Применение плазменных технологий в производстве УБИС

Сентябрь 2, 2022

Главная
Алгебра
Применение плазменных технологий в производстве УБИС

Содержание

2. Линии шириной 22 нм протравленные в кремнии через электронно-лучевой резист. Аспектное отношение 7:1
3. SF6/O2 крио процесс с использованием наноимпринт литографии. Суб-20 нм область.
4. 26 нм элемент поликремния, протравленный с высокой селективностью по отношению к подзатворному окислу. 3 стадии травления:
5. 27 нм линии в кремнии глубиной 450 нм.
6. 1 мкм переходные контактные отверстия в окисле кремния
7. 110 нм линии хрома.
8. 100 нм линии. Аспектное отношение 10:1.
9. 50 мкм элемент кремния.
10. 50 мкм травление кремния с использованием Bosch Process при изготовлении микромеханических устройств
11. Травление кремния по РИТ технологии в анизотропно-изотропном процессе для формирования кантиливеров АСМ
12. 75 мкм травление кремния
13. 400 мкм отверстие в кремнии, полученное по технологии криогенного РИТ
18. Плазмой называют квазинейтральный газ заряженных и нейтральных частиц, концентрация которых достаточна для того, чтобы создаваемый ими
19. Низкотемпературная газоразрядная плазма (НГП). НГП – это слабо ионизированный газ при давлении 13·10-2 - 13·102 Па
20. В зависимости от вида плазмообразующего газа и природы поверхности твёрдого тела в каждом из трёх случаев
22. Под процессом травления понимается удаление с поверхности атомов и молекул материала верхнего слоя. По физико-химическому механизму
23. ПТ и РИПТ происходят в плазме химически активных газов, и в них поверхность обрабатываемого материала подвергается
24. Процессы травления должны обеспечивать воспроизводимость, скорость, селективность, степень анизотропии, равномерность и высокую производительность. Указанные характеристики зависят
25. В системах вакуумного плазменного травления (ВПТ) диапазон давлений рабочего газа определяется условиями существования рабочих разрядов. В
28. Основные параметры процесса травления: Скорость травления Селективность травления Анизотропия травления Профиль травления Уровень внесенных радиационных нарушений
36. Изображение ICP системы для травления. Электростатический экран между катушкой и диэлектрическим окном (кварцевая труба) обеспечивает индуктивное
40. Схема форвакуумного насоса
41. Диффузионный насос
42. Турбомолекулярный насос
43. Схема криогенного насоса
46. Схема РИТ
59. Транспорт частиц в микроструктуре
61. Номенклатура специальных газов
64. Основные факторы при травлении в плазме элементов с малыми размерами и высоким аспектным соотношением: зарядка диэлектрических
65. Четыре основных механизма снижения анизотропии и задержки РИТ Ионное затенение. Рассеивание и зарядовый обмен в ОПЗ
71. Зависимости скоростей травления Si*, SiO2 и Si3N4 от операционных параметров процесса: а) - от ВЧ-мощности; б)
72. Зависимости селективностей травления Si*/SiO2 и Si*/Si3N4 от операционных параметров процесса: а) от ВЧ-мощности; б) – от
73. Микрофотографии изотропных профилей травления Si*: а) - W = 90 Вт, P = 45 Па, QSF6
74. Микрофотографии нанопроволочной кремниевой структуры (а) и чувствительного виброрезонансного наноэлемента для атомных весов (б).
75. Изготовление кремневого штампа: a) профили резистов, сформированные с помощью проекционной и электронно-лучевой литографий, б) металлизация, использующая
78. Transmission electron microscopy cross-sections of nanowire structure. (Reprinted from Yang, F.-L., Lee, D.-H., Chen, H.-Y., Chang,
79. Фотография кремниевого штампа, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Из рисунка видно, что ширина линии составляет
80. Микрофотография профиля щелевой структуры с осажденными тонкими слоями TaN/Ta/Cu.
81. Возможные поврежденияструктур, присущие плазменным процессам.
85. Поперечное сечение нижней части канавки с подтравом, вызванным переотражением ионов от заряженных стенок.
92. Селективное плазменное травление нитрида для формирования нитридного спейсера.
93. Микрофотография самосовмещенного контакта, вытравленного в системе высокоплотной плазмы, иллюстрирующая низкую селективность на углах структуры при понижении
94. Микроснимок поперечного сечения щелей различной ширины, протравленных в DRM системе в течение восьми минут. Наблюдается снижение
96. Схематичное изображение щелевого конденсатора, используемого в 256 Мгб ДОЗУ.
97. Вариации формы канавки для различных поколений ДОЗУ, приводящие к 10% изменениям площади конденсатора, вызываемым отклонением параметров
98. Микрофотография поперечного сечения с трансмиссионного электронного микроскопа (TEM) Al(Cu) проводника после травления Cl2/HCl плазмой, сопровождаемой удалением
99. Фотография полости в проводнике ("укус мыши") вызванной коррозией проводника из Al(Cu).
100. Темы для рефератов: Физико-химические свойства низкотемпературной плазмы. Методы диагностики. Физико-химическое воздействие НГП на обрабатываемую поверхность. Методы
102. Скачать презентацию

Слайд 2

Линии шириной 22 нм протравленные в кремнии через электронно-лучевой резист. Аспектное

отношение 7:1

Слайд 3

SF6/O2 крио процесс с использованием наноимпринт литографии. Суб-20 нм область.

Слайд 4

26 нм элемент поликремния, протравленный с высокой селективностью по отношению к

подзатворному окислу. 3 стадии травления: «пробивание окисла», анизотропная стадия, высокоселективный дотрав. 50нм/мин.

Слайд 5

27 нм линии в кремнии глубиной 450 нм.

Слайд 6

1 мкм переходные контактные отверстия в окисле кремния

Слайд 7

110 нм линии хрома.

Слайд 8

100 нм линии. Аспектное отношение 10:1.

Слайд 9

50 мкм элемент кремния.

Слайд 10

50 мкм травление кремния с использованием Bosch Process при изготовлении микромеханических устройств

Слайд 11

Травление кремния по РИТ технологии в анизотропно-изотропном процессе для формирования кантиливеров

АСМ

Слайд 12

75 мкм травление кремния

Слайд 13

400 мкм отверстие в кремнии, полученное по технологии криогенного РИТ

Слайд 14

Слайд 15

Слайд 16

Слайд 17

Слайд 18

Плазмой называют квазинейтральный газ заряженных и нейтральных частиц, концентрация которых достаточна

для того, чтобы создаваемый ими заряд ограничивал их движение.
Для выполнения этого условия нужно, чтобы характерный размер плазмы L0 был много больше характерного размера экранирования (радиуса Дебая):
rD= (ε0kBTeTi/eei(niTi+neTe))1/2, - расстояния, на котором нарушается квазинейтральность за счет теплового движения частиц (здесь ε0 – диэлектрическая постоянная вакуума, kB - постоянная Больцмана, Te,Ti – температуры электронов и ионов, e,ei – заряды электронов и ионов, ni,nе – ионная и электронная концентрации). На расстоя-
ниях, существенно превышающих дебаевскую длину, и при частотах,
меньших (4πпе2/т)1/2, т. е. меньше плазменной частоты, любое движе-
ние оставляет плазму квазинейтральной.

Слайд 19

Низкотемпературная газоразрядная плазма (НГП).
НГП – это слабо ионизированный газ при давлении

13·10-2 - 13·102 Па со степенью ионизации порядка 10-6 - 10-4 (концентрация электронов 1015 – 1018 м-3 ), в котором электроны имеют среднюю энергию 1 - 10 эВ (температуру порядка 104 - 105 К), а средняя энергия тяжелых газа (ионов, атомов, молекул) на два порядка меньше (Т=(3 - 5)·102 К).
При реализации процессов в НГП возможно, что:
1. НГП является одновременно средой проведения, источником участвующих в процессе частиц и стимулятором (активатором) процесса;
2. НГП служит только источником участвующих в процессе частиц;
3. НГП используется только для активации участвующих в процессе частиц, поверхностей или для стимуляции самого процесса.

Слайд 20

В зависимости от вида плазмообразующего газа и природы поверхности
твёрдого тела в

каждом из трёх случаев с помощью НГП могут быть проведены различные типы обработки, которые можно объединить в три большие группы:
1. удаление материала с поверхности твёрдого тела (распыление, травле-
ние, очистка);
2. нанесение материала на поверхность твёрдого тела (химическое из газовой фазы, физическое из материала мишени, модифицируемое в газовой фазе);
3. модификация поверхности слоя твёрдого тела окисление, анодирование, легирование другими элементами, текстурирование, гетерирование, отжиг.

Слайд 21

Слайд 22

Под процессом травления понимается удаление с поверхности атомов и
молекул материала верхнего

слоя.
По физико-химическому механизму взаимодействия частиц НГП с по-
верхностью обрабатываемого материала (образца) процессы травления можно разделить на три группы:
1. Ионное травление (ИТ), при котором поверхностные слои удаляются только в результате физического распыления. Распыление осуществляются энергетическими ионами инертных газов. Под энергетическими ионами и атомами понимаются частицы с энергией 0,1 - 2,0 кэВ. Если поверхность обрабатываемого материала находится в контакте с плазмой, то травление называется ионно-плазменным (ИПТ). Если поверхность образца не контактирует с плазмой, которая используется только как источник ионов, осуществляющих травление, то травление называют ионно-лучевым (ИЛТ).
2. Плазмохимическое травление (ПХТ) – травление при котором поверхностные слои материалов удаляются в результате химических реакций, с образованием летучих продуктов. Если поверхность обрабатываемого материала находиться в контакте с плазмой, то травление называют плазменным (ПТ). При ПТ химические реакции стимулируются низкоэнергетическими электронной и ионной бомбардировками, а также воздействием излучения. Если поверхность образца не контактирует с плазмой, которая используется только как источник ХАЧ, то такое травление называют радикальным травлением (РТ). РТ осуществляется спонтанно без стимуляции электронной и ионной бомбардировками, а в ряде случаев и при отсутствии воздействия излучения.
3. При реактивном ионном (РИТ) или ионно-химическом травлении (ИХТ) слои материала удаляются в результате как физического распыления энергетическими ионами, так и химическими реакциями между ХАЧ и атомами материала. Если поверхность обрабатываемого материала находится в контакте с плазмой, то травление называют реактивным ионно-плазменным (РИПТ), при этом на поверхность образца воздействуют энергетические ионы, свободные атомы и радикалы, электроны и излучение. Процесс физического распыления может, как ускорятся, так и замедлятся химическими реакциями.
Если поверхность образца не контактирует с плазмой, то такое травление называют реактивным ионно-лучевым травлением (РИЛТ). В процессе РИЛТ поверхность материала подвергается воздействию молекулярных и атомарных ионов, которые кроме физического распыления в результате ударной диссоциации и нейтрализации образуют ХАЧ, вступающие в химические реакции с обрабатываемым материалом. Химические реакции могут, как ускорить, так и замедлять процесс физического распыления.

Слайд 23

ПТ и РИПТ происходят в плазме химически активных газов, и в

них поверхность обрабатываемого материала подвергается воздействию одинакового набора частиц: ионов, электронов свободных атомов и радикалов, а также
излучения. Поэтому очень важно уметь различать эти процессы. В качестве условной границы использовано значение энергии ионов Ei , бомбар-
дирующих поверхность образца. Если E i < 100 эВ, то травление является
плазменным, если E i > 100 эВ, то происходит РИПТ

Слайд 24

Процессы травления должны обеспечивать воспроизводимость, скорость, селективность, степень анизотропии, равномерность и

высокую производительность.
Указанные характеристики зависят от вакуумно-технических параметров процессов травления, таких как:
1. Конструкция реактора и способ возбуждения разряда
2. рабочее давление;
3. состав и расход рабочего газа;
4. скорость откачки;
5. предельное давление.

Слайд 25

В системах вакуумного плазменного травления (ВПТ) диапазон давлений рабочего газа определяется

условиями существования рабочих разрядов.
В указанном диапазоне следует выбирать такое давление Pопт, при котором достигаются минимальный потенциал зажигания разряда и максимальная проводимость плазмы. При Pопт в плазме разряда скорости генерации ХАЧ и энергетических частиц максимальны, а следовательно максимальны скорости
травления материалов. Значение Pопт для конкретной системы ВПТ определяется видом используемого рабочего газа.

Слайд 26

Слайд 27

Слайд 28

Основные параметры процесса травления:
Скорость травления
Селективность травления
Анизотропия травления
Профиль травления
Уровень внесенных радиационных нарушений

поверхности
Уровень внесенных химических нарушений поверхности
Степень изменения морфологии поверхности

Слайд 29

Слайд 30

Слайд 31

Слайд 32

Слайд 33

Слайд 34

Слайд 35

Слайд 36

Изображение ICP системы для травления. Электростатический экран между катушкой и диэлектрическим

окном (кварцевая труба) обеспечивает индуктивное связывание и предотвращает емкостное связывание между плазмой и катушкой. Образец загружается рукой – роботом, специально разработанной для безопасной загрузки образцов MEMS

Слайд 37

Слайд 38

Слайд 39

Слайд 40

Схема форвакуумного насоса

Слайд 41

Диффузионный насос

Слайд 42

Турбомолекулярный насос

Слайд 43

Схема криогенного насоса

Слайд 44

Слайд 45

Слайд 46

Схема РИТ

Слайд 47

Слайд 48

Слайд 49

Слайд 50

Слайд 51

Слайд 52

Слайд 53

Слайд 54

Слайд 55

Слайд 56

Слайд 57

Слайд 58

Слайд 59

Транспорт частиц в микроструктуре

Слайд 60

Слайд 61

Номенклатура специальных газов

Слайд 62

Слайд 63

Слайд 64

Основные факторы при травлении в плазме элементов с малыми размерами и

высоким аспектным соотношением:
зарядка диэлектрических поверхностей (например, фоторезист или диэлектрическая маска) – приводит к искажению профиля травления.
эффект зарядового аспектного соотношения (разница в заряде верхней и нижней частей структуры) или электронного затенения.
Проблемы: протекание тока через тонкие изолирующие слои может вызывать пробой диэлектрика и повреждение устройства, может наблюдаться подтрав поликремния во время перетрава затворного электрода; сдвиг пороговых напряжений при травлении затворов; потери ионного тока внизу щели при травлении через диэлектрическую маску – наблюдается искажение профиля, не контролируемое пленкообразование внутри структуры.
эффект аспектного отношения, известный как «Замедление РИТ» (структуры с большими размерами травятся более быстро, чем структуры с малыми размерами).

Слайд 65

Четыре основных механизма снижения анизотропии и задержки РИТ
Ионное затенение.
Рассеивание и зарядовый

обмен в ОПЗ делает поступающие ионы изотропными.
Затенение нейтралами
Столкновения, как с другими частицами, так и с боковыми стенками структуры, замедляет поток химически активных нейтралов (например, F) внутрь структуры. Доступ нейтральных частиц к нижней части структуры, необходимый для удаления полимера и формирования летучих продуктов травления, затрудняется.
Накопление заряда
Электроны, из-за их высокого коэффициента диффузии и более длинной средней длины свободного пробега, имеют тенденцию, преимущественно заряжать верхние части травимой структуры и области фоторезиста. Как результат, ионы отклоняются к боковым стенкам, что может приводить к их травлению.
Транспортировка нейтральных продуктов
Обратный поток продуктов травления со дна структуры может сталкиваться с входящими частицами и переосаждаться на дне структуры, значительно увеличивая высадку полимера.

Слайд 66

Слайд 67

Слайд 68

Слайд 69

Слайд 70

Слайд 71

Зависимости скоростей травления Si*, SiO2 и Si3N4 от операционных параметров процесса:

а) - от ВЧ-мощности; б) – от давления; в) – от расхода SF6.

Получение нанопроволочных структур

Слайд 72

Зависимости селективностей травления Si/SiO2 и Si/Si3N4 от операционных параметров процесса: а)

от ВЧ-мощности; б) – от давления; в) – от расхода SF6.

Получение нанопроволочных структур

Слайд 73

Микрофотографии изотропных профилей травления Si*: а) - W = 90 Вт,

P = 45 Па, QSF6 = 3 л/ч, t = 40 с; б) - W = 90 Вт, P = 45 Па, QSF6 = 3 л/ч, t = 55 с.

Слайд 74

Микрофотографии нанопроволочной кремниевой структуры (а) и чувствительного виброрезонансного наноэлемента для атомных

весов (б).

Слайд 75

Изготовление кремневого штампа: a) профили резистов, сформированные с помощью проекционной и

электронно-лучевой литографий, б) металлизация, использующая Cr и Аl, в) взрыв, г) реактивное ионное травление в кремнии, д) профиль травления первой стадии, е) удаление Аl, сопровождаемое реактивным ионным травлением и ж) вторая стадия профиля травления после удаления Cr

Слайд 76

Слайд 77

Слайд 78

Transmission electron microscopy cross-sections of nanowire structure. (Reprinted from
Yang, F.-L., Lee,

D.-H., Chen, H.-Y., Chang, C.-Y., Liu, S.-D., Huang, C.-C., Chung, T.-X. et al., IEEE
Symposium on VLSI Technology, 196, 2004. With permission. Copyright 2004 IEEE.)

Lg = 5 nm

10 nm

Слайд 79

Фотография кремниевого штампа, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Из рисунка

видно, что ширина линии составляет ~ 75 нм.

Слайд 80

Микрофотография профиля щелевой структуры с осажденными тонкими слоями TaN/Ta/Cu.

Слайд 81

Возможные поврежденияструктур, присущие плазменным процессам.

Слайд 82

Слайд 83

Слайд 84

Слайд 85

Поперечное сечение нижней части канавки с подтравом, вызванным переотражением ионов от

заряженных стенок.

Слайд 86

Слайд 87

Слайд 88

Слайд 89

Слайд 90

Слайд 91

Слайд 92

Селективное плазменное травление нитрида для формирования нитридного спейсера.

Слайд 93

Микрофотография самосовмещенного контакта, вытравленного в системе высокоплотной плазмы, иллюстрирующая низкую селективность

на углах структуры при понижении концентрации C4F8.

Слайд 94

Микроснимок поперечного сечения щелей различной ширины, протравленных в DRM системе в

течение восьми минут. Наблюдается снижение глубины щелей с высоким аспектным соотношением из-за эффекта «задержки РИТ».

Слайд 95

Слайд 96

Схематичное изображение щелевого конденсатора, используемого в 256 Мгб ДОЗУ.

Слайд 97

Вариации формы канавки для различных поколений ДОЗУ, приводящие к 10% изменениям

площади конденсатора, вызываемым отклонением параметров от их номинальных величин. Экстраполированные величины показаны для 1 Гб. и 4 Гб. ДОЗУ.

Слайд 98

Микрофотография поперечного сечения с трансмиссионного электронного микроскопа (TEM) Al(Cu) проводника после

травления Cl2/HCl плазмой, сопровождаемой удалением резиста и промывкой.

Слайд 99

Фотография полости в проводнике ("укус мыши") вызванной коррозией проводника из Al(Cu).

Слайд 100

Темы для рефератов:
Физико-химические свойства низкотемпературной плазмы. Методы диагностики.
Физико-химическое воздействие НГП на

обрабатываемую поверхность.
Методы контроля окончания процесса травления
Влияние операционных параметров процесса травления на результаты травления
Системы получения и контроля вакуума.
Состав и структура оборудования для травления функциональных слоев ИМС в НГП .
Особенности травления: а) полупроводниковых, б) диэлектрических и в)металлических слоев в НГП.