Исследование возможностей криогенного атомно-слоевого травления пористых диэлектриков с ультранизкой диэлектрической проницаемостью

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00771

НазваниеИсследование возможностей криогенного атомно-слоевого травления пористых диэлектриков с ультранизкой диэлектрической проницаемостью

Руководитель Мяконьких Андрей Валерьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые слова Атомно-слоевое травление, криогенное атомно-слоевое травление, изотерма адсорбции, пористый диэлектрик, диэлектрики с ультранизкой диэлектрической проницаемостью, индуктивно-связанная плазма, ионно-стимулированная реакция

Код ГРНТИ47.13.07

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект относится к области исследований новых физических принципов реализации технологий прецизионного плазмохимического травления материалов применяемых при изготовлении систем металлизации интегральных схем. Будут исследованы процессы криогенного атомно-слоевого травления пористых диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью предназначенных для изоляции слоев металлизации в УБИС. Исследование будет посвящено поиску процессов травления не приводящих к деградации свойств диэлектрических слоев (увеличению диэлектрической проницаемости) в ходе процесса. Непрерывное улучшение характеристик этих приборов в течение последних десятилетий связано с использование новых материалов, физических принципов и разработкой новых технологических процессов. Критическим направлением стала разработка процессов атомно-слоевого травления новых материалов с высокой точностью переноса размера в латеральном направлении, управляемой в нанометровом масштабе глубиной травления, высокой селективностью по отношению к маске и нижележащим слоям. Решение этой задачи требует исследования ряда фундаментальных проблем. В частности понимания кинетики адсорбции фторсодержащих газов (например C4F8) на поверхности и в объеме пористого диэлектрика при пониженных температурах, исследования активации реакции между фторсодержащим газом и поверхностными слоями пленки за счет ионной стимуляции, в том числе изучения температурной зависимости травления. Процесс атомно-слоевого травления предложено осуществлять в двухстадийном цикле. Благодаря адсорбции C4F8 на поверхности плотной пленки оксида кремния проходит первая стадия циклического процесса. Важно, что она носит насыщающийся характер. На второй стадии происходит бомбардировка поверхности ускоренными ионами химически нейтрального газа из плазмы. Авторы работы предлагают впервые в мире совместить криогенный процесс атомно-слоевого (не непрерывного) травления с криогенными (или пониженными температурами) для диэлектриков с ультранизкой диэлектрической проницаемостью. Применив подобный процесс для пористого диэлектрика, мы можем ожидать следующих эффектов: 1) адсорбция на вогнутых поверхностях наноразмерных пор будет наблюдаться при более высоких температурах (ожидается до -50С), что позволит получить более технологичный процесс, 2) для травления впервые будет применена не плазма фторсодержащего газа, а ускоренные ионы из плазмы нейтрального газа. Поскольку плазмы благородных газов склонный к очень значительной эмиссии в ВУФ диапазоне, планируется применить в качестве плазмы генерирующей ионы плазму азота, или другого газа не приводящего к деградации диэлектрика ни за счет химического взаимодействия, ни за счет излучения, 3) также будут исследованы механизмы ионностимулированных реакций на поверхности. Поскольку технический и экономический эффект исследования может быть обусловлен Особое внимание будет уделено исследованию возможности применения для процессов атомно-слоевого травления традиционных широкоапперутрных источников ICP плазмы. Будет проведена разработка прецизионных быстродействующих методов диангсотики плазменных процессов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мяконьких А.В., Кузьменко В.О., Руденко К.В. Cryo Plasma Etching of Porous Low-k Dielectrics High Energy Chemistry, 2023, Vol. 57, Suppl. 1, pp. S115–S118. (год публикации - 2023)
10.1134/S0018143923070275

2. Кузьменко В.О., Мяконьких А.В., Руденко К.В. Investigation of Fluorocarbon Film Deposition from Ar/CF4/H2 Plasma for the Implementation of the Atomic Layer Etching Process High Energy Chemistry, Vol. 57, Suppl. 1, pp. S100–S104. (год публикации - 2023)
10.1134/S0018143923070238

3. А. В. Мяконьких, В. О. Кузьменко, А. М. Ефремов, К. В. Руденко ПАРАМЕТРЫ И СОСТАВ ПЛАЗМЫ В СМЕСИ CF4 + H2 + Ar: ЭФФЕКТ СООТНОШЕНИЯ CF4/H2 Микроэлектроника, ПАРАМЕТРЫ И СОСТАВ ПЛАЗМЫ В СМЕСИ CF4 + H2 + AR: ЭФФЕКТ СООТНОШЕНИЯ CF4/H2 Мяконьких А.В., Кузьменко В.О., Ефремов А.М., Руденко К.В. Микроэлектроника. 2024. Т. 53. № 1. С. 91-101. (год публикации - 2024)
10.31857/S0544126924010104

4. Гайдукасов Р.А, Мяконьких А.В. Исследование адсорбции газов в пористых low-k диэлектриках при помощи метода спектральной рефлектометрии Национальная научно-техническая конференция с международным участием. Перспективные материалы и технологии (ПМТ-2023), Сборник докладов Национальной научно-технической конференции с международным участием Института перспективных технологий и индустриального программирования РТУ МИРЭА Под редакцией А.Н. Юрасова. - Том. 1 (год публикации - 2023)

5. В. Кузьменко, А. Мяконьких, К. Руденко Approach to atomic layer etching of high-k dielectrics in conventional plasma etching tool Микро и наноэлектроника - 2023: Труды международной конференции (2-6 октября, 2023, r. Звенигород, РФ): Сборник тезисов / Под ред. В.Ф. Лукичева, К.В, Руденко. Составитель В.П. Кудря. (формат 60х90 l/8, объём - 194 стр.,, Micro- and Nanoelectronics – 2023: Proceedings of the International Conference (October 2–6, 2023, Zvenigorod, Russia): Book of Abstracts / Ed. by V.F. Lukichev and K.V. Rudenko. Compiler V.P. Kudrya. – М.: MAKS Press, 2023. – 194 p. (год публикации - 2023)

6. Р. Гайдукасов, А. Мяконьких Investigation of gas condensation in pores of nanoporous dielectrics in cryogenic etching conditions Микро и наноэлектроника - 2023: Труды международной конференции (2-6 октября, 2023, r. Звенигород, РФ): Сборник тезисов / Под ред. В.Ф. Лукичева, К.В, Руденко. Составитель В.П. Кудря., Микро и наноэлектроника - 2023: Труды международной конференции (2-6 октября, 2023, r. Звенигород, РФ): Сборник тезисов / Под ред. В.Ф. Лукичева, К.В, Руденко. Составитель В.П. Кудря. (год публикации - 2023)

7. Кузьменко В., Мельников А., Исаев А., Мяконьких А. Revealing the controlling mechanisms of atomic layer etching for high-k dielectrics in conventional ICP etching tool Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces and Films, Vol. 42, No. 5, p. 052602 (год публикации - 2024)
10.1116/6.0003717

8. Мяконьких А.В., Кузьменко В.О., Руденко К.В. FLUOROCARBON POLYMERIZING PLASMAS ETCHING PROCESSES FOR STRUCTURES OF MICRELECTRONICS Published and copyright © by Astronomical Observatory, Volgina 7, 11060 Belgrade 38, Serbia, Publ. Astron. Obs. Belgrade No. 103 (2024), p. 143 (год публикации - 2024)
10.69646/aob103p143

9. КУЗЬМЕНКО В. О., МЯКОНЬКИХ А.В., ХАЛИЛУЛЛИН Р. Р. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ ПО ЭНЕРГИЯМ В ПРОЦЕССАХ ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ (ПМТ-2024) Сборник докладов Международной научно-технической конференции ИПТИП РТУ МИРЭА. Москва, 2024 Издательство: МИРЭА - Российский технологический университет (год публикации - 2024)

10. В. О. Кузьменко ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛЕНКООБРАЗУЮЩЕЙ ПЛАЗМЫ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ: НАКЛОННОЕ ТРАВЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИКОВ IV Международная конференция «Газоразрядная плазма и синтез наноструктур»: сборник трудов (г. Казань, 6-9 декабря 2023 г.) / М-во высшего образования и науки Рос. Федерации, М-во образования и науки Респ. Татарстан, Казанский нац. исследовательский технический ун-т и др. – Казань: Бук, 2024. – 528 с. – Текст: непосредственный. (год публикации - 2024)

11. А. В. Мяконьких, К. В. Руденко, Нанометровые и атомные масштабы точности в прецизионных процессах травления наноструктур в микроэлектронике IV Международная конференция «Газоразрядная плазма и синтез наноструктур»: сборник трудов (г. Казань, 6-9 декабря 2023 г.) / М-во высшего образования и науки Рос. Федерации, М-во образования и науки Респ. Татарстан, Казанский нац. исследовательский технический ун-т и др. – Казань: Бук, 2024. – 528 с. – Текст: непосредственный. (год публикации - 2024)

12. Мяконьких А.В., Кузьменко В.О., Ефремов А.М., Руденко К.В. On Relationships between Gas-Phase and Heterogeneous Process Kinetics in CF4 + H2 + Ar Plasma Vacuum, A. Miakonkikh, V.Kuzmenko, A. Efremov, K.Rudenko, On Relationships between Gas-Phase and Heterogeneous Process Kinetics in CF4 + H2 + Ar Plasma, Vacuum, 2025, 114044. (год публикации - 2025)
10.1016/j.vacuum.2025.114044

13. Р. А. Гайдукасов Изотермы адсорбции газов в нанопористых low-k диэлектриках в условиях криогенного плазменного травления IV Международная конференция «Газоразрядная плазма и синтез наноструктур»: сборник трудов (г. Казань, 6-9 декабря 2023 г.) / М-во высшего образования и науки Рос. Федерации, М-во образования и науки Респ. Татарстан, Казанский нац. исследовательский технический ун-т и др. – Казань: Бук, 2024. – 528 с. – Текст: непосредственный. (год публикации - 2024)

14. Кузьменко В. О., Мяконьких А. В. Выявление механизмов управления процессом атомно слоевого травления в установке плазмохимического травления X Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии. (9 – 13 сентября 2024 г., Иваново, Россия): сборник трудов/ Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2024. – 120 с. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Был разработан процесс анизотропного травления диэлектрика с низкой диэлектрической проницаемостью с требуемыми характеристиками по вертикальности профиля. Травление выполнялось в плазме C2F4Br2. Получены вертикальные профили боковой стенки травления. Полученные результаты могут быть применены для создания систем металлизации ИС (межсоединений) на основе пористых диэлектриков. 2. Проведено моделирование (в пакете COMSOL) распределения ионов по энергиям, для стадии активации в процессе атомно-слоевого травления. Изучено влияние различных параметров на функцию распределения ионов по энергиям в плазме аргона в реакторах с индуктивно связанной плазмой (ICP). Проведена серия расчетов IEDF с различными значениями частоты и амплитуды напряжения смещения, подаваемого на стол с образцом, и концентрации ионов в плазме. Результаты показали, что повышение частоты сигнала сопровождается уменьшением средней энергии и ширины распределения ионов. Это объясняется усреднением энергии иона при движении через слой. С другой стороны, увеличение амплитуды смещения вызывает увеличение средней энергии и ширины распределения ионов. Увеличение концентрации ионов ведет снижению средней энергии и увеличению ширины распределения. Полученные данные могут быть использованы для оптимизации процессов обработки материалов и разработки новых технологий в микро- и наноэлектронике. 3. Реализован подход основанный на применении генератора смещения с импульсом управляемой формы для достижения заданного распределения ионов по энергиям. Планируется использование генератора смещения с управляемой частотой формой сигнала. Указанный подход в сочетании с моделированием, проведенным по предыдущему пункту плана позволил согласно данными моделирования добиться более моноэнергетичного распределения ионов, экстрагируемых их плазменного слоя. 4. Измерена шероховатость пленок, подвергнутых атомно-слоевому травлению (при помощи атомно-силовой микроскопии). Измерения проводились для оксида гафния и оксида циркония, на исходных подложках, пленках толщиной 20 нм осажденных методом ALD и после травления: 1) в атомно-слоевом режиме, 2) в режиме ионного распыления аргоном. Исходная шероховатость кремния составляла 0,3 нм. После нанесения пленок - 0,4 нм. Такое увеличение объясняется частичной кристаллизацией пленок при атомно-слоевом осаждении. распыление пленок привело к существенному росту шероховатости до 0,6-0,8 нм, травление методом атомно-слоевого травления привело к снижению шероховастоти до 0,25 нм. 5. Проведено исследование по измерению адсорбции газов в пленках пористых диэлектриков в условиях криогенного травления методом спектральной рефлектометрии. Полученные результаты использованы для объяснения температурных зависимостей скорости травления и эффектов деградации пористых диэлектриков. Результаты были верфицирицованы при помощи метода порометрии основанного на адсорбции паров органических растворителей (ацетон, изопропанол).

Публикации

Возможность практического использования результатов
Хотя объем технологий с применением низкотемпературной плазмы при изготовлении УБИС составляет 40-50% от числа операций, но технологии структурирования в непрерывном режиме воздействия плазмы на формируемую приборную структуру в настоящее время сталкиваются с невозможностью реализации атомарного уровня точности. Минимальные элементы приборных структур наноэлектроники достигли величины менее 10 нм, толщина ряда функциональных слоев, составляющих прибор еще меньше – до 2-3 нм. Технологии, обеспечивающие как осаждение, так и анизотропное структурирование слоев с точностью в один атомный монослой и перенос размера маски с минимальным горизонтальным отклонением объединены общим термином ASP (Atomic Scale Processing). Монослойное разрешение при удалении/осаждении материала подразумевает проведение процессов, модифицирующих тонкие пленки в циклическом режиме. Метод атомно-слоевого осаждения (ALD) тонких пленок, базирующийся на самонасыщении гетерогенных реакций, известен с середины 1970-х годов. Наиболее бурное развитие в микроэлектронике эта технология, в том числе с использованием низкотемпературной плазмы, получила в 2000-х годах. Атомно-слоевое травление (ALE) было предложено значительно позже процесса ALD в связи с длительным поиском механизмов, обеспечивающих самоограничение гетерогенных реакций травления. Простое сокращение времени реакции плазмохимического травления с импульсными источниками плазмы не обеспечивает воспроизводимости толщины удаляемого слоя материала от цикла к циклу и по площади пластины на монослойном уровне. Циклический процесс атомно-слоевого плазмохимического травления организован как «реверс» процесса ALD, в котором первый шаг цикла предполагает хемосорбцию монослоя активного прекурсора на поверхности, затем – удаление избыточного прекурсора из камеры реактора, и, на следующем шаге – активирование реакции взаимодействия поверхности с монослоем адсорбата (реакции травления) путем её бомбардировки ионами плазмы химически инертных газов в узком диапазоне энергий. По результатам гранта проведено исследование фундаментальных основ технологий атомно-слоевого травления как внедренных в передовое микроэлектронное производство, так и имеющих статус перспективных технологий будущего. Безусловно данные результаты могут иметь практическое применение в экономике России.