Способ формирования субмикронной и нанометровой структуры

Способ формирования субмикронной и нанометровой структуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области микроэлектроники, микро- и нанотехнологии, а именно к способам формирования структур с помощью плазмохимических методов осаждения, травления осаждаемого материала на поверхность подложки, маски с целью создания в нем топологического рисунка, и может быть использовано в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Более конкретно, изобретение относится к способам переноса изображения рисунка маски в нижележащий слой с уменьшением топологических размеров структуры до нанометровых размеров.

Для создания структур субмикронных размеров без использования дополнительных литографических процессов известен метод переноса контура изображения (ПКИ метод) (см. Плазменная технология в производстве СБИС. Под ред. Н.Айнспрука. Москва. Мир. 1987. С.443-445). Метод заключается в следующем. На сформированную литографическим способом рельефную структуру на поверхности с вертикальными стенками осаждается пленка из какого-либо материала (Al, Si₃N₄, поликремний и др.). Поскольку ее толщина на боковой поверхности рельефной структуры выше, чем на планарной поверхности, то после операции анизотропного травления или распыления этой пленки с планарной поверхности она останется по периметру структуры, обозначая ее контур. После следующей операции селективного удаления материала исходной рельефной структуры на поверхности остается только контурная пленка из осажденного материала. Эту контурную пленку можно использовать как элемент прибора или в качестве передающей маски для такого элемента (прямой и косвенный способ переноса контура изображения). Размеры элемента зависят от толщины пленки на боковой стенке. Точные профили необходимого элемента определяются эмпирически. Такой метод был использован для создания решетки с периодом, меньшим, чем период исходной решетки (см. D.C.Flanders, N.M.Efremov. Generation of <50 nm period grating using edge defined techniques. J.Vac. Sci. Technol. 4, 1105 (1983) и для формирования затворов МОП-структур (см. Плазменная технология в производстве СБИС. Под ред. Н.Айнспрука. Москва. Мир. 1987. С.450).

Однако, используя косвенный метод ПКИ, когда оставшаяся пленка является маской для переноса изображения рисунка маски в нижележащий слой, получить уменьшенное изображение исходной рельефной структуры нельзя. В методе ПКИ переносится изображение только контура исходной структуры. Например, если рисунок в исходной маске представляет собой колодцы или канавки, то с использованием косвенного метода ПКИ в нижележащий слой перенесется только изображение контура колодцев или канавок. Однако для целей микроэлектроники и микротехнологии важно уметь переносить сформированный на поверхности рисунок в маске - рельефной структуры в нижележащие слои с уменьшением ее размеров. Это позволило бы без использования дорогостоящего литографического оборудования получать структуры субмикронных и даже нанометровых размеров. Такой не литографический способ формирования рельефной структуры в нижележащем слое может быть использован в технологии производства интегральных схем при создании контактных окон или дорожек металлизации.

Техническая задача настоящего изобретения - перенос рисунка маски рельефа в нижележащий слой подложки с размерами, меньшими, чем в исходной маске, достигающими субмикронных и нанометровых величин.

Технический результат достигается тем, в известном способе, заключающемся в том, что на сформированную в слое на поверхности подложки исходную рельефную структуру в виде канавок и колодцев микронных и субмикронных размеров наносят пленку до уменьшения их ширины до субмикронных и нанометровых размеров соответственно, полученную после нанесения пленки рельефную структуру вместе с материалом подложки, анизотропно и селективно относительно материалов пленки и исходной рельефной структуры травят в химически активной плазме до образования в материале подложки рельефной структуры субмикронных и нанометровых размеров, глубиной более чем в два раза превышающей ее ширину.

Материал нанесенной пленки и материал исходной рельефной структуры представляют собой общую маску для травления материала подложки. Селективность травления материала подложки по отношению к материалам нанесенной пленки и исходной рельефной структуры может быть различной. Главное, чтобы селективности их травления было достаточно для травления глубокой канавки в материале подложки.

Анизотропное и селективное травление может быть осуществлено реактивным ионно-лучевым реактивным методом.

Отличие предлагаемого способа в том, что полученную после нанесения пленки рельефную структуру вместе с материалом подложки анизотропно и селективно относительно материалов пленки и исходной рельефной структуры травят в химически активной плазме до образования в материале подложки рельефной структуры субмикронных и нанометровых размеров, глубиной более чем в два раза превышающей ее ширину.

Другое отличие заключается в том, что травление может быть осуществлено реактивным ионно-лучевым методом.

Данный технический результат - не литографическое уменьшение размеров переносимой структуры в нижележащий слой достигается следующей совокупностью признаков.

На поверхности подложки литографическим способом в слое резиста толщиной 0,5-1,5 мкм формируют рисунок, например канавки шириной 0,3-1,0 мкм.

На эту исходную рельефную структуру наносят пленку какого-либо материала (полимер, Si₃N₄ и др.) толщиной 0,2-0,6 мкм. При этом пленка наносится также на внутреннюю боковую поверхность канавки. Вследствие этого ширина исходной канавки уменьшается на двойную толщину боковой пленки. Если исходная ширина канавки была микронных размеров (˜1 мкм), то после нанесения пленки ее размеры могут быть уже меньше <0,5 мкм, т.е. перейти в субмикронную область. Если же исходные размеры канавки были в субмикронной области, то после нанесения пленки ее ширина может лежать уже в нанометровой области, то есть стать меньше 100 нм. Уменьшение ширины исходной дорожки зависит от толщины пленки, осаждаемой на боковые стенки канавки. Поэтому толщина пленки подбирается таким образом, чтобы на боковой поверхности исходной структуры осаждалась пленка необходимой толщины.

Затем с полученной после осаждения пленки рельефной структуры можно, как и в косвенном методе ПКИ, анизотропным травлением или распылением удалить пленку с планарной поверхности - со дна и вершины канавки. При этом пленка остается на боковой стенке, поскольку ее толщина здесь выше. Таким образом, если исходная структура была система канавок определенного размера, то после таких операций ширина канавки будет меньше на двойную толщину боковой пленки.

Далее проводится заключительная операция анизотропного и селективного травления материала подложки относительно материала наносимой пленки и материала исходной маски, в результате чего осуществляется перенос канавок уменьшенных размеров в нижележащий слой материала.

Формирование канавок меньших размеров можно осуществить также без проведения предварительной операции анизотропного травления или распыления наносимой пленки со дна и верха канавок, поскольку ее можно осуществить на заключительной стадии анизотропного и селективного материала подложки относительно материалов пленки и исходного рельефного слоя.

Таким образом, с помощью указанных операций после можно управлять шириной, переносимой в подложку канавки.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где схематично показана последовательность процесса формирования рельефной структуры с уменьшенными размерами. Пусть на поверхности кремниевой подложки литографическим методом в слое резиста создана исходная рельефная структура (ИРС), представляющая собой систему параллельных канавок шириной d₀ (Фиг.1). Далее на эту маску из газовой фазы осаждается пленка какого-либо материала, например полимерная (ПП) пленка. В результате осаждения ПП пленки на боковую поверхность канавок с вертикальными или почти вертикальными стенками (наклон стенок равен 87-90 градусов) ширина канавок уменьшается на двойную ширину боковой ПП пленки до размеров d₁ (Фиг.2). Осаждением пленки на боковую стенку канавки ширину канавок можно уменьшить до нанометровых размеров (<100 нм), если исходная ширина канавки была субмикронных размеров (˜500 нм). Осажденная пленка вместе с материалом маски является маской для последующей операции плазменного, селективного и анизотропного травления материала подложки. Глубина канавки травления в нижележащем слое определяется селективностью процесса травления (Фиг.3).

Таким образом, в два этапа, комбинацией процесса осаждения пленки и последующим использованием ее в качестве маски в процессе плазменного травления, можно получить структуры различных, в том числе и нанометровых размеров в слое нижележащего под маской материала.

Заявляемое техническое решение не известно из уровня техники, что дает основание сделать вывод о его новизне. Кроме того, оно явным образом не следует из уровня техники, что говорит о его изобретательском уровне.

Изобретение поясняется примерами реализации предлагаемого способа.

Пример 1. Формирование субмикронных, нанометровых структур в подложке, на поверхности которой нанесен слой диоксида кремния, с помощью комбинированных методов плазмохимического осаждения и травления.

Способ формирования субмикронных, нанометровых структур в слое диоксида кремния с помощью комбинированных методов плазмохимического осаждения и травления проводят в реакторе высокоплотной плазмы высокочастотного индукционного разряда низкого давления. Формирование структур меньших размеров проводят в две стадии. На первой стадии осуществляют осаждение на сформированные методом оптической литографии в фоторезистивной маске (ФР) рельефную структуру фторуглеродной пленки (ФУП) заданной толщины, а на второй - селективное и анизотропное травление диоксида кремния по отношению к ФУП и ФР.

Кремниевую пластину со слоем диоксида кремния (толщина 0,8 мкм) и фоторезистивной маской с рисунком, представляющим систему параллельных полос шириной 0,4, 08, 1,6 мкм, устанавливают на ВЧ электроде. Толщина фоторезистивной маски на основе новолака равнялась 0,8 мкм. Осаждение ФУП осуществляют в плазме CHF₃+40% Н₂ при следующих параметрах: давление - 0,14 Па, расход газа - 30 см³/мин (нормальные условия), мощность разряда - 1500 Вт. Температура подложки - 20°С. Время осаждения 1 мин. Толщина ФУП на поверхности маски равняется 0,5 мкм, а на боковой стенке - 0,16 мкм.

На второй стадии при этих же параметрах разряда осуществляют анизотропное травление диоксида кремния путем подачи ВЧ напряжения на электрод, на котором лежит подложка. При этом увеличивается энергия бомбардирующих ионов и происходит первоначально некоторое время травление ФУП, а затем SiO₂. При вкладываемой ВЧ мощности на электрод, равной 125 Вт, скорость травления диоксида кремния составляет 0,3 мкм/мин. Время травления 3 мин. Скорость травления определяют по глубине ступеньки, протравленной за известное время. Форму канавки травления определяют на растровом электронном микроскопе (РЭМ). Вид канавки травления в слое SiO₂ после 1 мин травления и после удаления ФУП и ФР в кислородной плазме показывает, что ширина канавки травления в слое диоксида кремния была меньше, чем ширина исходной канавки на 0,32 мкм. Ее ширина в канавках минимального размера составляла 80 нм.

Пример 2. Формирование субмикронных и нанометровых структур в кремнии с помощью комбинированных методов плазмохимического осаждения и травления.

Формирование субмикронных, нанометровых структур в слое кремния с помощью комбинированных методов плазмохимического осаждения и травления проводят также в реакторе плазмы высокочастотного индукционного разряда низкого давления. Формирование структур меньших размеров происходит в две стадии. На первой стадии осуществляют осаждение на подложку фторуглеродной пленки заданной толщины, а на второй - селективное и анизотропное травление Si по отношению к ФУП и ФР.

Кремниевую пластину со слоем диоксида кремния и фоторезистивной маской с рисунком, представляющим систему параллельных полос шириной 0,4, 08, 1,6 мкм, устанавливают на ВЧ электроде. Толщина фоторезистивной маски на основе новолака равнялась 0,8 мкм. Слой SiO₂ протравлен до Si через ФР маску. Далее осуществляется осаждение ФУП в плазме C₄F₈ при следующих параметрах: давление - 0,3 Па, расход газа - 20 см³/мин (нормальные условия), мощность разряда - 900 Вт. Температура подложки - 20°С. Время осаждения 1,5 мин. Толщина ФУП на поверхности маски и на дне канавки равняется 0,6 мкм, а на боковой стенке - 0,15 мкм. На второй стадии при этих же параметрах разряда осуществляют анизотропное травление кремния через ФУ маску в плазме SF₆+C₄F₈ (50/50) путем подачи ВЧ напряжения на электрод, на котором лежит подложка. При этом увеличивается энергия бомбардирующих ионов и происходит первоначально травление ФУП, а затем Si. Скорость травления кремния составляет 0,5 мкм/мин при вкладываемой ВЧ мощности на электрод, равной 100 Вт. Время травления 2 мин. Измерение формы канавки травления на РЭМ показывает, что ширина канавки уменьшается на 0,3 мкм.

Таким образом, как следует из приведенных примеров, предлагаемый способ позволяет сформировать структуры субмикронных и нанометровых размеров.

1. Способ формирования субмикронной и нанометровой структуры в подложке, заключающийся в том, что на сформированную в слое на поверхности подложки исходную рельефную структуру в виде канавок или колодцев микронных и субмикронных размеров наносят пленку до уменьшения их ширины до субмикронных и нанометровых размеров соответственно, отличающийся тем, что полученную после нанесения структуру вместе с материалом подложки анизотропно и селективно относительно материалов пленки и исходного рельефного слоя травят в химически активной плазме до образования в подложке рельефной структуры субмикронных и нанометровых размеров, глубиной более чем в два раза превышающей ее ширину.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что анизотропное и селективное травление осуществляют реактивным ионно-лучевым методом.