RU2691758C1 - Способ анизотропного плазменного травления кремниевых микроструктур в циклическом двухшаговом процессе окисление-травление - Google Patents

Способ анизотропного плазменного травления кремниевых микроструктур в циклическом двухшаговом процессе окисление-травление Download PDF

Info

Publication number
RU2691758C1
RU2691758C1 RU2018130004A RU2018130004A RU2691758C1 RU 2691758 C1 RU2691758 C1 RU 2691758C1 RU 2018130004 A RU2018130004 A RU 2018130004A RU 2018130004 A RU2018130004 A RU 2018130004A RU 2691758 C1 RU2691758 C1 RU 2691758C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
etching
silicon
passivation
plasma
steps
Prior art date
Application number
RU2018130004A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Николаевич Аверкин
Александр Павлович Антипов
Владимир Федорович Лукичев
Андрей Валерьевич Мяконьких
Константин Васильевич Руденко
Алексей Анатольевич Рылов
Юрий Федорович Семин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технологический институт имени К.А. Валиева Российской академии наук (ФТИАН им К.А. Валиева РАН)
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технологический институт имени К.А. Валиева Российской академии наук (ФТИАН им К.А. Валиева РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технологический институт имени К.А. Валиева Российской академии наук (ФТИАН им К.А. Валиева РАН)
Priority to RU2018130004A priority Critical patent/RU2691758C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2691758C1 publication Critical patent/RU2691758C1/ru

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/306Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
    • H01L21/3065Plasma etching; Reactive-ion etching

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

Использование: изобретение относится к технологии изготовления транзисторов, интегральных схем, приборов силовой электроники и устройств микромеханики (МЭМС) на основе кремния. Способ анизотропного плазменного травления кремния представляет собой циклический двухшаговый процесс травление-пассивация, характеризующийся тем, что на шаге пассивации в качестве пассивирующей пленки на поверхностях формируемой микроструктуры используется слой SiO, создаваемый реакцией окисления кремния в плазме O. С целью предотвращения изменения состава пассивирующей пленки и для лучшего разделения во времени стадий травления и пассивации, а также предотвращения образования в объеме реактора смеси SFи O, в которой не происходит эффективная пассивация поверхности слоем оксида кремния, используются шаги откачки между шагами травления и пассивации длительностью от 0,5 до 10 с. Техническим результатом является обеспечение анизотропного травления кремния при температуре, близкой по значению к комнатной. Преимуществом данного способа является отсутствие необходимости охлаждения и термостабилизации пластины в технологической камере при криогенных температурах, а также отсутствие загрязнений формируемой микроструктуры фтор-полимерными пленками, что позволяет исключить необходимость использования дополнительных технологических операций для очистки сформированных кремниевых микроструктур от загрязнений полимерами. 2 з.п. ф-лы.

Description

Изобретение относится к технологии изготовления транзисторов, интегральных схем, приборов силовой электроники и устройств микромеханики (МЭМС) на основе кремния.
С 1970-х годов известен способ плазменного травления кремния в непрерывном режиме в химически активной фторуглерод-содержащей плазме с образованием газообразного соединения SiF4, применявшийся в технологических реакторах диодного типа [1] для производства изделий микроэлектроники. Для увеличения скорости анизотропного травления были изобретены источники плазмы высокой плотности различных конструкций, работающие в условиях низкого давления в камере. Наибольшее распространение получили технологические реакторы с ВЧ-источниками индуктивно-связанной плазмы и ВЧ-источниками на геликонном резонансе, с независимой регулировкой потенциала смещения на обрабатываемой кремниевой пластине. Повышение степени анизотропии процесса в этом способе достигается наличием плазме фторуглеродных полимеробразующих газов из класса фреонов. Указанный способ характеризуется умеренной скорость травления кремния - до 0.5 мкм/мин. и имеет высокий уровень загрязнений боковой стенки формируемой микроструктуры пленкой фторполимеров. Для последующего удаления таких загрязнений необходимы дополнительные технологические операции.
Для формирования структур глубокого травления в кремнии разработаны способы с более высокой скоростью травления:
1. Способ травления кремния в плазме в непрерывном режиме при криогенных температурах пластины – до -120°C (криогенный процесс травления) [2].
2. Способ травления кремния в плазме в двухшаговом циклическом процессе при криогенных температурах пластины – до -120°C (STiGER – процесс, запатентованный компанией ST Microelectronics, Франция) [3].
3. Способ травления кремния в плазме в двухшаговом циклическом процессе при термостабилизации обрабатываемой пластины при температурах +10 – +50°C (запатентованный “Bosch-процесс”) [4].
Во всех указанных процессах в качестве основного плазмообразующего газа для травления кремния применяется гексафторид серы SF6, молекула которого содержит 6 атомов фтора, что позволяет достичь максимальной плотности атомарного фтора в плазме, по сравнению с другими фторсодержащими газами, и высокой скорости травления кремния, соответственно. Однако атомарный фтор в условиях комнатной и умеренно пониженной температуры пластины вступает в реакцию с кремнием спонтанно, что приводит к изотропному травлению боковых стенок формируемой микроструктуры и отклонению от заданных топологических размеров формируемой микроструктуры. Для устранения этого недостатка в способах (1)–(3) предпринимаются различные меры.
Способ (1) криогенного глубокого анизотропного травления кремния в непрерывном режиме реализуется при температурах -120 - 80°C в плотной плазме при давлениях 1-20 мторр в смеси плазмообразующих газов SF6 и О2 [2].
Анизотропию процесса обеспечивает снижение скорости спонтанной реакции кремния с атомарным фтором при криогенных температурах, одновременно с образованием на боковых стенках формируемой микроструктуры защитной пассивирующей пленки состава SixFyOz, устойчивой при температурах ниже -75°C. Со дна формируемой микроструктуры пассивирующий слой удаляется ионами плазмы, ускоренными нормально к поверхности электрическим полем потенциала смещения, приложенным к кремниевой пластине. Таким образом, дно формируемой структуры остается свободным для доступа радикалов фтора, что приводит к травлению кремния анизотропно в направлении нормально к поверхности. При нагреве кремниевой пластины до комнатной температуры защитная пленка испаряется со стенок канавки и сформированная структура не имеет каких-либо полимерных загрязнений. Недостатком метода является необходимость проведения процесса травления при криогенных температурах, чувствительность толщины ультратонкой пассивирующей пленки к температуре пластины и высокие требования к термостабилизации пластины в пределах 1°C. Это ограничивает промышленное внедрение криогенных процессов травления кремния.
Известен другой способ (2) анизотропного плазменного криогенного травления кремния – STiGER-процесс [3], в котором шаги пассивации стенок и шаги травления кремния разделены во времени и чередуются последовательно в ходе процесса. Независимый шаг пассивации стенок формируемой микроструктуры из плазмы газов SiF4 и O2 позволяет формировать более устойчивую пассивирующую пленку SixFyOz заданной толщины; состав плазмы на шаге травления аналогичен способу (1) в непрерывном режиме травления. После проведения процесса пассивирующая пленка также испаряется при нагреве пластины до комнатной температуры. В данном способе частично исключаются недостатки, связанные с отсутствием независимого контроля толщины пассивирующей пленки, но возникает новый недостаток - характерная шероховатость стенок, имеющая вид кольцевых гребней, причина которой - в дискретности шагов пассивации и травления.
Способ глубокого анизотропного травления (3) имеет в своей основе пассивацию стенок фторсодержащим полимером, устойчивым при температурах, близких к комнатной, и поэтому лишен недостатков процесса плазменного криогенного травления кремния. Данный способ основан на чередовании шагов пассивации поверхности и стенок формируемой микроструктуры кремния с помощью осаждения полимерного слоя из фторуглеродсодержащей плазмы и последующего шага - травления в плазме SF6. В оригинале патента [4] в качестве полимеробразующей плазмы использовалась смесь газов CHF3 и аргона. В дальнейшем в качестве источника для осаждения таких слоев было предложено использовать C3F8, C4F8, C4F4 и другие газы [5] с высоким процентным содержанием углерода, что увеличивает скорость образования полимерного слоя на поверхности кремния. Во время шага пассивации на текущий рельеф формируемой микроструктуры кремния осаждается фтор-полимерная пленка, удаление которой со дна структуры происходит за счет ионной бомбардировки при приложении потенциала смещения к пластине на следующем шаге травления. В каждом шаге травления области дна формируемой микроструктуры плазмой SF6, кремний травится в режиме, близком к изотропному. Полимерный слой, ранее осажденный на вышележащую боковую стенку канавки, из-за анизотропии ионного потока удаляется на шаге травления значительно медленнее. К достоинствам метода следует отнести высокую вертикальную скорость травления до 20 мкм/мин, высокую селективность по отношению к маскирующему покрытию, как фоторезисту, так и маскам из неорганических материалов (SiO2, металлы), температуру обрабатываемой пластины, близкую нормальным условиям (+10 - +50°C), что обеспечивает снижение стоимости оборудования и хорошую воспроизводимость технологии. Недостатком процесса являются высокая степень загрязнения стенок профиля формируемой микроструктуры фторуглеродным покрытием и характерная шероховатость стенок в виде повторяющихся гребней на профиле формируемой микроструктуры, аналогичная способу (2). Названный способ (3) выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.
В публикации [6] предложено усовершенствование процесса глубокого анизотропного плазменного травления кремния с использованием периодических кратковременных импульсов подачи кислорода в плазмообразующую смесь, приводящих к периодическому дополнительному ингибитированию изотропного травления в ходе процесса. Данный способ пассивации исключает полимерные загрязнения стенок структуры травления.
Недостатком этого процесса, как и криогенных процессов глубокого анизотропного травления кремния (1) и (2) является высокая стоимость оборудования и его конструктивная сложность для охлаждения пластины в камере до температур ниже -40°C.
Предлагаемый способ травления лишен большинства недостатков, присущих описанным выше способам. В основе изобретения лежит циклический двухшаговый процесс анизотропного травления, временные циклы пассивации и травления которого подобны Bosch-процессу (3), отличающийся от него тем, что в качестве пассивирующей пленки на боковой стенке формируемой микроструктуры вместо фтор-полимерного слоя используется слой SiO2, формирующийся на шаге пассивации реакцией окисления поверхности кремния в плазме O2 при давлении в камере 1-100 мторр. Продуктами диссоциации кислорода в плазме являются, в том числе, и химически активные радикалы О*. Данные частицы обладают высокой химической активностью и диффузионной способностью, обеспечивающей транспорт к границе SiO2/Si, что позволяет за 1-10 сек при температуре пластины +10 - +50°C вырастить на поверхности кремния пассивирующий слой, близкий по составу к SiO2 толщиной 2-5 нм. В качестве плазмообразующего газа на последующем шаге травления, используется плазма SF6, что позволяет достигать высокой скорости вертикального травления микроструктуры. Давление в камере на этом шаге может варьироваться в пределах 1-100 мторр. Удаление пассивирующей пленки со дна микроструктуры, осуществляется ионной бомбардировкой анизотропного ионного потока за счет приложенного потенциала смещения на шаге травления. Следует отметить, что оказывается полезным более акцентированное разделение во времени стадий травления и пассивации, чем в прототипе. Для этого используются паузы между шагами длительностью от 0,5 до 2 с.
Предлагаемый способ может использоваться на разнообразном оборудовании для плазмохимического травления микроэлектронных структур, оснащенном ВЧ-источником сильно ионизованной плазмы низкого давления с генератором с частотой в диапазоне 1-50 МГц и независимым генератором ВЧ-смещения, позволяющим подавать на обрабатываемую кремниевую пластину потенциала смещения в диапазоне 20–200 В, при температуре пластины +10 - +50°C, при давлении в камере 1-100 мторр.
Предложенный способ анизотропного плазменного травления кремния в двухшаговом циклическом плазменном процессе был реализован на оборудовании для плазмохимического травления микроэлектронных структур, оснащенном различными вариантами источников плазмы: 1 – планарный индуктивно-связанный ВЧ-источник плазмы низкого давления с генератором 13.56 МГц, 1000 Вт; 2 - соленоидный индуктивно-связанный ВЧ-источник плазмы низкого давления с генератором 2.0 МГц, 3000 Вт. Пластина имела систему термостабилизации в диапазоне температур +10 - +50°C. Конструкцией была обеспечена возможность подачи на кремниевую пластину потенциала смещения в диапазоне 20–200 В. Предложенный способ был реализован с использованием масок с необходимой топологией на основе оксида и нитрида кремния, металлических слоев и других покрытий, так называемых “жестких” масок, устойчивых к воздействию плазмы кислорода.
Преимуществом данного способа является отсутствие необходимости охлаждения и термостабилизации пластины в технологической камере при криогенных температурах, а также отсутствие загрязнений формируемой микроструктуры фтор-полимерными пленками. Предложенный способ не требует использования дополнительных технологических операций для очистки сформированных кремниевых микроструктур от загрязнений полимерами.
Источники информации:
1. J.A. Bondur / Dry process technology (reactive ion etching) // Journal of Vacuum Science and Technology 13, 1023 (1976);
2. T. Tillocher, R. Dussart, X. Mellhaoui, P. Lefaucheux, M. Boufnichel, P. Ranson / Silicon cryo-etching of deep holes // Microelectronic Engineering Volume 84, Issues 5–8, May–August 2007, Pages 1120-1123
3. Dussart R, Tillocher T, Lefaucheux P, Ranson P, Mellhaoui X, Boufnichel M and Overzet L J 2008 Deep anisotropic silicon etch method France Patent 2914782-A1 (assigned to STMicroelectronics, CNRS and University of Orleans)
4. Патент США US 5501893, 1996, (Method of anisotropically etching silicon, Franz Laermer et al.)
5. Rangelow I.W. Critical tasks in high aspect ratio silicon dry etching for micro-electromechanical systems // J. Vac. Sci. Technol. 2003. V. A21. ‹ 4. P. 1550–1562.
6. Black silicon method XI: oxygen pulses in SF6 plasma H V Jansen, M J de Boer, K Ma, M Girones, S Unnikrishnan, M C Louwerse and M C Elwenspoek J. Micromech. Microeng. 20 (2010) 075027

Claims (3)

1. Способ анизотропного плазменного травления кремния, представляющий собой циклический двухшаговый процесс, состоящий из чередующихся шагов анизотропного плазмохимического травления и пассивации, в котором на шаге травления происходит травление кремния в плазме SF6, а на шаге пассивации на поверхностях формируемой микроструктуры создается пассивирующая пленка, отличающийся тем, что на шаге пассивации в качестве пассивирующей пленки на вскрытых поверхностях кремния формируется слой SiO2, создаваемый реакцией окисления кремния в плазме О2.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что между шагами процесса добавляется шаг откачки длительностью от 0,5 до 10 с, обеспечивающий лучшее разделение во времени шагов травления и пассивации и предотвращающий изменение состава пассивирующей пленки за счет образования при переключении на следующий шаг в объеме реактора смеси травящего газа и O2, которая препятствует эффективной пассивации вскрытых поверхностей кремния слоем SiO2.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первым выполняется шаг пассивации, а затем шаг травления, при этом последним в процессе становится шаг травления, чем обеспечивается достижение минимальной величины подтрава под маску формируемой микроструктуры.
RU2018130004A 2018-08-17 2018-08-17 Способ анизотропного плазменного травления кремниевых микроструктур в циклическом двухшаговом процессе окисление-травление RU2691758C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018130004A RU2691758C1 (ru) 2018-08-17 2018-08-17 Способ анизотропного плазменного травления кремниевых микроструктур в циклическом двухшаговом процессе окисление-травление

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018130004A RU2691758C1 (ru) 2018-08-17 2018-08-17 Способ анизотропного плазменного травления кремниевых микроструктур в циклическом двухшаговом процессе окисление-травление

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2691758C1 true RU2691758C1 (ru) 2019-06-18

Family

ID=66947529

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018130004A RU2691758C1 (ru) 2018-08-17 2018-08-17 Способ анизотропного плазменного травления кремниевых микроструктур в циклическом двухшаговом процессе окисление-травление

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2691758C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2796239C1 (ru) * 2022-11-17 2023-05-18 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технологический институт имени К.А. Валиева Российской академии наук Способ анизотропного плазменного травления кремниевых микроструктур в циклическом процессе нитридизация-травление

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5498312A (en) * 1993-05-27 1996-03-12 Robert Bosch Gmbh Method for anisotropic plasma etching of substrates
US5501893A (en) * 1992-12-05 1996-03-26 Robert Bosch Gmbh Method of anisotropically etching silicon
US20040134615A1 (en) * 2002-10-23 2004-07-15 Klaus Breitschwerdt Device and method for anisotropic plasma etching of a substrate, particularly a silicon element
US20060141794A1 (en) * 2002-10-14 2006-06-29 Franz Laermer Plasma system and method for anisotropically etching structures into a substrate
US20080293250A1 (en) * 2007-04-04 2008-11-27 Remi Dussart Deep anisotropic silicon etch method
RU2456702C1 (ru) * 2011-03-16 2012-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "ЭСТО-Вакуум" Способ плазмохимического травления материалов микроэлектроники

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5501893A (en) * 1992-12-05 1996-03-26 Robert Bosch Gmbh Method of anisotropically etching silicon
US5498312A (en) * 1993-05-27 1996-03-12 Robert Bosch Gmbh Method for anisotropic plasma etching of substrates
US20060141794A1 (en) * 2002-10-14 2006-06-29 Franz Laermer Plasma system and method for anisotropically etching structures into a substrate
US20040134615A1 (en) * 2002-10-23 2004-07-15 Klaus Breitschwerdt Device and method for anisotropic plasma etching of a substrate, particularly a silicon element
US20080293250A1 (en) * 2007-04-04 2008-11-27 Remi Dussart Deep anisotropic silicon etch method
RU2456702C1 (ru) * 2011-03-16 2012-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "ЭСТО-Вакуум" Способ плазмохимического травления материалов микроэлектроники

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2796239C1 (ru) * 2022-11-17 2023-05-18 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технологический институт имени К.А. Валиева Российской академии наук Способ анизотропного плазменного травления кремниевых микроструктур в циклическом процессе нитридизация-травление
RU2796239C9 (ru) * 2022-11-17 2023-07-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технологический институт имени К.А. Валиева Российской академии наук Способ анизотропного плазменного травления кремниевых микроструктур в циклическом процессе нитридизация-травление
RU2824746C1 (ru) * 2024-05-03 2024-08-13 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Способ глубокого анизотропного плазменного травления кремниевых структур

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4796965B2 (ja) エッチング方法及び装置
US6303512B1 (en) Anisotropic, fluorine-based plasma etching method for silicon
JP5207406B2 (ja) プラズマ処理方法
US6071822A (en) Etching process for producing substantially undercut free silicon on insulator structures
US20040097077A1 (en) Method and apparatus for etching a deep trench
Craciun et al. Temperature influence on etching deep holes with SF6/O2 cryogenic plasma
US20150126033A1 (en) Method for deep silicon etching using gas pulsing
EP1259980A1 (en) Two etchant etch method
GB2290413A (en) Processing silicon in a plasma etch system
JP2007531280A (ja) 最少スカラップ基板の処理方法
RU2691758C1 (ru) Способ анизотропного плазменного травления кремниевых микроструктур в циклическом двухшаговом процессе окисление-травление
RU2796239C1 (ru) Способ анизотропного плазменного травления кремниевых микроструктур в циклическом процессе нитридизация-травление
RU2796239C9 (ru) Способ анизотропного плазменного травления кремниевых микроструктур в циклическом процессе нитридизация-травление
Paraszczak et al. Comparison of CF4/O2 and CF2Cl2/O2 plasmas used for the reactive ion etching of single crystal silicon
JP5065726B2 (ja) ドライエッチング方法
Shul et al. Selective deep-Si-trench etching with dimensional control
RU2824746C1 (ru) Способ глубокого анизотропного плазменного травления кремниевых структур
Miakonkikh et al. Anisotropic plasma etching of Silicon in gas chopping process by alternating steps of oxidation and etching
Aydemir et al. DRIE process optimization to achieve high aspect ratio for capacitive MEMS sensors
Mohamed et al. The fabrication of high aspect ratio nanostructures on quartz substrate
Zhang et al. Study on the Transformation of Si Trench Profile With Low Pressure of SF₆/O₂ Containing Plasmas
Ayón et al. Application of the footing effect in the micromachining of self-aligned, free-standing, complimentary metal–oxide–semiconductor compatible structures
US20230197441A1 (en) Method of Reducing Surface Roughness
US11984325B2 (en) Selective removal of transition metal nitride materials
JP4578893B2 (ja) シリコン材のプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置