ФОРМИРОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР МЕТОДОМ ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ

УДК 621.382.049.77.002

Формирование наноразмерных структур методом плазменного травления

А.А.Голишников, М.Г.Путря, Е.Н.Рыбачек

Московский государственный институт электронной техники

Разработан и оптимизирован процесс изотропного плазменного травления поликремния для формирования наноструктур. Получены зависимости технологических характеристик процесса изотропного плазменного травления поликремния от его операционных параметров. Результаты использованы при формировании нанопроволочных кремниевых полевых транзисторов и чувствительного виброрезонансного наноэлемента для атомных весов.

Ключевые слова: наноструктуры, изотропное плазменное травление, нанопроволочные кремниевые структуры, нанотехнологии, функциональные слои.

В связи с развитием нанотехнологии появилась возможность создания различного рода датчиков, в которых используются уникальные свойства наноразмерных структур. Так, на основе нанопроволочных кремниевых полевых транзисторов (Si-NW БЕТ) возможно создание сверхчувствительных сенсоров для обнаружения молекул ДНК, протеинов, рН значений растворов и химических соединений. Наноразмерные механические устройства могут быть использованы для сверхчувствительного детектирования адсорбированной массы, например в атомных весах [1, 2].

Очевидно, что для формирования наноструктур требуется соответствующее дорогостоящее технологическое оборудование. В последние годы для получения наноразмер-ных элементов активно применяются нетрадиционные методы, например АСМ, наноим-принтинг или комбинированные методы, основанные на процессах фотолитографии с размерами элементов 1-1,5 мкм и последующего изотропного травления [3].

В настоящей работе представлены результаты исследований и разработки процесса изотропного плазменного травления поликремния для создания наноразмерных структур.

Эксперимент. Для реализации процесса сухого изотропного травления слоя поликристаллического кремния следует обеспечить определенные условия протекания плазмохимического процесса травления. Во-первых, применять источники плазмы с высокой плотностью нейтральных химически активных частиц (ХАЧ) при минимальном воздействии заряженной компоненты плазмы на поверхность подложки, во-вторых, использовать реакционные газы с высоким выходом радикалов фтора, такие, как гексафторид серы и №з, в-третьих, проводить процесс травления при высоких рабочих давлениях порядка 1 Торр и выше [4].

В работе использовалась промышленная установка плазмохимического травления 08ПХО-125/50-008 с индивидуальной обработкой пластин. Схема реактора приведена на рис. 1.

© А.А.Голишников, М.Г.Путря, Е.Н.Рыбачек, 2011

Поскольку для обеспечения изотропного травления необходимо применять реакционные газы с высоким выходом радикалов фтора, то в качестве рабочего газа использовался гексафторид серы SF6.

Эксперименты проводились в диапазоне рабочих давлений р от 25 до 65 Па. Значения мощности ВЧ-генератора W варьировалось в пределах 65-130 Вт, а расхода гексафторида серы QSFg - 0,6-6 л/ч. В качестве опытных образцов использовались Si-пластины диаметром 100 мм с рабочим слоем Si* толщиной 70-400 нм и подслоем диоксида кремния (Jsio2 = 35-400 нм).

Формирование поликремниевых наноструктур проходило в два этапа. Сначала создавали SP-элементы шириной ~1 мкм с помощью процессов проекционной фотолитографии и реактивного ионного травления (РИТ) кремния до слоя диоксида кремния. На второй стадии проводили изотропное плазменное травление (сужение) Si* через маски различных материалов (фоторезист (ФР) и SiO2 + Si3N4).

Измерения толщины пленок Si3N4, SiO2 ФР и Si* до плазмохимического травления и после проводили с помощью спектрофотометрического метода на установке MPV-SP. Профили исходных и получаемых структур (в том числе и величину подтрава функционального слоя под ФР-маску) измеряли на растровом электронном микроскопе SEM XL 40 фирмы Philips.

В ходе экспериментов необходимо было достичь высоких значений селективностей S (Si*/SiO2), S (Si*/ Si3N4) и S (SP/ФР) для обеспечения необходимого бокового подтра-ва под маску, минимального растрава нижележащего слоя диоксида кремния и приемлемой скорости травления Si* в горизонтальном направлении (~ 1 мкм/мин).

Результаты и обсуждение. В ходе работы были исследованы зависимости влияния подводимой к плазменному разряду ВЧ-мощности, рабочего давления и расхода реакционного газа на скорости травления функциональных слоев и селективности

S (Si*/SiO2), S (Si*/Si3N4), S (SP/ФР).

На рис. 2 и 3 представлены полученные результаты экспериментов по влиянию ВЧ-мощности, рабочего давления и расхода газа SF6 на скорость травления нелегированного поликремния, диоксида кремния и нитрида кремния.

C повышением ВЧ-мощности разряда температура и плотность электронов энергии заряженных частиц также увеличиваются. Все это способствует росту скорости травления функциональных слоев (см. рис.2,а). Отметим, что при значениях ВЧ-мощности порядка 100 Вт начинается эрозия фоторезистивной маски, которая приводит к изменению линейных размеров элементов. С этой точки зрения оптимальным значением подводимой мощности в процессе изотропного травления Si* на установке 08ПХО-125/50-008 является значение ~ 90 Вт, поскольку при меньших значениях ВЧ-мощности снижается скорость травления поликремния.

Зависимость скорости травления функциональных слоев от давления носит более сложный характер (рис.2,б). При меньших значениях давлений концентрации молекул рабочего газа и электронов малы. Это приводит к снижению плотности ХАЧ и уменьшению скорости травления. По мере увеличения давления до ~ 45 Па концентрация

Рис.1. Схематичное изображение плазменного реактора: 1 - ВЧ-электрод; 2 - электрод-подложкодержатель; 3 - ВЧ-генератор; 4 - область плазмы; 5 - рабочая пластина; 6 - к системе откачки; 7 - газоввод

химически активных частиц возрастает и, соответственно, растет утр. При дальнейшем увеличении рабочего давления от 45 до 65 Па длина свободного пробега электронов уменьшается, энергии электронов становится недостаточно для эффективной диссоциации молекул рабочего газа. Это приводит к уменьшению скорости генерации ХАЧ и в последствии - к снижению скорости травления. Таким образом, на зависимости утр = Др) при постоянных значениях расхода газа и ВЧ-мощности наблюдается максимум, соответствующий р ~ 45 Па.

Увеличение расхода рабочего газа QSF6 в диапазоне 0,6-3 л/ч вначале способствует эффективной доставке молекул рабочего газа в зону ВЧ-разряда, повышению концентрации ХАЧ и скорости травления (рис.2,в). Однако при дальнейшем увеличении QsF6 до значений 3-6 л/ч время нахождения ХАЧ у поверхности обрабатываемого слоя умень-

шается и в конечном счете становится настолько малым, что большая часть ХАЧ удаляется из объема рабочей камеры откачными средствами, не вступив в реакцию с Si*.

При плазмохимическом травлении кремнийсодержащих материалов рост интенсивности ионной бомбардировки при увеличении ВЧ-мощности приводит к снижению селективности нелегированного поликремния и нитрида кремния по отношению к SiO2 за счет большей зависимости скорости травления диоксида кремния от энергии ионов (рис.3,а).

Отметим, что селективность S (Si*/SiO2) уменьшается значительно заметнее, чем S (Si3NVSiO2), что скорее всего связано с природой материалов, а именно с их энергиями связи (Есв Si-Si < Есв Si-N < -EesSi-o).

Селективность S (Si*/SiO2) существенно увеличивается с ростом давления (рис.3,б) и расхода рабочего газа (рис.3,в). Вероятно, это вызвано тем, что плазмохимическое травление поликремния происходит в диффузионной области, а диоксида кремния - в кинетической, и, следовательно, снижение содержания химически активных частиц будет уменьшать скорость травления Si*, не меняя скорость травления SiO2. Это приводит к изменению соотношения скоростей травления, т.е. селективности.

Проанализировав полученные данные исследований с точки зрения обеспечения максимальных значений скорости травления Si* и селективностей S (Si*/SiO2), S (Si3N4/SiO2), S (SP/ФР), выбраны следующие значения операционных параметров процесса плазмохимического травления: W = 90 Вт; p = 45 Па; Qsf6 = 3 л/ч.

Исследование зависимостей скоростей травления Si*, SiO2, ФР, Si3N4 от ВЧ-мощности, рабочего давления, газового потока и их оптимизация позволили обеспечить

следующие параметры технологического процесса: Скорость травления нелегированного Si*

(в горизонтальном направлении)................................................0,7 мкм/мин

Селективность к ФР (марка Rohm Raas S1813 SP15)................................8,5

Селективность к Si3N4...................................................................................11

Селективность к SiO2....................................................................................45

Микрофотографии профилей изотропного травления нелегированного поликристаллического кремния при перечисленных условиях проведения представлены на рис.4.

Как видно из рис.4, при времени проведения процесса 40 и 55 с уход линейных размеров под фоторезистивную маску составляет соответственно 0,55 и 0,67 мкм.

* 1.4 МКМ С-=» 290 нм , 1.4 мкм ^ > 60 нм

ST—- * - V-v*

0 0 00 0 ЗООлл ---

а б

Рис.4. Микрофотографии изотропных профилей травления Si*: а - W = 90 Вт,

p = 45 Па, 6sf6 = 3 л/ч, t = 40 с; б - W = 90 Вт, p = 45 Па, QSF6 = 3 л/ч, t = 55 с

Разработанный процесс изотропного плазменного травления нелегированного Si* использовался при формировании нанопроволочных кремниевых структур и чувствительного виброрезонансного наноэлемента для атомных весов (рис.5). Как видно из рисунка, размеры сформированных наноэлементов на основе Si составляют менее 100 нм при их исходных размерах по маске ~1 мкм.

а б

Рис.5. Микрофотографии нанопроволочной кремниевой структуры

В ходе исследования и разработки процесса изотропного плазменного травления поликремния для формирования Si (Si*) наноструктур установлено, что данная технология позволяет формировать элементы с размерами менее 100 нм при их исходных размерах по фоторезистивной маске ~ 1 мкм за счет управляемого подтрава функционального слоя под исходную маску селективно к подслою.

Литература

1. Атомные весы: новые возможности исследования взаимодействия молекул / Е.В.Украинцев, Г.А.Киселев, Д.В. Багров и др. // Датчики и системы. - 2007. - № 1. - С. 18-21.

2. Attogram Detection Using Nanoelectromechanical Oscillators / B.Ilic, H.G.Craighead, S.Krylov et al. // J. of Appl. Phys. 2004. - Vol. 95. - P. 3694-3703.

3. Патент РФ2359359 20.06.2009.

4. Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 264 с.

Статья поступила 15 октября 2010 г.

Голишников Александр Анатольевич - кандидат технических наук, начальник лаборатории вакуумно-плазменных процессов НПК «Технологический центр» МИЭТ. Область научных интересов: технологии плазмохимического травления и физического осаждения тонких пленок из газовой фазы. E-mail: A.Golishnikov@tcen.ru

Путря Михаил Георгиевич - доктор технических наук, профессор, декан факультета электронных и компьютерных технологий МИЭТ. Область научных интересов: микро- и наноэлектроника, перспективные технологические процессы микро- и наноэлектроники, проблемы теории проектирования микроэлектронных систем и САПР элементной базы микро- и наноэлектроники.

Рыбачек Елена Николаевна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник НПК «Технологический центр» МИЭТ. Область научных интересов: технологии микро- и наноэлектроники.