;- to form nanostructures with minimum element sizes (up to 20 nm), for example, for field emission devices;

- осуществлять процессы прецизионного травления наноструктур через маску толщиной до 1 мкм и диаметром отверстий (20÷30) нм (аспектное отношение структуры маски ~50:1);- carry out the processes of precision etching of nanostructures through a mask up to 1 μm thick and a hole diameter of (20 ÷ 30) nm (the aspect ratio of the mask structure is ~ 50: 1);

- обеспечить более равномерную обработку (например, травление) всей поверхности подложек;- to provide a more uniform treatment (for example, etching) of the entire surface of the substrates;

- независимо изменять состав рабочего вещества в области подложек и в пучке ионов и осуществлять в едином вакуумном цикле процессы травления, например, сплава Аl-Сu (ВЧ плазмохимическим методом травится Аl (летучие соединения АlCl), но не травится Cu (нет летучих соединений), а пучком ионов Ar травится Cu).- independently change the composition of the working substance in the region of the substrates and in the ion beam and carry out etching processes in a single vacuum cycle, for example, of an Al-Cu alloy (HF is etched by plasma-chemical method Al (volatile AlCl compounds), but Cu is not etched (no volatile compounds), and a beam of Ar ions etches Cu).

ЛитератураLiterature

1. Валиев К.А., Великов Л.В., Маишев Ю.П. Прецизионное селективное травление пленок SiO2 и Si3N4 пучками ионов химически активных газов. Труды ФТИАН, том 15. «Ионно-лучевая обработка материалов в микро- и наноэлектронике». М., Наука-Физматлит, 1999. С.3-17.1. Valiev K.A., Velikov L.V., Maishev Yu.P. Precise selective etching of SiO 2 and Si 3 N 4 films by ion beams of reactive gases. Proceedings of the FTIAN, Volume 15. “Ion-beam processing of materials in micro- and nanoelectronics”. M., Science-Fizmatlit, 1999. S.3-17.

2. Maishev Y., Ritter J., Terentiev Y., Velikov L. "Cold-cathode ion source with propagation of ions in the electron drift plane". Patent No.6130507, Date of Patent: October 10, 2000.2. Maishev Y., Ritter J., Terentiev Y., Velikov L. "Cold-cathode ion source with propagation of ions in the electron drift plane". Patent No.6130507, Date of Patent: October 10, 2000.

3. Маишев Ю.П. Источники ионов для реактивного ионно-лучевого травления и нанесения пленок // Электронная промышленность. 1990. №5. С.15-18.3. Maishev Yu.P. Ion sources for reactive ion-beam etching and film deposition // Electronic Industry. 1990. No. 5. S.15-18.

4. Маишев Ю.П. Источники ионов и ионно-лучевое оборудование для нанесения и травления материалов // Вакуумная техника и технология. 1992. Т. 2. №4. С.53-58.4. Maishev Yu.P. Sources of ions and ion-beam equipment for applying and etching materials // Vacuum equipment and technology. 1992. T. 2. No. 4. S.53-58.

Claims (1)

Способ ионно-лучевой обработки, включающий обработку диэлектрических материалов химически активными или инертными заряженными частицами, ускорение которых осуществляют в источнике ионов, отличающийся тем, что, с целью нейтрализации положительного заряда на всей площади диэлектрической поверхности структур, снижения влияния заряженных частиц на параметры обрабатываемых изделий, повышения разрешения минимальных размеров их элементов, осуществления травления материалов с большим аспектным отношением, обработку диэлектрических материалов проводят пучком положительных ионов одновременно с подачей на подложку ВЧ смещения. A method of ion beam treatment, which includes treating dielectric materials with chemically active or inert charged particles, the acceleration of which is carried out in an ion source, characterized in that, in order to neutralize the positive charge over the entire dielectric surface of the structures, reduce the effect of charged particles on the parameters of the processed products, increasing the resolution of the minimum sizes of their elements, etching materials with a large aspect ratio, processing dielectric materials The rials are carried out by a beam of positive ions simultaneously with the application of RF bias to the substrate.
RU2010128123/28A 2010-07-08 2010-07-08 Method of ion-beam treatment RU2433081C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010128123/28A RU2433081C1 (en) 2010-07-08 2010-07-08 Method of ion-beam treatment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010128123/28A RU2433081C1 (en) 2010-07-08 2010-07-08 Method of ion-beam treatment

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2433081C1 true RU2433081C1 (en) 2011-11-10

Family

ID=44997187

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010128123/28A RU2433081C1 (en) 2010-07-08 2010-07-08 Method of ion-beam treatment

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2433081C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2624000C2 (en) * 2015-10-26 2017-06-30 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Generator of high-frequency emission based on discharge with hollow cathode

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Маишев Ю.П. Источники ионов и ионно-лучевое оборудование для нанесения и травления материалов. - Вакуумная техника и технология. 1992, т.2, №4, с.53-58. Маишев Ю.П. Источники ионов для реактивного ионно-лучевого травления и нанесения пленок. - Электронная промышленность, 1990, №5, с.15-18. Maishev Y., Ritter J., Terentiev Y., Velikov *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2624000C2 (en) * 2015-10-26 2017-06-30 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Generator of high-frequency emission based on discharge with hollow cathode

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6719602B2 (en) Selective etching using material modification and RF pulse
TWI450328B (en) Plasma etch methods and computer-readable memory media
TWI585834B (en) A plasma processing method and a plasma processing apparatus
US20150206774A1 (en) Apparatus for atomic layering etching
US8545671B2 (en) Plasma processing method and plasma processing apparatus
JP4714166B2 (en) Substrate plasma processing apparatus and plasma processing method
JP4143684B2 (en) Plasma doping method and apparatus
TWI611454B (en) Plasma etching method
US6909087B2 (en) Method of processing a surface of a workpiece
JP3499104B2 (en) Plasma processing apparatus and plasma processing method
US20200319356A1 (en) Ion filter using aperture plate with plurality of zones
Shustin Plasma technologies for material processing in nanoelectronics: Problems and solutions
JPH1012597A (en) Plasma-etching equipment and plasma etching method
JP2006236772A (en) Neutral particle beam source and neutral particle beam processing apparatus
JP2000068227A (en) Method for processing surface and device thereof
RU2433081C1 (en) Method of ion-beam treatment
JP2006253190A (en) Neutral particle beam processing apparatus and method of neutralizing charge
US20160181119A1 (en) Plasma etching method
TW202217912A (en) Ion stratification using bias pulses of short duration
JP2003077904A (en) Apparatus and method for plasma processing
RU2316845C1 (en) Method for plasmochemical etching of semiconductor and insulating materials
JP2002343775A (en) Etching device
US11773484B2 (en) Hard mask deposition using direct current superimposed radio frequency plasma
CN111937114A (en) Apparatus and method for controlling ion energy distribution while processing plasma
JP2004349717A (en) Plasma-etching trearment apparatus