РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2015, том 2, выпуск 4, c. 66–73
РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
УДК 66.088
Особенности процесса глубинного анизотропного
травления кремния в технологии изготовления
траншейных МОП-транзисторов
А. Е.Ануров, Ю.М.Заботин, С. Г.Подгородецкий
АО «Российские космические системы»
e-mail: anurov_aleksey@mail.ru
Аннотация. В докладе рассмотрены особенности травления тренчей для формирования затвора в технологии
изготовления вертикальных силовых МОП-транзисторов и представлены зависимости геометрии тренчей от параметров
травления. Показано, что пропорциональное изменение расходов газов не оказывает существенного
влияния на режим травления и вид тренчей, а соотношение времени травления и осаждения пассивации сильно
влияет на наклон стенок тренча и шероховатость дна.
Ключевые слова: глубинное реактивное ионное травление (ГРИТ), вертикальные силовые МОП-транзисторы,
Bosch-процесс, технология trenchMOS
Specifics of Silicon Deep Anisotropic Etching
in Trench MOSFET Manufacturing Technology
A. E.Anurov, Yu.M.Zabotin, S. G.Podgorodetsky
Joint Stock Company “Russian Space Systems”
e-mail: anurov_aleksey@mail.ru
Abstract. Operation of gate trench etching for vertical power MOSFET manufacturing technology is considered and
investigation results are shown as dependences of trench geometry from etch parameters and as parameters of the final
etch regime in this paper. It is shown that gas flows’ proportional change has a little effect on the etch regime and the
trench form, and etch time to deposition time ratio has a strong influence on the wall slope and the bottom roughness.
Key words: deep reactive ion etching (DRIE), vertical power MOSFET, Bosch-process, trenchMOS technology
Стр.1
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ГЛУБИННОГО АНИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ 67
1. Введение
Плазменные методы формирования микрои
наноструктур на основе плазмохимических
процессов травления и осаждения являются ключевыми
в технологии микро- и наноэлектроники.
Формирование высокоаспектных (A> 10) и сверхвысокоаспектных
(A> 50) микроструктур с высокоанизотропным
профилем в кремнии необходимо
для создания высокочувствительных инерционных
датчиков, микроконденсаторов и других приборов,
а также для траншейной технологии (trenchMOS)
изготовления МОП-транзисторов. Среди плазменных
процессов травления наибольшее распространение
получил Bosch-процесс благодаря конструктивной
простоте оборудования по сравнению с криопроцессом
и лучшими параметрами травления по
сравнению со смешанным процессом травления [1].
Таким образом, оптимизация Bosch-процесса травления,
как одной из операций, влияющих на выходные
параметры МОП-транзисторов, является
актуальной задачей.
Цель работы — исследование Bosch-процесса
глубинного травления кремния в технологии изготовления
МОП-транзисторов.
Для достижения поставленной цели в работе
необходимо было решить следующие задачи:
– провести анализ принципа действия, областей
применения и технологии изготовленияМОП-транзисторов;
–
провести анализ физических основ плазмохимического
травления (ПХТ) и технологии формирования
отверстий в кремнии;
– исследовать особенности глубинного анизотропного
травления кремния в технологии изготовления
МОП-транзисторов.
2. Анализ принципа действия
МОП-транзисторов
Большинство современной цифровой электроники
построено на полевых МОП-(метал–окисел–
полупроводник) транзисторах, как более экономичных,
по сравнению с биполярными транзисторами.
Иногда МОП-транзисторы называют МДП (металл–диэлектрик–полупроводник).Международный
термин
таких транзисторов — MOSFET (metaloxide-semiconductor
field effect transistor). Существуют
n-канальные и p-канальные МОП-транзисторы
(рис. 1) [2].
На рис. 1 представлен транзистор с затворами,
расположенными вертикально в канавках-тренчах.
Рис. 1. Силовой вертикальный МОП-транзистор
На рис. 1 отмечены три контакта транзистора:
исток — 1,сток — 2 изатвор — 6.Транзистор
сформирован в эпитаксиальной структуре, состоящей
из подложки 8, на которой выращен высокоомный
эпитаксиальный слой 7.Вкачествеподложки
используются пластины низкоомного кремния
кристаллографической ориентации (100). Так как
после окончательного формирования структуры
для уменьшения последовательного сопротивления
структура утоняется, подлегирование тыльной стороны
нецелесообразно. В качестве материала подложки
используются пластины, легированные мышьяком
с удельным сопротивлением 0,005 Ом· см.
В эпитаксиальном слое 7 диффузией или эпитаксией
формируется область p-типа 4. Таким образом,
получается диодная структура с p–n-переходом, состоящая
из слоев 4, 7, 8. Для того чтобы при
обратном смещении не было пробоя по периметру
диодной структуры, на рисунке приведен вариант
расширения области пространственного заряда
с помощью охранного кольца 9.Канавки затворов
заполнены легированным поликристаллическим
кремнием и изолированы от области 4 тонким
слоем (50–100 нм) диоксида кремния 5.Исток 1
обычно заземлен, на сток 2 подается смещение,
диодная структура в результате заперта. При подаче
на контакт затвора 6 положительного смещения
вдоль поверхности диоксида кремния имеет место
инверсия проводимости и транзистор открывается.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.2
68
А. Е.АНУРОВ, Ю.М.ЗАБОТИН, С.Г.ПОДГОРОДЕЦКИЙ
Рис. 2. Профиль травления, получаемый при: а —изотропномПХТ, б — реактивном ионном травлении [2]
Для того чтобы обеспечить качественную работу
транзистора, необходимо обеспечить целый
ряд условий. Прежде всего, чем выше плотность
канавок-тренчей на единицу поверхности, тем ниже
сопротивление транзистора, соответственно,
меньше потери мощности. Поэтому шаг канавок
(питч) должен быть минимальным. Необходимо
также обеспечить расширение области пространственного
заряда(ОПЗ) поконтуру диффузионной
области на периферии транзистора, чтобы исключить
пробой вследствие сужения ОПЗ.
3. Анализ физических основ
плазмохимического травления
(ПХТ) и технологии формирования
отверстий в кремнии
ПХТ кремния позволяет формировать как изотропные,
так и анизотропные, высокоаспектные
профили (рис. 2) [2].
Bosch-процесс ПХТ — циклический процесс,
состоящий из двух этапов. Первый этап — этап
травления, при котором ионы фтора плазмы, сформированной
из газа SF6, вступают в реакцию
с кремнием, образуя газообразное соединение SiF4,
которое откачивается из системы вакуумными насосами.
Травление происходит изотропно. За этапом
травления следует этап пассивации. На этом
этапе плазма создается из газа C4F8.ИоныC4F8
формируют полимер, схожий с тефлоном, который
осаждается на поверхность образца. Этот полимер
не вступает в реакцию с травящей плазмой
и обеспечивает защиту от дальнейшего травления
Рис. 3. Bosch-процесс травления кремния: a)образец
смаской, б) первый шаг травления, в) шаг осаждения,
г) второй шаг травления [2]
Преимущества Bosch-процесса:
– в отличие от жидкостного травления, травление
производится анизотропно, независимо от
кристаллографических плоскостей обрабатываемого
объекта;
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
для кремния, который находится под ним. Перед
следующим этапом травления этот полимер необходимо
удалить со дна протравленной канавки.
Для этого используются ионы, которые под действием
электрического поля движутся практически
по нормали ко дну канавки и выбивают полимер
с поверхности. Таким образом, полимер удаляется
только со дна, а стенки канавки остаются защищенными
от травления. Дальнейшее чередование
процессов травления и пассивации позволяет
анизотропно протравить кремний до желаемой глубины
(рис. 3) [2].
Стр.3
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ГЛУБИННОГО АНИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ 69
При оптимизации Bosch-процесса варьировались
следующие параметры:
QSF6
см3/мин;
PE1, PE2 — рабочее давление в камере на пер,
QC4F8
дения, Па;
WRF
Рис. 4. Схемареактораустановки SI 500
– размеры отверстия в маске практически совпадают
с размерами входного и выходного отверстия
в кремнии.
Недостаток Bosch-процесса:
– шероховатые стенки получаемых отверстий
[2].
Процесс ПХТ кремниевых пластин проводили
на установке плазмохимического травления в индуктивно-связанной
плазме SI 500 PTSA Plasma
Etcher производства SENTECH Instruments GmbH
(Германия), в разряде индуктивно-связанной плазмы
высокой плотности (13,56 МГц) на изолированном
охлаждаемом (до −30 ◦C) электроде при рабочих
давлениях 4–5 Па [3,4].
4. Особенности глубинного
анизотропного травления
кремния в технологии
изготовления МОП-транзисторов
Объектами исследования являлись кремниевые
пластины со сформированным на поверхности топологическим
рисунком тренчей МОП-транзисторов.
Маска формировалась из фоторезиста марки Shipley
толщиной 1,2–1,5 мкм. Заданные параметры тренчей:
глубина травления 5,5–6,5 мкм, шероховатость
стенок 100 нм, шероховатость дна 10 нм.
Контроль геометрических размеров полученных
структур проводили при помощи стилусной
профилометрии, оптической микроскопии и растровой
электронной микроскопии (РЭМ) (стилусный
профилометр Alpha-Step D-100, исследовательский
микроскопAxioImager, растровый электронный
микроскопJCM 6000).
Рис. 5. Снимок РЭМ протравленных тренчей
Согласно анализу литературы [5,6,7,8]:
– основной причиной высокой шероховатости
стенок является подтрав под маску;
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
щения на первом и втором шаге травления, Вт;
WRF
E1 , WRF
шаге осаждения, Вт;
WICP
первом и втором шаге травления, Вт;
WICP
ления, с;
—расходы газов SF6,C4F8,
вом и втором шаге травления, Па;
PD —рабочее давление в камере на шаге осажE2
—мощностьгенератораВЧ-смеD
— мощность генератора ВЧ-смещения на
E1 , WICP
E2 — мощность источника ИСП на
ге осаждения;
tE1, tE2 — время первого и второго шага травtD,
с — время шага осаждения;
Tэл — температура электрода.
5. Результаты
Результаты травления тренчей МОП-транзисторов
стандартным режимом Bosch-процесса
представлены на рис. 5. Травление наглядно демонстрирует
наличие подтрава под маску и микроигл
на стенках тренчей.
D , Вт — мощность источника ИСП на ша
Стр.4
70
А. Е.АНУРОВ, Ю.М.ЗАБОТИН, С.Г.ПОДГОРОДЕЦКИЙ
Рис. 6. Зависимость подтрава под маску от температуры
электрода
Рис. 7. Зависимость скорости травления кремния
от температуры электрода
Рис. 8. Снимки РЭМ протравленных тренчей: а — T = −10 ◦C, б — T = −5 ◦C, в — T = 0 ◦C, г — T = 5 ◦C,
д — T = 10 ◦C, e — T = 15 ◦C, ж — T = 20 ◦C
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.5
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ГЛУБИННОГО АНИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ 71
Рис. 9. Снимки РЭМ протравленных тренчей. Соотношение времени: а —7/3, б —6/3
– неровность дна проявляется в виде микроигл,
которые являются следствием неравномерного
травления пассивации.
В ходе выполнения работы получены следующие
данные.
• При уменьшении температуры электрода
с20 ◦Cдо −10 ◦C наблюдалось уменьшение
подтрава. Предполагается, что это вызвано
ослаблением химической реакции между радикалами
плазмы и стенками тренча, а также
отсутствием десорбции полимера. Зависимость
представлена на рис. 6.
• С ростом температуры электрода наблюдается
рост скорости травления, зависимость представлена
на рис. 7.
• Скорость травления кремния возрастает с температурой.
На рис. 8 приведены снимки РЭМ,
соответствующие экспериментальным точкам
на графике.
• Соотношение времени травления и осаждения
пассивационного слоя сильно влияет на
наклон стенок тренча и на шероховатость
дна. Уменьшение величины отношения времени
первого шага травления к времени нанесения
пассивации увеличивает угол наклона стенок
тренча, а также размер шероховатости.
• Время первого шага травления влияет на образование
микроигл на дне тренча. При времени
травления 5 c микроиглы отсутствуют, что
может быть вызвано полным снятием пассивации
со дна тренча.
Рис. 10. Зависимости высоты микроигл от времени первого
шага травления (время осаждения — 2 с, время
второго шага травления — 1 с). Фотографии РЭМ, соответствующие
экспериментальным точкам на графике,
приведены на рис. 11
• Пропорциональное изменение расходов газов
не оказывает существенного влияния на режим
травления и вид получаемых тренчей
(рис. 12).
• С увеличением мощности первого шага травления
с 25 до 100 В скорость травления возрастает,
со 100 до 150 В рост скорости травления
сильно замедляется.
• Подтрав под маску возрастает с увеличением
мощности первого шага травления. Предполагается,
что это вызвано увеличением энергии
ионов и радикалов плазмы. Ниже приведены
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.6
72
А. Е.АНУРОВ, Ю.М.ЗАБОТИН, С.Г.ПОДГОРОДЕЦКИЙ
Рис. 11. Снимки РЭМ протравленных тренчей. Время первого шага травления: a —4с, б —4,5 с
Рис. 12. Снимки РЭМ протравленных тренчей. Соотношение расходов газов: a — 250/200, б — 125/100, в — 75/60
ховатость дна 10 нм). Вид полученных тренчей
приведен на рис. 15.
6. Выводы
В работе рассмотрен принцип действия и обРис.
13. Зависимость подтрава под маску от мощности
ВЧ-смещения первого шага травления
фотографии РЭМ, соответствующие экспериментальным
точкам на графике.
На основе приведенных выше наблюдений был
выбран режим травления, соответствующий поставленным
требованиям (глубина травления 5,5–
6,5 мкм, шероховатость стенок 100 нм, шероласти
применения МОП-транзисторов. Показано,
что МОП-транзистор имеет достаточно простое
устройство и широко распространен в различных
областях автоматики и электроники. Рассмотрен
один из видов РИТ — Bosch-процесс.
Приведен результат подбора параметров Boschпроцесса
(см. таблицу), удовлетворяющий поставленным
требованиям (ширина канавки 2–3 мкм,
глубина травления 5,5–6,5 мкм, шероховатость стенок
100 нм, шероховатость дна 10 нм). В дальнейшем
планируется провести процесс травления
для канавок шириной 330 нм, а также сквозное
травление (глубина 380 мкм) чувствительного элемента
(упругого подвеса) маятникового акселерометра.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.7
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ГЛУБИННОГО АНИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ 73
Рис. 14. Снимки РЭМ протравленных тренчей. Мощность первого шага травления: а —25Вт, б —50Вт,
в —75Вт, г — 100 Вт, д — 125 Вт, е — 150 Вт
см3/мин
75
QSF6
,
см3/мин PE1,Па PE2,Па PD,Па WRF
E1 ,Вт WRF
QC4F8
60
,
4
4
5
35
Та б л и ц а. Параметры конечного режима травления кремния
E2 ,Вт WRF
0
4,8
D ,Вт tE1,с tE2,с tDep,с Tэл, ◦C
5
0,3
3,5
5
2. http://www.nanofab.ualberta.ca/wp-content/uploads/
2009/05/bosch_simple.pdf
3. http://www.eavangard-semi.ru/si500
4. http://tudresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/
fakultaet_elektrotechnik_und_informationstechnik/ihm/
news/semicon2013_talks/08_Gargouri_SENTECH
5. Postnikov A.V., Amirov I. I., Naumov V.V., Kalnov
V.A. Simulation, fabrication, and dynamics characteristics
of electrostatically actuated switches //
Proceedings of SPIE, 2008, vol. 7025.
Рис. 15. Снимок РЭМ протравленных тренчей по конечному
режиму
Список литературы
1. Амиров И. И. Плазменные процессы формирования
высокоаспектных структур для микро- и наномеханических
устройств. Автореферат диссертации
на соискание ученой степени доктора физикоматематических
наук. Ярославский филиал Учреждения
Российской академии наук Физико-технологического
института РАН, 2010.
6. Walker M. J. Comparison of Bosch and cryogenic processes
for patterning high aspect ratio features in
silicon, Oxford Instruments Plasma Technology plc,
North End, Yatton, Bristol, B549 4AP UK, 2001.
7. Donohue L.A., Hopkins J., Barnett R., Newton A.,
Barker A.Developments
in Siand SiO2Etching
for MEMS based optical applications, Proc.
SPIE 5347, Micromachining Technology for MicroOptics
and Nano-Optics II, 44 (January 24, 2004);
doi:10.1117/12.524471.
8. http://www.nanofab.ualberta.ca/wp-content/uploads/
2009/03/primer_deepsiliconrie.pdf
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.8