Микроэлектроника, 2023, T. 52, № 1, стр. 3-10

1. ВВЕДЕНИЕ

Развитие технологии электроники во второй половине 20 века привело к необходимости поиска эффективной альтернативы жидкостным методам размерного травления и очистки поверхностей, используемых материалов. Выбор был сделан в пользу технологий, основанных на использовании неравновесной низкотемпературной газоразрядной плазмы. Основной областью применения плазменных процессов в современной технологии микро- и наноэлектроники является травление поверхностей полупроводниковых пластин и различных слоев [1]. Под термином “плазменное травление” понимают контролируемое удаление материала с поверхности подложек под воздействием энергетически (ЭАЧ) и химически активных частиц (ХАЧ) плазмы. В зависимости от типов активных частиц, обеспечивающих взаимодействие плазмы с обрабатываемым материалом, процессы плазменного травления подразделяются на три группы [2]: 1) процессы, при которых удаление поверхностных слоев материала происходит в результате химических реакций активных частиц (свободных атомов, радикалов, ионов), так называемое плазмохимическое травление (ПХТ); 2) удаление материала с поверхности происходит в результате физического распыления ионами, которые химически не реагируют с обрабатываемым материалом – ионно-плазменное (ИПТ) травление; 3) процессы, сочетающие совместное воздействие физического распыления и химических реакции (в том числе с химически активными ионами) – реактивное ионно-плазменное травление (РИПТ).

Характерной чертой современной технологии плазменного травления является использование сложных газовых систем. В таких системах реализуется комплексное воздействие плазмы на обрабатываемый материал с участием нескольких типов активных частиц и, как следствие, с одновременной реализацией нескольких каналов физического и/или химического взаимодействия. Это открывает возможности гибкой настройки и оптимизации выходных параметров процесса. Так, озонобезопасные газовые системы типа C_xH_yF_z (а также их смеси с инертными и молекулярными газами): CF₄, CHF₃, CH₂F₂, CH₃F – являются перспективными плазмообразующими средами при проведении процессов травления полупроводников, в частности кремния [3–7]. Основной целью использования подобных систем является получение свободных атомов галогенов и галогенсодержащих радикалов, которые, обладая высокой химической активностью, позволяют достигать более высоких значений скоростей травления, селективности и анизотропии процесса при формировании топологии микросхем по сравнению с известными жидкостными травителями. В частности, атомарный фтор (F) приводит к непосредственному травлению проводниковых и полупроводниковых материалов, а роль частиц водорода (H), в основном, сводится к восстановлению поверхностных оксидов и/или так называемому “полирующему травлению” обрабатываемой поверхности [8]. Эффективная реализация и оптимизация плазменных процессов требует знания взаимосвязей между внешними параметрами плазмы, ее параметрами и составом. Одним из основных невозмущающих методов получения такой информации является оптическая эмиссионная спектроскопия (ОЭС) плазмы [9–12]. Исходя из вышесказанного, и была сформулирована цель данной работы, а именно: контроль кинетики плазмохимического травления по излучению активных частиц и продуктов взаимодействия методом ОЭС.

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Эксперименты по исследованию параметров плазмы проводились в реакторе индукционно-связанной плазмы (ICP) планарного типа: установка “Платран – 100 ХТ” (13.56 МГц). Данная установка предназначена для плазмохимического травления полупроводниковых материалов, а также металлических пленок. Установка обеспечивает возможность обработки пластин диаметром до 100 мм, а также меньших размеров толщиной от 0.3 до 2 мм. Откачка системы производилась механическим пластинчато-роторным (Leybold BCS, производительность 30 м³/час) и турбомолекулярным (TMP 803 LMTC, производительность 800 л/с) насосами. Контроль рабочего давления в реакторе осуществлялся баратроном с верхним пределом измерения 0.1 Торр. Измерение и контроль расхода плазмообразующего газа проводились при помощи расходомеров с верхним пределом 200 см³/мин. Система контроля температуры предусматривает возможность автоматической стабилизации температуры подложки за счет регулирования скорости потока охлаждающей жидкости.

В качестве плазмообразующего газа в данной работе использовался трифторметан (фреон R-23, CHF₃). Фреон R-23 брали из баллонов с маркой “чистый” (МРТУ 51–77–66), содержание основного газа не менее 99.985%. В качестве внешних (задаваемых) параметров плазмы выступали вкладываемая мощность (200–1250 Вт), потенциал смещения (0…–107 В), давление газа (1–10 мТорр).

Время травления (обработки) варьировалось от 40 с до 3 минут. Образцы исследуемого полупроводникового материала вырезались из кремниевой пластины (S ~ 1 см²). До помещения в реактор поверхность образцов очищалась от масленых, пылевых и жировых загрязнений в толуоле и ацетоне. Скорость травления определялась гравиметрическим методом, путем взвешивания образцов до и после обработки в плазме на аналитических весах WA–34.

Спектральные измерения реализовывались с помощью оптоволоконных спектрометров AvaSpec–2048 и AvaSpec–3648, рабочий диапазон длин волн составлял 200–1000 нм. Фиксация излучения осуществлялась через кварцевое окно в плазмохимическом реакторе. При расшифровке спектров излучения использовались справочники [13, 14].

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Метод оптической эмиссионной спектроскопии основан на регистрации излучения плазмы в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Одним из необходимых условий использования данного метода является точная идентификация спектра излучения исследуемого газа и установление механизмов образования и гибели излучающих состояний частиц. Основной сложностью при интерпретации результатов спектральных измерений является неоднозначная взаимосвязь измеряемых интенсивностей излучения и концентраций соответствующих частиц в основном состоянии.

Перед исследованием процесса травления Si нами были получены спектры излучения ВЧ-плазмы “чистого газа” фреона R-23 (рис. 1). Было обнаружено, что в спектре присутствует группа линий атомарного фтора в области 620–780 нм (наиболее интенсивными являются линии: 623.9, 685.6, 690.2, 703.7, 739.8 и 775.4 нм). Излучения атомарного H представлено 4-мя характерными линиями серии Бальмера: H_α (656.5 нм), H_β (486.1 нм), H_γ (434.1 нм), H_δ (410.1 нм). Также были зафиксированы две группы линий атомарного углерода (200–300 и 900–1000 нм), наиболее интенсивными линиями являются: 247.8, 296.8, 477.1, 505.2, 909.4 и 940.5 нм соответственно. Излучение молекулярных компонентов представлено полосами CF в интервале от 203 до 230 нм, из которых можно выделить: 202.9, 208.3, 223.8 и 230.8 нм, CF₂ в интервале от 251 до 276 нм, наиболее интенсивными являются: 251.8, 259.5 и 276.1 нм. Спектр излучения молекул водорода представлен слабо интенсивными полосами α-системы Фулхера (575–625 нм). Излучение молекул углерода представлено тремя системами полос Свана (468.4, 471.5, 473.7; 512.9, 516.5; 547.0, 550.2, 554.0, 558.5 и 563.5 нм). Излучение молекулы CH представлено полосой 431.4 нм. Излучение молекулярного фтора представлено полосой 538.8 нм. Ионный состав плазмы фреона R-23 представлен излучением компонента CH⁺ с длиной волны 443.4 нм.

Рис. 1.

Спектр излучения ВЧ-плазмы CHF₃ (p = 2.8 мТорр, W = 950 Вт, U = 0 В).

Кроме этого, в спектре излучения плазмы фреона R-23 была обнаружена полоса с длинной волны 388.3 нм. Был проведен сравнительный анализ спектров излучения фреонов R-12 и R-23, в результате которого было установлено, что вид, оттенение и интенсивность полосы 388.3 нм при наложении спектров трифторметана и дифтордихлорметана друг на друга практически идентичны. Исходя из состава плазмообразующих газов (CHF₃ и CF₂Cl₂), можно предположить, что данная полоса относится к молекулярному углероду, либо к фторидам углерода (CF_n, где n = 1, 2, 3). Известно, что молекулярный углерод не имеет полосы в данной области спектра. Таким образом, можно предположить, что полоса с длинной волны излучения 388.3 нм принадлежит CF_n (где n = 1, 2, 3), хотя, возможно, согласно работы [15] – это может быть молекулярный фтор. Полный список обнаруженных компонентов представлен в табл. 1 и 2.

Следующим этапом работы являлось исследование спектров излучения ВЧ-плазмы фреона R-23 при травлении кремния. Кроме линий атомов и полос молекул характерных для ВЧ-плазмы “чистого” фреона R-23, были обнаружены группы линий атомарного кремния (наиболее интенсивная 288.1 нм), а также полосы излучения SiF в интервале от 258.4 до 336.3 нм. Так же в спектре излучения были зафиксированы полосы молекулярного кремния (в интервале 348–400 нм) и полосы SiH (418.3, 419.9 нм), однако их не удалось проанализировать вследствие слабой интенсивности.

Для анализа влияния внешних параметров разряда на концентрации нейтральных частиц плазмы и кинетику процессов их образования и гибели были выбраны атомарные линии: С (247.8 нм), Si (288.1 нм), H (486.1 нм, 656.5 нм), F (685.6 нм, 703.7 нм) и полосы молекул: CF (202.9 нм), SiF (336.3 нм), СF (388.3 нм), СН (431.4), С₂ (516.5 нм), СF₂ (262.8 нм), F₂ (538.8 нм). Данные излучательные состояния обладают высокой интенсивностью и не перекрываются с соседними максимумами во всем исследованном диапазоне параметров разряда. Также заметим, что высокие значения энергий возбуждения данных частиц позволяют рассматривать возбуждение электронным ударом как основной механизм заселения верхних состояний. Кроме этого, низкие времена жизни возбужденных состояний обусловливают излучательную дезактивацию как основной механизм гибели возбужденных частиц. Фактически это означает, что для вышеописанных излучательных состояний заселенность возбужденного состояния и интенсивность излучения пропорциональны скорости возбуждения. Следовательно, изменение интенсивности излучения несет информацию об изменении концентрации невозбужденных частиц, представляющих основной интерес при анализе и оптимизации плазмохимических процессов с использованием газовых смесей на основе CHF₃. Также отметим, что в ходе проведения экспериментов было установлено, что целевой процесс травления кремния (появление продуктов взаимодействия плазмы с кремнием) начитается по истечении 40 с. Причиной данного индукционного периода является необходимость удаления активными частицами плазмы пассивирующей пленки SiO₂ (SiO₂ + + CF_x → SiF₄ + (CO, CO₂, COF₂)). Уменьшение индукционного периода возможно при использовании потенциала смещения на подложкодержателе.

Из экспериментальных данных видно (рис. 2), что интенсивности излучения при увеличении времени травления кремния практически не изменяются во всем исследованном диапазоне. Такое поведение полученных зависимостей обусловлено постоянством параметров разряда и хорошо согласуется с литературными данными [16–18]. В то же время, интенсивности излучения продуктов травления Si линейно возрастают (в ~3 раза) с увеличением потенциала смещения от 0 до –107 В. Это связано с тем, что увеличение смещения на подложкодержателе приводит к росту энергии заряженных частиц, участвующих в процессе травления (за счет появления направленного потока ионов на обрабатываемую поверхность) и, как результат, увеличению скорости травления, а также к эффективной газификации продуктов взаимодействия с обрабатываемой поверхности.

Рис. 2.

Зависимости интенсивности излучения линии Si 288.1 нм (1, 3, 5) и полосы SiF 336.3 нм (2, 4, 6) плазмы CHF₃ от времени травления кремния: p = 2.8 мТорр, W = 950 Вт, U = 0 В (1, 2), U = –61 В (2, 3), U = –107 В (4, 5).

Изменение мощности, вкладываемой в разряд, и потенциала смещения, подаваемого на подложкодержатель, приводит к росту всех интенсивностей излучательных компонентов (например, Si и SiF рис. 3). Это приводит к росту концентрации активных частиц (например, водорода и фтора), что в свою очередь способствует увеличению скорости травления. Заметим, что при отсутствии смещения (0 В) интенсивности излучения линий Si и полос SiF имеют слабый рост, это связано с недостатком энергии ионов для достижения эффективной скорости ионно-стимулированной десорбции продуктов взаимодействия и деструкции пассивирующей пленки. Причинами слабого роста интенсивностей излучения полос CF 202.9 нм, СF₂ 262.8 нм, F₂ 538.8 нм и линии C 247.8 нм с увеличением вкладываемой мощности в разряд могут являться атомно-молекулярные процессы с участием данных радикалов или же эффективное расходование CF, СF₂ и F₂ в процессах диссоциации.

Рис. 3.

Зависимости интенсивности излучения линии Si 288.1 нм (1, 3, 5) и полосы SiF 336.3 нм (2, 4, 6) в плазме CHF₃ от мощности, вкладываемой в разряд, при травлении кремния (p = 2.8 мТорр, W = 950 Вт, U = 0 В (1, 2), U = –61 В (3, 4), U = –107 В (5, 6)).

Из рис. 4 видно, что зависимости интенсивности излучения линии Si 288.1 нм (1, 3, 5) и полосы SiF 336.3 нм (2, 4, 6) от давления плазмообразующего газа при всех исследуемых потенциалах смещения возрастают. Такое поведение зависимостей с ростом давления в системе и смещения на подложкодержателе связано с ростом как концентрации активных частиц, так и их энергии, следовательно, это приведет к увеличению скорости травления. Увеличение концентрации активных частиц также можно объяснить исходя из уравнения Менделеева-Клапейрона, из которого следует, что увеличение давления, при прочих постоянных параметрах, приводит к росту числа активных частиц. На рис. 5 представлены зависимости интенсивности излучения полос CF 202.9 нм, SiF 336.3 нм, CH 431.4 нм, СF₂ 262.8 нм, F₂ 538.8 нм в плазме CHF₃ при травлении кремния от давления плазмообразующего газа. На зависимостях видно, что с увеличением давления газа происходит рост интенсивности излучения SiF, CH и F₂. Данный факт обусловлен увеличением как концентрации активных частиц, участвующих в процессе травления, так и общей концентрации частиц в объеме плазмы. Характер поведения зависимостей интенсивностей излучения CF и CF₂ можно связать с их гибелью в различных атомно-молекулярных процессах, происходящих в объеме плазмы или на поверхности обрабатываемого материала.

Рис. 4.

Зависимости интенсивности излучения линии Si 288.1 нм (1, 3, 5) и полосы SiF 336.3 нм (2, 4, 6) в плазме CHF₃ от давления плазмообразующего газа при травлении кремния (τ = 60 c, W = 950 Вт, U = 0 В (1, 2), U = –61 В (2, 3), U = –107 В (4, 5)).

Рис. 5.

Зависимости интенсивности излучения полос CF 202.9 нм (1), SiF 336.3 нм (2), CH 431.4 нм (3), СF₂ 262.8 нм (4), F₂ 538.8 нм (5) в плазме CHF₃ от давления плазмообразующего газа при травлении кремния (τ = 60 c, W = 950 Вт, U = 0 В).

На рис. 6 представлены зависимости интенсивности излучения линий С 247.8 нм (1), Si 288.1 нм (2), H_α 656.5 нм (3), F 685.6 нм (4) в плазме CHF₃ при травлении кремния от давления плазмообразующего газа. Уменьшение интенсивности излучения H_α 656.5 и F 685.6 нм может быть связана с тем, что данные частицы расходуются на образование фторидов кремния и углерода, а также частиц типа CH_x (что подтверждается данными рис. 5, зависимость 3) как в объеме плазмы, так и на поверхности обрабатываемого материал.

Рис. 6.

Зависимости интенсивности излучения линий C 247.8 нм (1), Si 288.1 нм (2), H_α 656.5 нм (3), F 685.6 нм (4) в плазме CHF₃ от давления плазмообразующего газа при травлении кремния (τ = 60 c, W = 950 Вт, U = 0 В).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы получены и проанализированы спектры излучения плазмы ВЧ-разряда трифторметана при травлении кремния. Показано, что излучение плазмы ВЧ-разряда представлено атомарными и молекулярными компонентами. Сделано предположение, что зависимости интенсивностей линий и полос от внешних условий разряда определяются возбуждением излучающих состояний при прямых электронных ударах. Получены и проанализированы зависимости интенсивностей излучения атомов и молекул от внешних параметров разряда. Полученные данные вносят вклад в развитие современной плазмохимии, а именно устанавливают взаимосвязи между внешними параметрами плазмы, ее внутренними характеристиками и составом; предлагают оптимальные режимы проведения процессов плазмохимического и реактивно-ионного травления и организации невозмущающих спектральных методов контроля.

Исследование выполнено за счет гранта Рос-сийского научного фонда № 22-29-00216, https://rscf.ru/project/22-29-00216/.

Работа выполнена в рамках государственного задания на выполнение НИР. Тема № FZZW-2020-0009.

Исследование проведено с использованием ресурсов Центра коллективного пользования научным оборудованием ИГХТУ (при поддержке Минобрнауки России, соглашение № 075-15-2021-671).