СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ СТРУКТУР ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СЛОЕВ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК
METHOD OF FORMING THREE-DIMENSIONAL STRUCTURES OF FUNCTIONAL LAYER TOPOLOGICAL ELEMENTS ON THE SURFACE OF SUBSTRATES

Изобретение относится к области производства интегральных микросхем (ИМС) и микроэлектромеханических (МЭМС) приборов и может быть использовано для формирования трехмерных структур топологических элементов функциональных слоев на поверхности подложек без использования фотошаблонов и фоторезистивных масок.
В настоящее время для формирования трехмерных структур топологических элементов функциональных слоев на поверхности подложек при производстве ИМС и МЭМС-приборов используется стандартный процесс фотолитографии, который состоит из следующей последовательности операций: очистка поверхности функционального слоя (ФС), подготовка поверхности ФС путем обработки в парах гексаметилдисилазана (ГМДС) для нанесения слоя фоторезиста (ФР), нанесение слоя ФР, сушка слоя ФР, контроль толщины и дефектности слоя ФР, экспонирование слоя ФР через фотошаблон (ФШ) с заданным рисунком топологических элементов ФС оптическим излучением с требуемой длиной волны, постэкспозиционная термическая обработка ФР для удаления эффектов стоячих волн при отражении излучения от подложки, проявление топологического рисунка в ФР и создание фоторезистивной маски (ФРМ), задубливание - термическая обработка ФРМ с целью увеличения ее стойкости к реагентам, используемым для травления ФС, контроль толщины и дефектности ФРМ, травление ФС через ФРМ с целью получения в нем заданных топологических элементов, удаление остатков ФРМ после травления ФС, очистка поверхности ФС с полученными топологическими элементами [1].
Количество стандартных процессов фотолитографии увеличивается с уменьшением топологических норм - минимальных - размеров элементов ИМС и МЭМС-приборов. Так для производства динамических оперативных запоминающих устройств (ДОЗУ) и микропроцессоров (МП) по топологической норме 250 нм требуется соответственно 19 и 22 процессов фотолитографии, тогда как для их производства по топологической норме 32 нм необходимо соответственно 28 и 238 процессов фотолитографии.
Стоимость стандартных процессов фотолитографии в изготовлении ИМС и МЭМС-приборов составляет от 25 до 40% от общей стоимости их производства. Поэтому на протяжении всего периода развития микроэлектроники предпринимаются попытки разработки новых способов формирования трехмерных размерных структур топологических элементов функциональных слоев на поверхности подложек и устройств для их осуществления, позволяющих отказаться от создания фоторезистивных масок, изготовления комплектов фотошаблонов и технологии вытравливания не нужных областей функциональных слоев [1].
Известен способ формирования трехмерных структур топологических элементов функциональных слоев на поверхности подложек без использования фоторезистивных масок, включающий размещение подложки с функциональным слоем на поверхности подложкодержателя, расположенного в вакуумной реакционной камере, облучение через фотошаблон заданных локальных участков подложки актиничным излучением с энергией квантов не менее 3 эВ, подачу к подложкодержателю газообразных реагентов, которые обеспечивают селективное травление облучаемых участков функционального слоя и, таким образом, формирования в нем топологических элементов [2].
К недостаткам способа можно отнести использование дорогостоящих фотошаблонов, и недостаточную воспроизводимость профиля травления получаемых топологических элементов, связанную с неоднородным распределением световой энергии на экспонируемых участках подложек. Кроме того, в стандартных фотолитографических процессах используется «вычитающая» или «субтрактивная» технология, при которой функциональный слой вначале наносится на всю подложку, а потом в нем с помощью фоторезистивной маски формируются заданные топологические элементы путем вытравливания не нужных областей функционального слоя. Естественно, что вытравленная (не нужная) часть функционального слоя, которая может составлять от 20 до 80% площади подложки, также относится к затратам стандартного процесса фотолитографии. И эти затраты достаточно велики для особо чистых и драгоценных материалов функциональных слоев ИМС и МЭМС-приборов.
Известен способ формирования трехмерных размерных структур топологических элементов функциональных слоев на поверхности подложек без использования фотошаблонов и фоторезистивных масок, включающий размещение подложки на поверхности подложкодержателя, расположенного в вакуумной реакционной камере, локальное облучение по заданной программе подложкодержателя сфокусированным электронным пучком, подачу к подложкодержателю газо- или парообразных реагентов, из которых под действием электронов на заданные локальные области подложки осаждается функциональный слой. В способе используется «аддитивная технология», то есть топологические элементы функционального слоя создаются на локальных участках подложки путем осаждения материала [3].
Указанному способу присущи следующие недостатки и ограничения. Геометрия формируемых топологических элементов функционального слоя в горизонтальной и вертикальных плоскостях определяется формой сечения электронного пучка, распределением энергии электронов в пучке по сечению и в вертикальной плоскости, распределением концентрации поступающего реагента по площади обработки и в вертикальной плоскости. Так, указанные параметры электронного пучка и реагента нельзя выдержать с высокой точностью в течение длительного времени, формируемые топологические элементы функционального слоя будут невоспроизводимы по точности размеров и геометрии формы, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Формируемые топологические элементы будут обладать большой неровностью-волнистостью края в горизонтальной плоскости и неконтролируемым углом наклона края элементов в вертикальной плоскости. Кроме того, в указанном способе формирование топологических элементов функционального слоя осуществляется в последовательном лучевом процессе, характеризуемом очень низкой производительностью. Поэтому для повышения производительности указанного способа предлагается использовать набор из 10-ти электронно-лучевых систем, что значительно повышает стоимость реализации способа.
Наиболее близким по технической сути является способ формирования трехмерных структур топологических элементов функциональных слоев на поверхности подложки, включающий расположение подложки в вакуумной реакционной камере, локальное облучение подложки от внешнего источника, подачу к подложке реагентов, из которых на облучаемые локальные области подложки осаждается функциональный слой, причем реагенты в реакционную камеру подаются циклически в виде повторяющего набора стадий, состоящего из напуска первого реагента и его адсорбции на поверхности подложки, откачки реакционной камеры после напуска первого реагента, напуска второго реагента и его химической реакции с адсорбированным на поверхности подложки первым реагентом, приводящей к формированию на подложке функционального слоя, откачки реакционной камеры после напуска второго реагента, причем облучение, вызывающее удаление адсорбированного слоя первого реагента с локальных областей поверхности подложки, осуществляется с обратной стороны подложки в процессе откачки реакционной камеры после напуска первого реагента[4].
К недостаткам изобретения можно отнести ограниченность направления облучения. Облучение происходит с обратной стороны пластины. Для эффекта локального осаждения требуется генерировать высокую мощность излучения, что снижает энергоэффективность процесса. Использование высокой мощности излучения приводит к разогреву структуры, следовательно, возникают механические напряжения, вызванные разницей температурных коэффициентов линейного расширения материала подложки и осаждаемого слоя.
Также в некоторых случаях для формирования слоя достаточно использовать один реагент вместо двух. Применение дополнительного реагента увеличивает стоимость структуры, возрастает время формирования слоя, затрачиваемое на процесс откачки реакционной камеры и подачи реагента.
Задачей настоящего изобретения является повышение энергоэффективности процесса и повышение равномерности осаждаемого слоя в структуре за счет облучения с любой стороны подложки, снижение себестоимости структуры изделия и сокращения времени осаждения слоя за счет использования одного реагента.
Это достигается тем, что в предложенном способе формирования трехмерных структур топологических элементов функциональных слоев на поверхности кремниевой подложки, включающий размещение подложки в вакуумной реакционной камере, откачивание реакционной камеры, локальное облучение подложки от внешнего источника, подачу к подложке реагента, из которого на облучаемые локальные области подложки осаждают топологические элементы с трехмерными структурами функционального слоя, причем локальное облучение подложки осуществляют с использованием лазера с любой стороны подложки с энергией облучения от внешнего источника, превышающей энергию десорбции осаждаемого материала на ней, при этом время задержки между включением внешнего источника для локального облучения и началом подачи реагента составляет не менее 100 не, а осаждаемый материал представляет собой атомы индия или алюминия.
В отличие от прототипа, в предлагаемом способе топологические элементы с трехмерными структурами функционального слоя формируются с помощью одного реагента. Откачка камеры осуществляется один раз перед напуском реагента. Это позволяет сократить время процесса осаждения, а также уменьшить финансовые затраты на реагенты.
Локальное облучение кремниевой подложки от внешнего источника (лазера) осуществляется с любой стороны подложки, например, с лицевой. Это позволяет более эффективно расходовать энергию лазера, т.к. не теряется энергия в процессе прохождения излучения через кремниевую подложку.
Энергия облучения в локальной области превышает энергию десорбции частиц, в результате в локальной области материал не осаждается (без использования фоторезистивных масок). Очевидно, что величина энергии десорбции зависит от типа атомов осаждаемого материала и технологических параметров процесса (например, давления в реакционной камере) Поэтому необходимо варьировать параметры процесса формирования структур. Изменяя время задержки между включением внешнего источника для облучения и началом подачи потока реагента, варьируя мощность облучения, настраивая площадь (фокус) облучения, можно сгенерировать энергию облучения, превышающую энергию десорбции.
Время задержки между включением внешнего источника для облучения и началом подачи потока реагента зависит от типа осаждаемого материала. В случаях, когда осаждаемый материал представляет собой атомы индия или алюминия, время задержки между включением внешнего источника для облучения и началом подачи потока реагента должно составлять не менее 100 нс.
Выполняя облучение, не воздействуя на объем кремниевой подложки, не вызывают термических механических напряжений, которые являются причиной изгиба пластины. В результате пластина становится более ровной по сравнению с прототипом, значит, повышается равномерность осаждаемого слоя. Варьируя угол облучения, можно формировать цилиндрические или конусоидальные структуры.
На фиг. 1 и 2 показан пример реализации предлагаемого способа, где: 1 - источник атомов реагента, 2 - атомы реагента, 3 - кремниевая подложка, 4 - внешний источник (лазер), 5 - вакуумная реакционная камера, 6 - элементы функционального слоя, 7 - локальная область облучения на подложке. На фиг. 3 представлена экспериментальная алюминиевая конусообразная структура с полостью в центральной области, полученная с использованием облучения локальной области подложки от внешнего источника.
r
m
s
d
b
b
-4
2
3
-7
3
3
Пример №1 конкретного применения способа. Нанесение пленок алюминия (реагент - поток атомов алюминия) на кремниевые подложки методом магнетронного распыления. Нанесение пленок алюминия проводилось в следующем режиме: остаточное давление в камере p=7⋅10 Па, рабочее давление аргона в процессе распыления р=0.6 Па, мощность на магнетроне W=500 Вт, температура подложки T=120°С, расстояние от мишени до подложки L=50 мм. В таком режиме обеспечивалась скорость осаждения пленок алюминия на подложки v=36 нм/мин. При облучении центра подложки на области диаметром 750 нм в процессе осаждения атомов алюминия излучением синего лазера с длиной волны (энергией кванта) λ=480 нм (ε=2.6 эВ) и плотностью мощности 0,2 Вт/см (0,2×10 Вт/нм). Время задержки между включением внешнего источника для облучения и началом подачи потока реагента составляет не менее 100 не. Площадь круглой области диаметром 750 нм составляет 441562 нм. Удельная мощность составляет 4.53 Вт/нм. В результате в течение 100 не воздействует удельная энергия 4.53×10 (c×Вт/нм=Дж/нм). Как результат, удалось сгенерировать
энергию облучения превышающую энергию десорбции. Вследствие этого, на указанной области диаметром 750 нм фиксировалось отсутствие пленки алюминия.
r
ev
s
d
g
g
-4
-2
2
3
-7
3
3
Пример №2 конкретного применения способа. Нанесение пленок индия (реагент - пары индия) на кремниевые подложки методом термического испарения. В качестве испарителя использовалась лодочка из тантала. Нанесение пленок индия проводилось в следующем режиме: остаточное давление в камере p=7⋅10 Па, рабочее давление паров индия в процессе нанесения р=1.4⋅10 Па, мощность на испарителе W=500 Вт, температура подложки T=30°С, расстояние от испарителя до подложки L=100 мм. В таком режиме обеспечивалась скорость осаждения пленок индия на подложки v=12 мкм/мин. При облучении центра подложки на области диаметром 1100 нм в процессе осаждения атомов индия излучением зеленого лазера с длиной волны (энергией кванта) λ=540 нм (ε=2.3 эВ) и плотностью мощности 0.15 Вт/см. Время задержки между включением внешнего источника для облучения и началом подачи потока реагента составляет не менее 100 не. Площадь круглой области диаметром 1150 нм составляет 949850 нм. Удельная мощность составляет 1.58 Вт/нм. В результате в течение 250нс воздействует удельная энергия 3.95×10 (с×Вт/нм=Дж/нм). Как результат, удалось сгенерировать энергию облучения превышающую энергию десорбции. Вследствие этого, на указанной области диаметром 1150 нм фиксировалось отсутствие пленки индия.
Таким образом, заявляемый способ формирования трехмерных структур топологических элементов функциональных слоев на поверхности подложек без использования фотошаблонов и фоторезистивных масок по сравнению с прототипом позволяет повысить энергоэффективность процесса, повысить равномерность осаждаемого слоя, снизить себестоимости структуры, сократить время осаждения слоя.
Источники информации:
1. Киреев В.Ю. Нанотехнологии в микроэлектронике. Нанолитография - процессы и оборудование. Издательский Дом «Интеллект», 2016. - 320 с.
2. Авторское свидетельство СССР №997576.
3. Патент США №9453281.
4. Патент РФ №2654313 - прототип.