Введение к работе
Актуальность проблемы
Плазменные методы формирования микро- и наноструктур (МЫ) на основе плазмохимических процессов травления и осаждения являются ключевыми в технологии наноэлектроники и микро- наносистемной техники. На современном этапе развитие плазменных процессов наноэлектроники связано с разработкой интегрированных процессов травления, обусловленных использованием новых материалов при изготовлении схем нового поколения. При этом задача точного переноса рисунка маски в нижележащий слой методом анизотропного травления из-за уменьшения элементов интегральных схем до нанометровых размеров и увеличения вследствие этого аспектного травления формируемых наноструктур резко усложнилась. При их травлении возникли новые проблемы, связанные с искажением их профиля. Решение связано с развитием многостадийных интегрированных плазменных процессов с учетом процессов осаждения, которые, являясь процессом противоположным травлению, могут скорректировать негативные эффекты. Кроме того, с использованием таких процессов можно получать структуры с размерами элементов меньше, чем в исходной маске. К началу настоящей работы в научной печати отсутствовала информация по формированию таких структур. Только в последнее время с их использованием были получены 24 нм элементы при начальных литографических размерах 60 нм.
Если в технологии наноэлектроники с помощью плазменных процессов необходимо было осуществить точный перенос рисунка маски в нижележащий слой, то общая задача - формирование высокоаспектных (ВА) наноструктур заданного вида ставится в нанотехнологии. Сочетая методы травления и осаждения, можно формировать ВА МН структуры, отличающиеся от рисунка исходной маски. Разработка таких процессов невозможна без понимания механизмов их формирования..
В технологии микросистемной техники создание высокоаспектных (А>10) и сверхвысокоаспектных трехмерных микроструктур в Si (А>50) необходимо для создания высокочувствительных инерционных датчиков, микроконденсаторов и других приборов. Эта задача решается с использованием циклических процессов травления/пассивация во фторсодержащей плазме. Точный перенос рисунка маски
в Si обуславливается балансом процессов осаждения/травления на дне и боковой поверхности структуры. Развитие таких процессов связано с требованием управления профилем формируемых В А микроструктур.
Другое направление развития методов наноструктурирования поверхности, основано на процессах самоорганизации, когда на поверхности материала в реактивной плазме при определенных условиях происходит самоформирование НМ структур, таких как наноиглы, нанопроволоки и нанотрубки. Реактивная плазма является уникальной средой, в которой можно реализовать концепцию «строительных блоков», когда формирование НМ структур осуществляется в две стадии. На первой стадии происходит подготовка поверхности и создание определенных блоков (тяжелых радикалов, кластеров), а на другой стадии происходит формирование из них наноструктур. Их формирование является центральной проблемой наноэлектроники и нанотехнологии.
Таким образом, задача формирования высокоаспектных, трехмерных НМ структур в многостадийных, циклических плазменных процессах является актуальной в микро- и нанотехнологии.
Целью работы являлось разработка физических основ плазменного микро-и наноструктурирования поверхности на основе исследований механизмов формирования высокоаспектных микро-наноструктур в многостадийных травление/осаждение процессах в неравновесной химически активной плазме Для достижения этой цели было необходимо:
исследовать параметры плотной химически активной плазмы с независимым управлением потоком энергией ионов в реакторе, разработать методы контроля основных параметров плазмы;
исследовать гетерогенные процессы взаимодействия химически активной плазмы с поверхностью Si, SiC>2, полимерных пленок и выявить основные особенности процессов травления, связанные с формированием ВА микронаноструктур;
разработать программный комплекс моделирования формирования высокоаспектных микро-наноструктур в плазменных процессах травления, в том числе в многостадийных процессах травление/осаждение и провести моделирование таких процессов;
- исследовать механизмы формирования и самоформирования микронаноструктур на поверхности материалов, разработать модели ионно-стимулированных плазменных процессов травления материалов и осаждения полимерной пленки на поверхности во фторсодержащей плазме и на их основе разработать новые методы формирования В А микро-наноструктур. Научная новизна и достоверность полученных результатов В диссертационной работе впервые получены следующие новые результаты:
-
Исследованы параметры химически активной плазмы Ar, ( ВЧ индукционного разряда низкого давления в неоднородном магнитном поле с использованием зондового метода и метода измерения и контроля потока ионов падающих на поверхность на основе измерений постоянного потенциала смещения и ВЧ мощности, подаваемой на подложку с позиции использования данного типа реактора в микро- и нанотехнологии. Показано, что при определенной конфигурации и напряженности магнитного поля достигается высокая плотность и однородность ионного потока на подложку.
-
Предложен метод управления ионным и радикальным составом фторуглеродной плазмы путем изменения коэффициентов рождения и гибели радикалов на терморегулируемых стенках внутреннего экрана реактора. Показано, что в реакторе с горячими стенками повышается селективность травления SiCVSi более чем в два раза.
-
Методом лазерной термометрии определены коэффициенты передачи энергии ионов поверхности Si, SiC>2, SisN4 в плазме инертных и химически активных газов. На основании данных коэффициента передачи энергии ионов (Е;<100 эВ) атомам поверхности был сделан вывод, что влияние отраженных частиц на формирование профиля травления структур незначительно.
-
На основе метода ячеек и метода Монте-Карло представления потока ионов и радикалов плазмы плазме, моделей ионно-стимулированного, радикального травления и осаждения фторуглеродной полимерной пленки разработан новый подход к моделирования формирования ВА МН структур в плазменных процессах микро-и наноструктурирования поверхности.
5. Исследованы ионно-инициированне процессы травления полимерных пленок на
основе новолака, ПММА, полиимида, плазмополимеризованных пленок в
кислородсодержащей плазме низкого давления. Разработан «сухой» метод формирования субмикронных структур в полимерной пленке с использованием концепции трехслойного резиста. Представлен критерий реализации анизотропного травления полимерной пленки в кислородсодержащей плазме;
-
Исследованы процессы травления SiC>2, Si во фторуглеродной плазме CHF3, CHF3/H2, C4F8, C4F8/Ar, C4F8/SF6 на основе которых разработаны критерии реализации селективного и анизотропного травления высокоаспектных Si, SiC>2 МЫ структур во фторуглеродной плазме. Представлены механизмы и проведено моделированию процессов ионно-стимулированного травления и осаждения фторуглеродной пленки;
-
Разработан комбинированный осаждение/травление метод формирования НМ канавок с размерами меньше, чем их размеры в маске. Показана принципиальная возможность реализации формирования наноструктур в слое SiC>2 с использованием такого метода;
-
Разработаны методы формирования Si микроструктур со сверхвысоким аспектным отношением (А>50) в двухстадийных, циклических процессах травление/пассивация в плазме C4F8/SF6. Выявлены основные эффекты формирования и проведено моделирование формирования таких структур; Достоверность экспериментальных результатов исследования обеспечивается
использованием независимых диагностических методик. Они подтверждаются сравнением полученных данных с результатами других экспериментальных исследований проводимых в России и за рубежом, а также численными оценками. Это свидетельствует, что полученные результаты является обоснованными и достоверными.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Показано, что методика измерения потока ионов падающих на поверхность на основе измерений постоянного потенциала смещения и ВЧ мощности в реакторе плотной химически активной плазмы ВЧ индукционного разряда является эффективным способом контроля плазменных процессов формирования ВА микронаноструктур. .
2. Результаты исследования коэффициента передачи энергии низко
энергетических ионов (Е;<200 эВ) атомам поверхности Si, Si02, Si3N4 в плазме Аг,
02 и C4F8;
-
Результаты экспериментального исследования ионно-инициированного травления полимерных пленок в кислородсодержащей плазме низкого давления. Рециклический механизм образования атомов кислорода на стенках реактора. Критерий реализации ионно-инициированного, анизотропного травления полимерной пленки.
-
Результаты экспериментального исследования высокоаспектного травления Si, Si02 во фторуглеродной плазме в реакторе с горячими стенками. Показано, что увеличение температуры стенок экрана до 500 К в реакторе в результате их нагрева плазмой во фторуглеродной плазме C4F8 ведет к увеличению концентрации легких радикалов CF2, потока ионов CF , к увеличению селективности травления Si02/Si. Механизм химического распыления Si02 с учетом фторуглеродной, наноструктурированной фторсодержащей пленки на его поверхности.
5. Метод моделирования плазменных процессов травления и осаждения,
основанный на методе ячеек для эволюции профиля поверхности и методе Монте-
Карло генерации потоков плазмы. Результаты моделирования ионно-
стимулированных процессов осаждения и травления фторуглеродной полимерной
пленки в плазме C4F8 и SF6.
6. Эффекты и методы формирования Si микроструктур со сверхвысоким
аспектным отношением (А>50) в циклическом, травление/пассивация процессе в
плазме C4F8/SF6, результаты моделирования такого процесса.
7. Механизм самоформирования фторуглеродных нанонитей в циклическом
двухстадийном травление/пассивация процессе.
Научно-практическая ценность результатов работы заключается в что в ней представлены новый подход к формированию высокоаспектных микро и наноструктур на поверхности материалов в том числе с использованием многостадийных процессов плазменного травления/осаждения. С его помощью можно формировать МЫ структуры с размерами элементов меньшими, чем размеры маски. Метод может быть использованы при формировании НМ структур не только на поверхности Si и Si02, но также и на других материалах.
Во-вторых, показана принципиальная возможность управления ионным и радикальным составом фторуглеродной плазмы в реакторе, варьируя скорость рождения и гибели радикалов путем изменения температуры стенки внутреннего экрана в реакторе, нагреваемого плазмой. В реакторе с горячими стенками увеличилась селективность травления SiC>2 по отношению к Si, фоторезисту и не происходит осаждения фторуглеродной пленки на стенках реактора.
Разработанные методы формирования высокоаспектных МЫ структур на поверхности Si, SiC>2, полимерных пленок в высокоплотной плазме могут быть использованы при разработке плазменных процессов травления в технологии микро-и наноэлектроники и микро- и наносистемной техники. Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на международных конференциях: Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" Звенигород. 1997, 2005, 8 Международного Симпозиума "Тонкие пленки в электронике" Харьков. 1997, 5 European Conference on Thermal Plasma Processes. St. Peterburg 1998, Международной конференции "Микроэлектроника и информатика" Москва, Зеленоград. 1997, XXV Inernational Conference on Phenomena in Ionized Gases Nagoya, Japan, 2001, Всероссийской научно-технической конференции «Микро-и наноэлектроника» Звенигород. 1998, Международной конференции по актуальным проблемам физики и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе. «КРЕМНИЙ -2008», Международной конференции по теоретической и прикладной плазмохимии. Плесе, Иваново, Россия, 2003, 2005, 2008 гг, Международных конференциях "Inernational Conference Micro-and nanoelectronics" Zvenigorod, Russia, 2003, 2005, 2007, 2009 гг. Публикации
