На правах рукописи

ШУМИЛОВ АНДРЕЙ СТАНИСЛАВОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ

ГЛУБОКИХ КАНАВОК В КРЕМНИИ

В BOSCH-ПРОЦЕССЕ

Специальность

05.27.01. – твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты,

микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых

эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2009 1

Работа выполнена в Ярославском филиале Учреждения Российской академии наук Физико-технологический институт (ФТИАН)

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук И.И.Амиров.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, А.А.Мельников кандидат физико-математических наук В.П.Кудря

Ведущая организация:

Государственный научный центр РФ ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ

Защита диссертации состоится “_17_“_декабря_ 2009 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д.002.204.01 при Учреждении Российской академии наук Физико-технологический институт по адресу: 117218, Москва, Нахимовский проспект, 36/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИАН.

Автореферат разослан “_16_“_ноября_ 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук В.В.Вьюрков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Создание кремниевых высокоаспектных микроструктур является актуальной задачей в технологии микроэлектроники и микросистемой техники. Их формирование осуществляется в специально разработанном циклическом, двухстадийном травление/пассивация процессе в плазме SF6/C4F8 или SF6/O2 ВЧ индукционного разряда (Bosch-процесс). Моделирование такого процесса является необходимым методом исследования, так как позволяет проверить правильность понимания механизмов их формирования и несёт в себе предсказательную способность.

Кроме того, характеристики процесса зависят от многих параметров, и поэтому численное моделирование может заменить дорогостоящие эксперименты для проверки влияния различных факторов на формирование микроструктур.

Основной целью моделирования является создание совершенной модели, способной предсказывать новые эффекты формирования микроструктур. Для этого в нее необходимо включать все физико-химические факторы, определяющие процесс. В циклическом процессе чередование стадий травления и противоположной ей стадии осаждения (пассивации) может привести к появлению различных эффектов структурирования поверхности. Накопление малых возмущений на отдельных стадиях в циклических процессах является причиной образования нано- и микроструктур. Моделирование многостадийных циклических процессов гораздо сложнее одностадийного моделирования, именно поэтому представленных работ по многостадийному моделированию не так много. Симуляция часточередующихся стадий процесса требует от модели более высокой вычислительной точности. В настоящее время ввиду сложности описания плазмохимических процессов травления и осаждения разработаны только упрощенные модели их формирования.

Поэтому создание метода моделирования плазменных процессов формирования микроканавок в циклическом процессе является актульной задачей микро-и наноструктурирования поверхности.

Цель работы Целью работы являлась разработка 2 метода моделирования формирования глубоких, высокоаспектных канавок субмикронной щирины в Si в циклическом двухстадийном травление/пассивация процессе в плазме SF6/C4F8.

Для решения поставленной цели необходимо было решить ряд задач, которые можно условно разделить на следующие части:

1. Изучить существующие концепции моделирования процессов плазменного травления Si и предложить модель нового метода моделирования;

2. Разработать математические алгоритмы метода: алгоритмы расчёта потоков частиц плазмы, траектории частиц, алгоритмы взаимодействия частицы с поверхностью, алгоритмы изменения геометрии профиля, расчёта нормали поверхности;

3. Осуществить программную реализацию математических алгоритмов метода. Создать комплекс программ для расчётов формирования профиля микроструктур в одностадийных и двухстадийных циклических процессах травления и осаждения во фторсодержащей плазме, обеспечение приемлемой скорости расчётов. Провести верификацию и калибровку метода;

4. Провести исследование формирования глубоких канавок в Si в зависимости от внешних и внутренних параметров модели.

Определить чувствительность модели к наиболее важным параметрам. Провести моделирование различных эффектов формирования микроканавок и провести сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.

Научная новизна Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

• Разработан новый гибридный метод моделирования циклического травление/пассивация процесса формирования глубоких канавок в Si. В методе использовался метод ячеек для описания и динамики профиля поверхности и метод Монте Карло для генерации потоков плазмы.

• Метод моделирования реализован в созданном интерактивном программном комплексе EDPS (Etch-deposition profile simulator). Комплекс предоставляет широкие возможности для проведения численных экспериментов моделирования.

• В методе реализована модель травления Si в плазме SF6 и ионно-стимулированного осаждения фторуглеродной полимерной пленки (ФУП) в плазме С4F8 и ее травления в плазме SF6. На основе экспериментальных данных проведена моделирования.

• С помощью разработанного метода впервые было осуществлено моделирование формирования глубоких высокоаспектных (A>10) канавок субмикронных размеров в Si в Bosch-процессе в плазме SF6/C4F8. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными подтверждает правильность модели. Показано, что в условиях аспектнозависимого (АЗ) травления глубоких канавок в Si скорость процесса определяется доставкой атомов фтора на их • Моделирование подтверждает существование широкого ряда эффектов искажения профиля канавок при травлении Si в Bosh-процессе в плазме SF6/C4F8. Показано, что, изменяя управляющие параметры в течение процесса можно варьировать форму субмикронных канавок. Определены условия формирования канавок с разным углом наклона боковых стенок, возникновения апертурного эффекта, достижения аспектнонезависимого (АНЗ) травления.

• Впервые при моделировании формирования глубоких канавок в Si впервые было обнаружено, что в условиях сильной пассивации на дне широких канавок возможно образование наноигл. Вероятными причинами их образования могут быть:

неоднородное по поверхности осаждение и травление ФУП и разница в скоростях травления ФУП и Si. В соответствии с экспериментальными данными наноструктуры образуются на дне широких канавок и отсутствуют в узких.

Положения, выносимые на защиту Метод 21/2-мерного, основанного на клеточно-струнных алгоритмах представления и динамики профиля поверхности, методе Монте-Карло для генерации потоков плазмы. моделей травления Si в плазме SF6 и ионно-стимулированного осаждения ФУП в плазме С4F8 и ее травления в плазме SF6.

• Результаты моделирования апертурного эффекта формирования глубоких высокоаспектных (A>10) канавок субмикронных размеров в Si в Bosch-процессе в плазме SF6/C4F8. Показано, что в условиях АЗ-травления глубоких канавок в Si скорость процесса определяется доставкой атомов фтора на дно глубоких канавок.

• Результаты моделирования эффектов искажения профиля канавок при травлении Si в Bosch-процессе в плазме SF6/C4F8.

Показано, что, изменяя управляющие параметры в течение процесса, можно варьировать форму субмикронных канавок.

Условия формирования канавок с разным углом наклона боковых стенок, возникновения апертурного эффекта, достижения АНЗ-травления.

• Результаты моделировании эффекта возникновения Si наноигл на поверхности Si. Он возникает в условиях сильной пассивации, когда на дне широких канавок ввиду неоднородности осаждения и травления ФУП возникает ФУП наномаска и и затем наноиглы.

Практическая ценность Созданный программный комплекс для моделирования плазменных процессов травления и осаждения, двухстадийных, циклических процессов формирования высокоаспектных субмикронных канавок имеет большое практическое значение.

Проведенные с его помощью численные эксперименты позволяют заменить дорогостоящие на практике эксперименты. Полученные результаты могут быть использованы для разработки новых плазменных процессов микротехнологии.

Апробация работы Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях:

XVI Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью». Москва, 2003.

International Conference ”Micro- and nanoelectronics - ICMNE” 2003, 2005, 2007. Moscow, Zvenigorod, Russia.

Семинар «Получение, исследование и применение низкотемпературной плазмы им.Л.С.Полака». Москва, январь 2008.

5-ый Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, Иваного, 3-8 сентября 2008г.

«Квантовые компьютеры, микро- и наноэлектроника».

Ярославль, 22-23 сентября 2008г.

Вопросы авторства и публикаций Результаты описанных в диссертации исследований автора были опубликованы в 2003-2008 годах. Список публикаций приведен в конце реферата. Большинство из работ было выполнено автором в соавторстве с научным руководителем.

Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка цитируемых книжных, литературных и электронных источников.

Общий объем текста составляет страниц, включая список цитированной литературы. Диссертация содержит рисунков и таблицу. Библиография содержит ссылок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и практическая значимость темы диссертационной работы.

В первой главе приводится обзор работ по моделированию плазменных процессов травления и осаждения.

На основе литературных данных обсуждаются достоинства, недостатки и пределы применимости для существующих на момент начала работы методов и систем моделирования. При моделировании необходимо рассматривать все процессы взаимодействия химически-активной плазмы с поверхностью. Эти процессы влияют на изменение профиля канавки травления.

Универсальность и приближенность модели к реальности зависит от количества закладываемых в неё процессов. Модель плазмохимического травления микроструктур можно представить следующей схемой: модель транспорта частиц плазмы, модель поверхностных взаимодействий, метод представления и алгоритмы динамики профиля (рис. 1). Моделирование гетерогенной стадии процесса формирования микроструктур в плазме осуществляется в основном тремя методами: струнный, клеточный, а также метод характеристик, развитием которого является метод уровней «level set». Методы расчёта потоков частиц плазмы представлены Монте-Карло-итерациями или аналитическими интегральными уравнениями. На основе анализа существующих моделей формирования профиля канавок в плазменных процессах травления был сделан вывод, что по отдельности клеточный или струнный методы развития профиля не могут обеспечить необходимую точность расчетов. Необходим новый метод, сочетающий преимущества обоих. Поэтому было решено использовать комбинирование метода Монте-Карло для представления плазмы и сочетание клеточного и струнного алгоритма развития профиля.

В конце главы приведена постановка задачи и определены основные цели диссертационной работы.

Рис. 1. Структура модели процессов плазменного травления Вторая глава диссертации посвящена изложению предлагаемого метода моделирования. Указываются достоинства выбранного подхода моделирования. Клеточное представление профиля канавки травления даёт возможность работать с несколькими материалами, рассчитывать поверхностные химические реакции и предсказывать образование пустот.

Сочетание метода Монте-Карло для расчёта потока частиц плазмы с клеточным представлением профиля наглядно в реализации и позволяет моделировать цикличные процессы травления сложных микроструктур.

В начале главы даётся подробное описание структурных компонентов и приводится блок-схема основного алгоритма метода. Для уменьшения ошибки расчёта точки пересечения частицы плазмы с поверхностью и нормали к ячейкам поверхности, приведено обоснование выбора аппроксимации построение струны на клеточной поверхности. Описывается схема генерации потоков частиц плазмы методом Монте-Карло. Линия частиц плазмы, с которой происходит генерация случайного потока частиц, находится на уровне границы поверхности профиля. Длина свободного пробега частиц плазмы была много больше размеров профиля. Ионы падали на поверхность с линейной границы области пространственного заряда.

Рис. 2. Траектория падения частицы плазмы на поверхность профиля, построение аппроксимации и определение точки и клетки пересечения.

Предлагаемая модель учитывает три сорта частиц: 1) травящие радикалы - атомы фтора, 2) осаждающиеся частицы – СFx радикалы и ионы SF5+ (плазма SF6 ) и СFx+ (плазма С4F8). В начале алгоритма находится точка и направление траектории падения частицы плазмы (рис. 2). Далее вычисляется точка её пересечения с границей поверхности травления. Зная точку и угол попадания частицы, на основе заложенной модели проводится расчет частиц в клетке. Данная частица может адсорбироваться, отразиться или выбить из поверхностного слоя другую частицу.

Подробно исследована и описана проблема аппроксимации клеточной поверхности для нахождения точек пересечения и вылета отражённых частиц, приведены и разобраны разные способы её построения (поверхностной струны) (рис. 2) Найдены аппроксимации – для падающих частиц и для отражённых частиц, таким образом, точки пересечения при падении на поверхность и начальная точка вылета отражённой частицы с поверхности могут различаться.

моделирования. В клеточном методе моделирования гетерогенных Рис. 3. Клеточное 21/2-мерное представление профиля канавки процессов в плазме поверхность раздела разбивается на клетки (рис. 3). На рисунке показаны газовые и поверхностные клетки, клетки маски, плёнки и кремния. В начальном состоянии есть вида клеток – газовые (пустые), клетки исходного материала (Si, CFх) и клетки материала маски (Ме) (они неподвержены травлению и далее не рассматриваются в цепи реакций). В Si клетке содержится 30 атомов Si. При падении на поверхность реакционных радикалов СF2 и атомов F, в зависимости от их вероятности прилипания, они остаются в них или отражаются по косинусному закону распределения. В случае прилипания образуются реакционные клетки, содержащие атомы Si, F, C или только Si и F. Они составляют поверхностный реакционный слой.

Реакционные клетки могут превращаться также в полимерные клетки, содержащие атомы F и C. Выбранное количество атомов и размер клетки соответствуют толщине реакционного слоя, приблизительно равного 2.5 нм.

При попадании активной частицы в клетку в ней рассчитывались химические реакции, в результате которых мог измениться её атомный состав. Считалось, что летучие продукты химических реакций не принимали дальнейшего участия в расчётах и беспрепятственно удалялись из пределов домена. Для контроля атомной плотности в поверхностных клетках профиля требовался пересчёт атомного баланса внутри клеток и их соседей.

При переполнении клетки (количество атомов Nmax) клетка делилась и рядом с ней возникала новая клетка. Содержимое переполнившейся клетки делилось между ней и новой клеткой по определённым законам. Так осуществлялся процесс осаждения.