WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

УДК 621.38:533.9.082.76 Руденко

Константин Васильевич ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность:

05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва, 2007

Работа выполнена в Физико-технологическом институте (ФТИАН) Российской Академии Наук Научные консультанты: академик РАН, доктор технических наук, профессор Александр Александрович Орликовский доктор физико-математических наук Владимир Федорович Лукичев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Андрей Федорович Александров доктор физико-математических наук, профессор Юрий Анатольевич Лебедев доктор технических наук, профессор Вадим Васильевич Одиноков

Ведущая организация: Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (ИПТМ, г. Черноголовка)

Защита состоится «_20_» __декабря_ 2007 г. в _14_ часов на заседании диссертационного совета Д 002.204.01 в Физико-технологическом институте Российской Академии Наук по адресу: 117218, Москва, Нахимовский проспект, д.36, корп.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технологического института РАН.

Автреферат разослан «____» ____________ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.204.кандидат физико-математических наук В. В. Вьюрков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы Теоретические и экспериментальные исследования показали, что кремниевые МДПтранзисторы сохраняют свойства, необходимые для применения в КМОП – интегральных схемах (ИС), вплоть до значений длин канала 6-10 нм [1, 2]. В 1999 году был преодолен рубеж топологических норм 100 нм. Произошла естественная трансформация микроэлектроники в наноэлектронику, требующую применения прецизионных технологий.

Известно [3], что минимальный размер (МР), обеспечиваемый литографией, превышает планируемую длину затвора транзистора почти вдвое (например, для МР 45 нм длина затвора составляет 20 нм). Создание интегральных схем на нанотранзисторах со столь малыми длинами каналов ужесточает требования не только к литографическим процессам, но и в значительной степени к процессам структурирования ультратонких пленок - анизотропному травлению наноструктур и конформному осаждению диэлектрических и проводящих слоев.

Плазменные технологии, объем которых при изготовлении ИС высокой степени интеграции достигает 50% от числа используемых технологических операций, не имеют альтернатив в рамках существующих тенденций. Процессы обработки кремниевых микроструктур в низкотемпературной химически активной плазме обеспечивают значительное снижение рабочих температур подложек при высоких скоростях травления / осаждения / модификации ультратонких пленок. Структурирование пленок плазменными методами удовлетворяет жестким требованием к анизотропии и селективности процессов. Плазменные микротехнологии внедрены или разрабатываются для:

- травления полупроводниковых, металлических и диэлектрических слоев;

- осаждения изолирующих диэлектрических слоев;

- осаждения тонкого подзатворного диэлектрика, и/или тонкого окисления поверхности кремния;

- осаждения полупроводниковых слоев (например, поликремния);

- конформного заполнения субмикронных канавок (тренчей) с последующей частичной планаризацией рельефа;

- заполнения тренчей для боковой диэлектрической изоляции транзисторов;

- 3 - очистки поверхности пластин от органических загрязнений;

- очистки поверхности от загрязнений атомами металлов;

- плазменно-иммерсионной имплантации ионов (ПИ3) примеси с целью создания мелко залегающих p-n переходов суб-100 нм диапазона;

- высоковольтной ПИ3 кислорода или гелия для создания структур «кремний на изоляторе» с рекордно высокой скоростью набора необходимой дозы.

В ходе развития технологий микроэлектроники произошла смена как минимум трех поколений плазмохимических реакторов, использующих различные типы газового разряда для получения низкотемпературной химически активной плазмы. В настоящее время активно развиваются широкоапертурные реакторы с источниками плотной плазмы (ИПП) низкого давления (high density plasma, HDP в англоязычной литературе), с независимым управлением плотностью ионов в плазме и их энергией в зоне обработки микроструктур. Рабочие давления p = 0.1 – 50 мТорр в таких реакторах позволяют достичь высокой степени анизотропии процессов травления при переносе рисунка маски, а применяемые типы ВЧ- и СВЧ-разрядов в этом диапазоне давлений обеспечивают более эффективную генерацию плазмы, с большей плотностью ионов и химически активных частиц - радикалов (ХАЧ), чем в ранее используемых реакторах при p = 100 – 500 мТорр.

Соответственно возрастает скорость процессов травления структур и осаждения пленок при формировании ИС. Важное свойство ИПП-реакторов - возможность оптимизации под заданную технологию. Прогресс в этом направлении неразрывно связан с фундаментальными исследованиями в области физики низкотемпературной плазмы и газовых разрядов [4], плазмохимии [5], выполненных коллективами ведущих научных школ.

Интегральные схемы наноэлектроники, содержащие слои, толщина которых порой соизмерима с постоянной кристаллической решетки, требуют контроля in situ процессов их изготовления. Разработка и применение таких методов призваны обеспечить прецизионное травление структур и точный перенос суб-100 нм рисунка маски, контролируемое осаждение тонких пленок в диапазоне толщин от нескольких монослоев до долей микрона, стабильность технологии. Для воспроизводимого формирования наноструктур плазменными технологиями уже недостаточно стабилизации внешних параметров процессов.

Решение этой проблемы возможно при использовании встроенных средств контроля, использующих физические явления или эффекты, которые не вносят искажения в потоки - 4 частиц из плазмы на подложку. Методы диагностики плазменных процессов должны быть невозмущающими, по отношению к технологии, и обладать достаточной чувствительностью. Особенно жесткими являются требования к чувствительности методов контроля in situ при травлении контактных отверстий в диэлектриках систем многослойной металлизации УБИС, где общая площадь окон травления часто не превосходит 1% площади пластины.

Предпочтительны средства мониторинга, для реализации которых не требуется создания специальных тестовых структур на пластинах. Кроме этого, средства мониторинга должны обеспечивать возможность как автоматической остановки процесса, так и (в перспективе) управления его параметрами, например, скоростью травления или осаждения. В последнем случае in situ детекторы должны включаться в цепи обратной связи управления технологической установкой.

Не менее важным является использование методов диагностики и на этапе разработки плазменных технологических процессов (process design). Так, формирование субмикронных и наноразмерных структур ИС с высокими аспектными отношениями требует применения сильно ионизованной плазмы низкого давления, и, в то же время, вводит ограничения на температуру электронов плазмы (Тe) для снижения дефектов (формы и электрических), вызванных зарядкой диэлектриков в МОП-структурах в процессе обработки. Диагностика технологической плазмы в условиях реактора позволяет проводить целенаправленную оптимизацию параметров процесса, достигая приемлемого компромисса и существенно сокращая сроки внедрения новых технологий.

Актуальность экспериментальных исследований закономерностей, обусловленных взаимодействием низкотемпературной химически активной плазмы с поверхностью микроструктур на основе кремния, и создания на их основе методов диагностики in situ технологических процессов, является очевидной.

Цель диссертационной работы Целью настоящего исследования является разработка физических принципов невозмущающих методов контроля in situ плазмостимулированных технологических процессов формирования микро- и наноразмерных структур на основе комплексного исследования плазмы в современных ИПП-реакторах для микроэлектронных применений.

В ходе работы было необходимо решить следующие задачи:

- 5 • развить экспериментальные зондовые методы исследования химически активной плазмы электроотрицательных газов, в том числе для условий возможного осаждения на зонд диэлектрических пленок, для характеризации ИПП-реакторов и для мониторинга плазмохимического травления микроструктур;

• разработать комплекс спектральных методов, обеспечивающих дизайн (process design) и мониторинг плазменных процессов травления микроэлектронных структур;

• исследовать возможности метода оптической эмиссионной актинометрии плазмы для определения параметров процессов плазмохимического травления в реальном времени;

• разработать методы контроля процессов плазмохимического осаждения пленок тонких диэлектриков с использованием спектральной эллипсометрии in situ;

• развить метод эмиссионной оптической томографии плазмы для условий предельно малого числа ракурсов, доступных в технологических реакторах, для реконструкции 2Dраспределения химически активных радикалов в зоне обработки пластины.

Научная новизна и достоверность полученных результатов Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

• Разработан новый комплексный подход к диагностике плазменных технологических процессов в микроэлектронике на этапах конструирования плазменного реактора, дизайна плазменной технологии, мониторинга технологического процесса in situ и для текущего контроля состояния камеры реактора. Разработанные методы обеспечивают возможность включения средств диагностики в системы автоматизированного управления процессами.

• Разработан новый метод динамического зонда Ленгмюра для измерения параметров химически активной пленкообразующей плазмы низкого давления в технологических ИПП-реакторах микроэлектроники. Впервые предложены способы определения момента окончания процесса травления микроструктур на основе зондового мониторинга параметров плазмы in situ.

• Исследованы параметры реагирующей плазмы ВЧ и СВЧ разрядов в газах BF3, SF6, CHF3, O2, H2, Ar. Параметры плазмы BF3 исследованы впервые. Проведены сравнительные зондовые исследования плазмы с источниками на основе ВЧ- и СВЧ- разряда в единой геометрии камеры реактора, в результате которых осуществлен целенаправленный выбор типа реактора, адекватного требованиям технологии.

- 6 Доказана необходимость характеризации реакторов для микроэлектроники в плазме, непосредственно использующейся в технологическом процессе.

• Показано, что метод эмиссионной актинометрии химически активных радикалов плазмы позволяет оценить эффективность ИПП-реакторов для плазмохимических технологий микроэлектроники с различными типами и условиями разрядов.

• Разработаны физические основы актинометрического мониторинга процессов плазменного травления, установлены количественные соотношения между плотностью атомарного фтора в плазме и скоростями анизотропного травления слоев poly-Si, SiO2.

Впервые показано, что на основе данных актинометрических измерений in situ при плазменном травлении структур poly-Si/SiO2/Si можно в режиме реального времени управлять селективностью травления и контролировать однородность процесса по площади пластины.

• Предложена математическая модель, количественно связывающая динамику сигнала актинометрического мониторинга в момент окончания плазмохимического травления одного из слоев многослойной структуры и однородностью скорости его травления по площади пластины.

• Предложен новый высокочувствительный способ эмиссионного контроля момента окончания травления микроструктур при малой площади окон травления, основанный на выделении полезного сигнала момента окончания процесса из шумов эмиссии плазмы фазовым детектированием сигнала интенсивности спектральной линии ХАЧ плазмы на собственной частоте плазмообразущего генератора либо на частоте его модуляции.

• Развит метод эмиссионной томографии плазмы для предельно малого числа ракурсов и предложен алгоритм томографической реконструкции для измерения двумерного распределения химически активных радикалов в плазме. Разработанный метод совместим с плазмохимическими реакторами микроэлектроники.

Достоверность результатов исследований обеспечивается применением в работе фундаментальных физических теорий, использованием современных методов исследования, верификацией экспериментальных результатов независимыми методиками, соответствием экспериментальных данных построенным моделям.

- 7 Положения, выносимые на защиту • Установлено, что СВЧ ЭЦР-реактор и ВЧ реактор с планарным индуктором (ВЧИреактор) генерируют сильно ионизованную (степень ионизации до 10-1) плотную (ni~1012 см-3) плазму в диапазоне давлений 1-20 мТорр, существенно отличающуюся типом функций распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ): в ЭЦР-реакторе – бимаксвелловская ФРЭЭ, в ВЧИ-реакторе – близкая к распределению Максвелла.

Конкретный вид ФРЭЭ определяется как типом разряда, так и типом плазмообразующего газа, а также конкретными условиями разряда. Плазма молекулярных фторсодержащих газов обладает более высокой электронной температурой (Te_eff = 3.6-6.7 эВ), чем плазма аргона (Te_eff = 2.6-4.8 эВ) в идентичных условиях разряда. Молекулярная плазма в ИПП-реакторах имеет повышенную газовую температуру: 6001300 K. Адекватный выбор типа ИПП-реактора и режимов разряда способен повысить точность переноса топологии маски, минимизировать эффекты зарядки субмикронных и наноразмерных структур.

• Предложенный метод динамического зонда Ленгмюра обеспечивает корректные измерения параметров полимерообразующей плазмы низкого давления. Чередование режима ионной чистки и режима измерения точки ВАХ в микросекундном диапазоне длительностей импульсов зондового потенциала дает возможность предотвратить осаждение диэлектрических пленок на зонд в момент измерения, с одной стороны, и измерять ток в квазистационарном состоянии призондового слоя – с другой. В этом случае применимы известные теории сбора ионного тока зондом.

• Мониторинг параметров плазмы методом зонда Ленгмюра в процессах плазмохимического травления эффективен для определения момента окончания травления слоев микроструктур в ИПП-реакторах. Критерием выбора конкретного параметра для зондового мониторинга (ионная или электронная плотность, эффективная электронная температура, потенциал плазмы или плавающий потенциал) является значение относительного изменения этого параметра при достижении нижней границы удаляемого слоя и максимальное отношение сигнал/шум.

• Показано, что спектральный мониторинг объемной плотности химически активного атомарного фтора в плазме при плазмохимическом травлении микроэлектронных структур in situ позволяет определить: (i) скорости травления слоев, (ii) селективность травления и (iii) момент окончания процесса. Анализ ex situ актинометрической кривой - 8 мониторинга дает количественную оценку неоднородности скорости травления по площади пластины.

• Эмиссионная 2D-томография плазмы ИПП-реакторов может быть реализована с использованием двух ракурсов и веерного сканирования датчиков. При этом в алгоритм реконструкции вводится априорная информация о функциональном виде (профиле) «элементарной» плазменной неоднородности, позволяющая значительно уменьшить артефакты реконструкции. Общее поле реконструкции представляется суперпозицией невзаимодействующих «элементарных» неоднородностей.

Практическая значимость работы Предложенные диагностические методики воплощены в экспериментальных образцах автоматизированных компьютерных комплексов, предназначенных для контроля плазменных процессов в реакторах микроэлектроники. Их применение в цепях обратной связи систем управления современными плазменными установками для микро- и наноэлектронных применений открывает новые возможности плазменных технологий.

Проведенные исследования привели к созданию диагностических систем в виде:

- автоматизированного объединенного комплекса зондовой диагностики и быстрой эмиссионной спектроскопии плазмы (Приложение П1);

- автоматизированного спектрального синхронного end-point детектора для процессов плазмохимического травления при малой площади окон (Приложение П2);

- комплекса оптической эмиссионной томографии плазмы, адаптированного к конструкциям плазменных реакторов микроэлектроники (Приложение П3).

Они были испытаны в реальных технологических процессах на прототипах современных плазмохимических установок на базе ИПП-реакторов. Способы и устройства мониторинга процессов плазмохимического травления микроэлектронных структур (технические решения) защищены двумя патентами Российской Федерации, которые базируются на результатах данной диссертационной работы.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на Всероссийских конференциях «Микроэлектроника-94», 1994 г. и «Микро- и наноэлектроника», Звенигород 1998, 20гг., ХХХ Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, 2003 г.; на международных конференциях “International Conference Micro- and Nanoelectronics”, Zvenigorod, Russia, 2003, 2005, 2007, Международных симпозиумах по теоретической и - 9 прикладной плазмохимии, Иваново, Россия, 2003, 2005 гг.; на международной конференции ”International Vacuum Congress” (IVC-16), Venice, Italy, 2004, международном семинаре “International Workshop on Silicon Dry Processing”, Aahen, Germany, 2006 и международном симпозиуме “Plasma Etch and Strip in Microelectronics”, Leuven, Belgium, 2007.

Публикации Содержание диссертации опубликовано в 34 работах, включая главу в книге «Энциклопедия низкотемпературной плазмы», т. XII-5, статьи в отечественных и зарубежных научных журналах, труды российских и международных конференций и симпозиумов, а также два патента РФ на изобретения. Список публикаций автора приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора В исследование, выполненное в рамках настоящей диссертационной работы, автором внесен определяющий вклад в части постановки задач и выбора направлений деятельности, разработке методов диагностики и анализа полученных экспериментальных результатов. Автором лично предложены и поставлены все эксперименты по диагностике плазменных технологий. Его идеи легли в основу разработанных алгоритмов малоракурсной эмиссионной томографии плазмы в плазмохимических реакторах микроэлектроники. Непосредственное участие коллег автора диссертации в исследованиях отражено в виде их соавторства в опубликованных работах (см. список публикаций автора). Результаты, составляющие научную новизну диссертационной работы и выносимые на защиту, получены автором лично.

Структура диссертации Диссертация включает общую характеристику работы, и состоит из 6 глав, заключения, и приложений. Каждая из глав имеет раздел «Выводы», в котором суммируются полученные в ней результаты. Все основные полученные результаты и общие выводы по работе приведены в разделе «Заключение».

Общий объем диссертации составляет 298 страниц текста, включая список публикаций автора по теме диссертации, список цитируемой литературы и 4 приложения.

Диссертация содержит 111 рисунков и 9 таблиц. Библиография представлена 2ссылками цитируемой литературы и списком из 34 публикаций автора по теме диссертации.

- 10 КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 (вводная) содержит анализ требований к плазменным технологиям при формировании субмикронных и наноразмерных структур в кремниевых ИС, важнейших физико-химические процессов при взаимодействии плазмы с поверхностью и влияния гетерогенных реакций в системе плазма-поверхность на объемные параметры плазмы, диагностика которых в ходе технологического процесса может служить физическим базисом методов мониторинга in situ. Рассмотрена эволюция плазменных реакторов, ориентированных для технологических применений в микроэлектронном производстве, вызванная ужесточением требований по мере перехода от микро- к наноразмерному диапазону структур интегральных приборов, составляющих ИС. Проведен детальный обзор существующих методов определения момента окончания процесса (end point detection), измерения в реальном времени скорости анизотропного удаления / нанесения слоев микроструктур.

Глава 2 посвящена сравнительному исследованию параметров плазмы в ИППреакторах, выполненному с использованием автоматизированной методики зонда Ленгмюра. Исследования проводились в экспериментальных реакторах для пластин 1мм, разработанных во ФТИАНe [A31], использующих планарный высокочастотный индуктивно связанный (ВЧИ, ICP, 13.56 МГц) и микроволновый ЭЦР (2.45 ГГц) разряды.





Их устройство показано на Рис. 1.

а) б) Рис. 1. Плазмохимические реакторы на основе ИПП-источников: a) ВЧИ (ICP) плазмохимический реактор 13.56 МГц; б) микроволновый ЭЦР реактор 2.45 ГГц.

- 11 1- рабочая камера 300 мм, h= 200 мм, 2- стол для пластин 150 мм, 3- система магнитной защиты стенок и магниты зоны ЭЦР, 4-магнитопровод, 5- кварцевый колпак, 6- каналы водяного охлаждения, 7- каналы подачи гелия, 8- оптические окна, 9- водоохлаждаемая антенна (ВЧ-индуктор либо СВЧ-антенна), 10- СВЧ- мост, 11- волновод 45х90.

Оба реактора являются системами с удаленным источником плазмы низкого давления (150 мТорр), в которых зона обработки пластины выведена из области сильных электромагнитных полей разряда и находится в области диффузионного распространения плазмы. Это необходимо, чтобы избежать повреждений субмикронных и наноразмерных структур в ходе плазменной обработки. Требуемая анизотропия процессов (реакций травления, ионной очистки поверхности, режим иммерсионной ионной имплантации, активация плазмохимического осаждения пленок) достигается подачей электрического смещения (ВЧ, импульсного) на стол-держатель пластины. Таким образом, реализуется независимое управление плотностью ионов в плазме и их энергией при бомбардировке поверхности.

В качестве плазмообразующего газа использовался как аргон, плазма которого используется для сертификации (де-факто) любого промышленного плазмохимического реактора, так и реальные технологические газы - SF6, CHF3, BF3, O2, H2. В таких условиях зондовые измерения осложняются не только ВЧ и СВЧ полями и присущими ВЧразрядам низкочастотными и высокочастотными колебаниями потенциала плазмы, но и химической активностью плазмы, изменяющей условия на поверхности зонда Ленгмюра (образование непроводящих пленок), а также электроотрицательностью плазмы. Поэтому проведен экспериментальный и теоретический анализ условий работы зонда в ИППреакторах в зоне обработки пластин, с учетом которого разработан автоматизированный измерительный комплекс, в котором компенсируются колебания потенциала плазмы, и реализуется динамический режим ионной очистки поверхности зонда.

В исследованиях использовался одиночный цилиндрический зонд Ленгмюра (радиус зонда a = 0.15 – 0.25 мм, длина зонда l =5 – 7 мм) из вольфрама или платины, в зависимости от химического состава плазмы. Обработка зондовых ВАХ велась по известной процедуре: из электронной ветви Ie(Vpr) извлекался потенциал плазмы Vp, электронная плотность ne и функция распределения электронов по энергиям ФРЭЭ (по соотношению Дрювестайна), откуда вычислялась эффективная электронная температура 2 Тeff = ( )d. Из ионной ветви ВАХ I+(Vpr) рассчитывалась плотность f 3 - 12 положительных ионов ni+; использовалась как теория Бернштейна-РабиновичаЛафрамбуаза (BRL), так и Аллена-Бойда-Рейнолдса (ABR), в зависимости от режима столкновений в призондовом слое. Не очень высокие степени электроотрицательности плазмы (см. ниже) допускали использование этих теорий без учета влияния отрицательных ионов на ток насыщения положительных ионов.

Так как геометрически камеры обоих реакторов являются идентичными (Рис. 1), сравнительные исследования дают возможность непосредственно установить влияние типа генератора (источника) плазмы на ее свойства, принципиально важные для микроэлектронных применений. Параметры плотной плазмы низкого давления показаны ниже на примере плазмы Ar и молекулярной плазмы BF3, исследованной впервые.

В обоих случаях наблюдается линейная зависимость плотности плазмы от вложенной в разряд мощности P. При P ~ 1400 Вт в разрядах аргона достигаются значения концентраций ионов до 4x1011 cм-3 (ЭЦР, p=2 мТорр) и 2x1012 cм-3 (ВЧИ, p= мТорр). Зависимость для плазмы молекулярного BF3 также линейна, но ионные плотности несколько ниже - 7х1010 – 1.2х1011 см-3 и (3 – 5)х1011 см-3, соответственно. Это объясняется наличием дополнительного канала потерь энергии электронов на колебательное возбуждение и диссоциацию молекул.

ICP СВЧ Ar, 6 мТорр n n Ar, 2 мТорр n+ n+ BF3 2.5 мТорр BF3 1.3 мТорр ne ne 400 600 800 1000 1200 1400 16400 600 800 1000 1200 1400 16Puw, Вт PRF, Вт a) б) Рис. 2. Зависимость концентрации положительных ионов (n+) и электронной плотности (ne) в плазме µw-ECR реактора (a) и ICP-реактора (б) в зоне обработки пластин.

С точки зрения эффективности ионизации в условиях низких давлений оба реактора примерно одинаковы, и обеспечивают поток сильно ионизованной плазмы в зону обработки (при указанных давлениях степень ионизации 10-3 – 5·10-2). Электронная плотность в плазме BF3 существенно ниже плотности положительных ионов, что - 13 --i e + e n, n 10 см n, n (10 см ) свидетельствуют о наличии отрицательно заряженных ионов (во фторсодержащей плазме, в основном ионы F–). Степень электроотрицательности плазмы BF3 = 0.3-0.5.

3,0 СВЧ ICP BF2,2,0 n+ BFn+ 1,ne 1,ne 0,0.1 0.1 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 p, мТорр p, мТорр а) б) Рис. 3. Плотность положительных ионов (n+) и электронов (ne) в плазме BF3 как функция давления в камере реактора СВЧ-ЭЦР (а) и с планарным ВЧИ источником (б). Вложенная в разряд мощность в обоих случаях P = 1000 Вт.

Зависимости концентраций заряженных частиц от давления в камере для плазмы для BF3 показаны на Рис. 3. В противоположность плазме Ar, где плотность ионов и электронов монотонно увеличивается в этом диапазоне давлений при фиксированной мощности разряда, плотность плазмы BF3 имеет максимум при p=2-3 мТорр.

В области давлений p < 1мТорр, наблюдается отличие между двумя реакторами.

Устойчивый СВЧ-разряд, создающий однородную сильно ионизованную плазму в камере поддерживается вплоть до 0.1 мТорр и менее, в то время как для ВЧИ источника давление в 0.5 мТорр является предельным, ниже которого пробой газа неустойчив, а пространственная однородность плазмы – неудовлетворительна. Этот эффект объясняется наличием ЭЦР зон в микроволновом источнике, эффективность ионизации газа в которых превосходит индуктивный ВЧ-разряд, возникающий в таких условиях не в основной, Hмоде, а в малоэффективной E-моде.

Немонотонное поведение ионной плотности n+ в разрядах BF3 в рабочем диапазоне давлений (Рис. 3) в той или иной степени характерно и для плазмы других исследованных нами молекулярных электроотрицательных газов (Табл. 1). Физический механизм, лежащий в основе немонотонного поведения n+ = f(p), заключается в перераспределении энергии между процессами ионизации, диссоциации, и образования отрицательно заряженных ионов. Характер зависимости ne = f(p) (Рис. 3), определяется балансом этих - 14 --+ e + e n, n (10 сm ) n, n (10 сm ) процессов; известно, что интенсивность процессов диссоциативного прилипания увеличивается с ростом p и уменьшением электронной температуры Te.

Температура электронов (Te = 2/3 ) в плазме BF3 планарного ВЧИ реактора (3.7-4.эВ) существенно выше измеренной в СВЧ реакторе (2.5 эВ) при сравнимых давлениях в камере. В целом, Те при фиксированном давлении слабо меняется с мощностью. Однако, как показали настоящие исследования, она существенно зависит от типа разряда.

Очевидно, режим столкновений электронов в СВЧ-источнике обеспечивает более эффективную потерю энергии электронами, чем в индуцированном плазменном токовом витке планарного ВЧИ-источника. Потенциал плазмы Vp в зависимости от мощности разряда меняется слабо (в пределах ~ 1 В), и составляет для СВЧ-плазмы BF3 Vp = 6-9 В, для ВЧ-индуктивной Vp = 10-20 В (0.5 – 5 мТорр). Небольшие значения Vp позволяют управлять в энергией ионов в технологических процессах от значения Eth ~ (1 - 2)·eVp Для практики применений реакторов важен вид функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ). В микроволновом и планарном ВЧИ реакторах отличия видны непосредственно на выделенном из ВАХ электронном зондовом токе, и характерны и для плазмы Ar, и для плазмы BF3 (Рис. 4).

148,41 148,54,60 54,Ipc Tec= 2.7 эВ Te=3.9 эВ 20,20,7,7,Iph 2,2,Teh= 8 эВ Vp 1,1,0,0,0,0,-30 -20 -10 0 10 20 30 -30 -20 -10 0 10 20 30 Vpr, В Vpr, В а) б) Рис. 4. Выделенный электронный ток (Iel) зонда в плазме BF3 : (a), СВЧ-ЭЦР реактор (p = 1.3 мТорр, Pµw = 1400 Вт), (б) ВЧИ реактор (p = 2.5 мТорр, PRF = 1000 Вт).

В ВЧИ плазме ФРЭЭ близка к максвелловской, с температурой Te ~ 3.6 4.3 эВ в диапазоне давлений p от 20 до 1 мТорр. Напротив, в СВЧ плазме низких давлений ФРЭЭ представляет собой бимаксвелловское распределение, которое может быть представлено как сумма двух распределений Максвелла, с температурами холодных (Tec ) и горячих - 15 el el I, мА I, мА (Teh ) электронов. Оценка соотношения плотности холодных электронов к плотности горячих neh nec может быть проведена из соответствующих токов насыщения I и I pc ph при потенциале плазмы Vp (Рис. 4а). Из электронного тока на зонд в точке Vp следует, neh I ph(Vp ) Teс что:. Для случая на Рис. 4а, доля горячих электронов в плазме составляет = nec I (Vp ) Teh pc около 8.5%. В большей или меньшей степени эффект горячих хвостов в ФРЭЭ наблюдался нами в разрядах всех исследуемых в СВЧ-реакторе газов (O2, SF6, Ar, BF3).

Хотя СВЧ-реактор обладает в целом более низкой Teff = 1.8 – 3.0 эВ (p = 20 – 1 мТорр, Ar), но, в условиях подачи на пластину отрицательного потенциала surf (t) (стандартный режим для анизотропных гетерогенных реакций) увеличивается поток электронов из 1 8kTeh горячего «хвоста» распределения на ее поверхность, е(t) = ne exp(surf (t) /Teh). ВЧ4 me реактор на основе источника с планарным индуктором, в связи с отсутствием горячих электронов во ФРРЭ в таких же режимах разряда, более универсален в микроэлектронных применениях, особенно чувствительных к эффектам зарядки микроструктур.

Поэтому в настоящем исследовании именно в ВЧИ (ICP) реакторе подробно изучалась плазма газов, типичных для микроэлектронных приложений. Из Табл. 1 видно, что при сходных внешних параметрах разряда параметры плазмы электроотрицательных технологических газов существенно отличаются от электроположительной плазмы аргона.

Табл. 1. Параметры плазмы индивидуальных технологических газов, полученной в экспериментальном ВЧИ - реакторе ФТИАН (ICP-разряд, 13.56 МГц) Плазмо- p, мТорр / ni+, ne, Te, , образующий PRF, Ватт см-3 см-3 эВ (ni-/ni+) газ Ar 1-25 / 2·10112·1012 2·10112·1012 2.6 4.8 ~ 0.400 - 1200 (погрешность) Н2 2 - 7/ 1.5·1011 3·1012 1.2·1011 2·1012 5.8 8.3 0.40.400-8O2 1 – 20 / 7·10101.4·1011 5·1010 1·1011 4.6 6.7 0.10.5* 400 - 8SF6 1 – 20 / 4·10103.5·1011 2.5·1010 2.5·1011 4.1 5.3 0.30.400 – 8CHF3 2-10 / 1·10114.0·1011 3·1010 9.0·1010 4.0 6.5 0.40.600 – 10BF3 1-25 / 1·1011 9·1011 7·1010 7·1011 3.6 4.3 0.30.400 - 14 - 16 Во всех молекулярных плазмах, за исключением плазмы H2, ni+ и ne в 2–5 раз ниже, чем в аргоне; и зависят от конкретного плазмообразующего газа. В плазменных технологиях микроэлектроники широко применяются смеси газов, часто это смесь электроотрицательных и электроположительных (инертных) газов. В работе была исследована плазма смеси BF3 – Ar в диапазоне составов 0-100%. Наблюдается монотонное изменение всех измеренных параметров (ni+, ne, Тe,) от состава газовой смеси, более резкое при небольших добавках BF3 (до 10%) в плазму аргона. Исключением является плотность отрицательных ионов, почти неизменная при содержании BF3 более 10% в газовой смеси.

Пространственная (латеральная) однородность параметров плазмы (ni, ne, Te) в зоне обработки пластин в ИПП-реакторах с удаленным источником плазмы – величина, регулируемая конструктивными особенностями реактора, и является важнейшей характеристикой, определяющей максимально допустимый размер обрабатываемой пластины. В настоящей работе исследования сосредоточены на адаптации зондового метода диагностики, имеющего значительные ограничения для работы в постоянных и переменных электромагнитных полях, для решения задач оптимизации однородности плазмы в зоне обработки микроструктур. Параллельно изучалось влияние конструктивных особенностей магнитных систем защиты стенок на параметры плазмы в реакторах. Показано, что максимум латеральной однородности (1-2% изменения параметров по сечению реактора на диаметре пластины) достигается при минимальных осевых магнитных полях в объеме реактора (< 1 мТл), что требует специальной настройки системы пристеночных магнитных каспов (Рис.1). Эта система приводит как выравниванию радиальной плотности положительных ионов, поднимая ее в периферийных зонах реактора в 1.5-2 раза, так и к снижению на 20-30% электронной температуры плазмы, что важно для минимизации эффектов зарядки обрабатываемых структур. Системами пристеночных магнитных каспов удается поддерживать высокую однородность плазмы в экспериментальном реакторе 500 мм, в котором возможна обработка 300 и 400 мм пластин. Установлено, что настройка магнитных систем на максимум латеральной однородности плазмы различна для плазмы Ar и плазмы молекулярных газов особенно при повышенных давлениях > 20 мТорр. В молекулярной плазме интенсивны процессы диссоциативной рекомбинации и нейтрализации ионов по реакциям: AB+ + e– A+B; и A+ + B– A + B (AB+ - молекулярный ион). Например, соответствующий коэффициент скорости в кислородной плазме для O2+ составляет kr = - 17 2·10-7 cм3 с-1. Для сравнения, наиболее вероятный процесс объемной рекомбинации в атомарной плазме связан последовательными реакциями: A + A+ A2+ ; A2+ +e– A + A, и для него константа скорости kr ~ 1·10-11 cм3 с-1. Т.е., при равных давлениях газа и ионной плотности вклад объемной рекомбинации, по сравнению с диффузионными потерями ионов на стенки в атомарной плазме пренебрежимо мал, в отличие от молекулярной.

Таким образом, характеризация реакторов, предназначенных для конкретных микроэлектронных технологий, должна проводиться на плазме применяемых в процессах газов. Параметры молекулярной химически активной плазмы низкого давления (плотность, потенциал плазмы, электронная температура, ФРЭЭ, пространственная однородность параметров в зоне обработки) значительно отличаются от атомарной плазмы аргона в таких же внешних условиях разряда.

Глава 3 посвящена возможностям спектрального исследования компонентного состава и параметров плазмы в современных реакторах для дизайна плазменных процессов микроэлектроники. В работе развит метод актинометрического контроля объемной плотности активных радикалов – атомарного фтора для плазмы низкого давления. Эта величина в значительной степени определяет скорость плазмохимического травления структур на основе кремния.

Для измерения плотности атомарного фтора в основном (невозбужденном) состоянии в плазме актинометрический подход [6] предполагает нормировку интенсивности избранной эмиссионной линии радикала на интенсивность эмиссионной линии актинометра, содержание которого в плазме известно. В работе проанализированы основные условия, необходимые для корректного использования актинометрического метода в сильно ионизованной плазме низкого давления.

В настоящем исследовании метод развит для практики применения со спектрометрами умеренного разрешения. Введен учет аппаратной функции спектрометра применительно к BI Sp(act ) актинометрическим измерениям в виде:, где Sp() – аппаратная nF = Kact nact _ rad BI _ act Sp(rad ) спектральная чувствительность оптического и приемо-усилительного тракта на соответствующих длинах волн, а BI – интегральные яркости спектральных линий:

фф,, где I’(), I() – наблюдаемый и истинный контур I' (' ) = I() A(' - )d BI = I'(' ) d ф1 фспектральной линии, соответственно.

- 18 Метод актинометрии in situ реализован в программном обеспечении спектральноаналитического комплекса диагностики плазменных процессов, созданного на базе быстрого акустооптического спектрометра «Кварц-2000» (разработка ВНИИФТРИ).

Исследована плотность атомарного фтора в разрядах BF3, CHF3, SF6 в ИПП-реакторе (ВЧИ-разряд) в широком диапазоне давлений (1 – 20 мТорр) и ВЧ-мощности (400 – 12Вт). Плотность фтора линейно зависит от вложенной в разряд мощности, а зависимость от давления при фиксированной мощности имеет насыщающуюся кривую. Это проиллюстрировано на Рис.5 для плотной плазмы низкого давления (газ SF6).

ВЧИ-разряд с планарным индуктором обеспечивает эффективную генерацию химически активных радикалов в условиях низкого давления, степень диссоциации по фтору исходных молекул в разряде составила для плазмы BF3 0.15 0.34; для плазмы CHF3 –0.07 0.21; для плазмы SF6 – 0.21 0.36. При p = 20 мТорр концентрация атомарного фтора в ИПП-реакторе (2х1014 см-3, плазма SF6) превосходит эту величину в реакторах с ВЧ-емкостным разрядом (ВЧE) при p 100 мТорр.

2,5x102,5x10[F*] в плазме SF[F*] в плазме SF2,0x102,0x10p = 25 мТорр 1,5x101,5x101,0x101,0x10p = 4 мТорр p = 2.3 мТорр 5,0x105,0x101,0x10400 600 800 1000 121,0x10PRF, Вт 0 5 10 15 20 p, мТорр а) б) Рис. 5. Зависимость концентрации атомарного фтора (nF*) в плазме газа SF6 (p = 3.5; 13;

25 мТорр) от ВЧ мощности (PRF), вложенной в разряд (а), и от давления при фиксированной мощности (PRF = 1000 Вт) (б).

Для оптимизации скорости и анизотропии ионно-стимулированных реакций травления микроструктур в химически активной плазме представляют интерес относительные объемные концентрации положительных ионов и активных радикалов. C учетом немонотонного характера зависимости ионной плотности от давления в исследованных молекулярных плазмах, отношение nni+ / nF* также имеет немонотонный характер (Рис. 6).

- 19 --F* n, см F* n, см 10-плазма СHF10-10-1 5 10 15 20 p, мТорр Рис. 6. Отношение плотности положительных ионов (ni+) к плотности атомарного фтора (nF*) в ICP–плазме CHF3 в рабочем диапазоне давлений.

Здесь приведены результаты, полученные для плазмы CHF3, которая применяется для травления диэлектриков. Как известно, ионно-стимулированная реакция травления i + оксида кремния в такой плазме с брутто-формулой СF2(g) + F(g) + SiO2(surf) SiF4(g) + CO2(g) чувствительна к режиму ионной бомбардировки поверхности. Видно, что в области давлений < 5 мТорр существует область максимальной относительной концентрации положительных ионов.

Методом малых добавок азота в плазму CF4, SF6 спектроскопией умеренного разрешения по частично разрешенным вращательным спектрам 2+ системы N2 (C3 u+ B3 g+) измерена вращательная (Trot) и оценена поступательная (газовая) температура плазмы (Tg) фторсодержащих газов в планарном ВЧИ-реакторе. Применялся подход, основанный на теоретическом синтезе колебательно-вращательной структуры эмиссионной полосы N2. Из экспериментального спектра выделялся переход 0-0 N(=337,13 нм), оказавшийся свободным от перекрытий с эмиссией других компонентов исследуемой плазмы. Теоретический синтез вращательных спектров проводился с помощью программного обеспечения PGOPHER (http://pgopher.chm.bris.ac.uk), позволяющего рассчитывать колебательно-вращательные спектры двухатомных молекул с высокой точностью (учет мультиплетного расщепления, возможность использования одно- или двухтемпературного распределения заселенности состояний, учет аппаратной функции прибора). В расчетных спектрах варьировался параметр Trot, минимизирующий - 20 i+ F* n / n, отн.ед.

отклонение расчетного спектра от экспериментального. По найденному значению Trot, из Be Тg Trot * = 1.09Trot (B0e и B*e – вращательные постоянные известной оценки для азота Be состояний X1u+ и C3u+ ) определялась газовая температура молекул азота – актинометра, распространяемая на исследуемую плазму в целом.

На Рис. 7 приведены зависимости газовой температуры для трех составов газовой смеси, с примерно одинаковыми давлениями в камере реактора, от ВЧ-мощности, вложенной в разряд. Установлено, что Tg может достигать 1300 K, слабо зависит от давления в исследованном диапазоне и линейно – от ВЧ - мощности, вложенной в разряд. Абсолютное значение поступательной температуры существенно отличается для различных плазмообразующих газов (N2, CHF3/(7%N2), SF6/(7%N2)).

13 N2, 5.4 мТорр SF6 + 7% N2, 8.7 мТорр 12 CF4 + 7% N2, 9.8 мТорр 1110987400 500 600 700 8PRF, Ватт Рис. 7. Зависимость газовой температуры плазмы (Tg) от вкладываемой в разряд мощности (PRF) для исследуемых газовых смесей.

Наблюдается корреляция газовой температуры плазмы с энергией связи и, соответственно, энергией диссоциации молекул N2 (9.8 эВ) и SF6, CF4 (4.0 – 5.1 эВ).

Диссоциация в молекулярной плазме приводит к трансформации колебательного возбуждения молекул в кинетическую энергию диссоциирующих фрагментов. Очевидно, этот процесс облегчен во фторсодержащей плазме, по сравнению с плазмой N2, и обеспечивает ее более сильный разогрев.

Измеренные значения Тg в ВЧИ-реакторе плотной плазмы в 2-3 раза выше, чем в емкостных ВЧ-реакторах предыдущего поколения. Это необходимо учитывать при разработке прецизионных технологий травления наноразмерных структур, так как - 21 gas T, K именно газовая температура плазмы может стать фактором, ограничивающим анизотропию при формировании таких структур в реакторах низкого давления.

Рассмотрены различные аспекты влияния повышенного значения Tg на процессы плазмохимического травления микроструктур.

В Главе 4 предложен и обоснован новый вариант метода зонда Ленгмюра – динамический ленгмюровский зонд (ДЛЗ) – для измерения параметров полимеробразующей низкотемпературной плазмы низкого давления. В основе метода – поддержание поверхности зонда свободным от непроводящих пленок при помощи циклически используемого режима импульсной ионной очистки. Циклограмма таких измерений показана на Рис. 8.

--60 -40 -20 0 20 Vpr, В Рис. 8. Циклограмма измерения ВАХ Рис. 9. Эволюция вольт-амперной зонда в полимеробразующей плазме с характеристики зонда при вариации динамической ионной очисткой. параметра tclean: 1 – 0 мс (отсутствие режима динамической чистки); 2 – 10 мс;

3 – 20 мс При импульсном переключении потенциала зонда (Vpr) из режима ионной очистки в режим измерения ВАХ необходима временная задержка в измерении тока для установления квазистационарного слоя ОПЗ (td). В области потенциалов, отвечающих электронной ветви ВАХ, в плазме полимеробразующих газов (CHF3, C4F8 и др.) на чистый зонд начинается осаждение непроводящих пленок, скорость которого характеризуется временем адсорбции монослоя tads. Этот процесс значительно искажает электронную ветвь ВАХ при традиционной развертке потенциала зонда. Оценки показывают, что в ИПП-реакторах низкого давления tads >> td., при этом в интервале времени (tmeas), определяемом из td < tmeas < tads, измерение зондового тока дает точку вольт-амперной характеристики, адекватной, с одной стороны, теориям тока для призондового слоя - 22 pr I, мА Чайлда-Ленгмюра, а с другой – не искаженную загрязнением поверхности зонда.

Интервал tmeas определен экспериментально, при давлении p < 10 мТорр временное окно для корректных токовых измерений после импульсного установления произвольного зондового потенциала составляет: 2 мкс < tmeas < 15 мкс (плазма CHF3). Измерению в каждой точке ВАХ предшествует режим ионной чистки с длительностью tclean.

Корректность метода ДЛЗ проверена на плазме аргона сравнением вольт-амперных характеристик, измеренных с традиционной разверткой потенциала, и по циклограмме Рис. 8. Отсутствие отличий подтвердило корректность динамического режима измерений.

Влияние изменения параметра tclean на вид ВАХ зонда в плазме CHF3 показано на Рис. 9.

Рассчитанные из ВАХ параметры плазмы СНF3 показывают, что в ВЧИ-реакторе достигаются значения ni+ = 2.0·1011 см-3, ne = 6.0·1010 см-3 и Te = 6.2 эВ (p = 6 mTorr, P = 600 Вт). Плазма является электроотрицательной, ni-/ni+ = 0.6-0.7. Измерения, сделанные в плазме аргона при тех же внешних параметрах разряда, показывают n = 2.8·1011 см-3, Te = 3.3 эВ. С применением метода ДЛЗ открываются новые возможности оптимизации процессов травления микро- и наноструктур в плазмах, содержащих пассивирующие компоненты (полимерообразующие и оксидные).

ВИМС-исследование поверхности зонда показало, что после работы в химически активной плазме она обогащена компонентами плазмы (углерод, фтор). Установлено, что такая модификация поверхности сильно снижает работу выхода материала зонда (вольфрама) с 4,54 эВ до 1.3-1.4 эВ. Стационарные зондовые измерения в плотной плазме (плотность тока электронов Je ~ 0.51 А/см2 при V = Vp) приводят к значительному разогреву зонда (~1200 K) и возникновению паразитной термоэлектронной эмиссии, искажающей вольтамперную характеристику. Данный факт является дополнительным свидетельством в пользу применения в реагирующей плазме метода ДЛЗ, исключающего термоэмиссионный эффект за счет удержания температуры зонда на низком уровне при импульсных токовых измерениях в электронной ветви ВАХ.

Развитие зондовых методов диагностики реагирующей плазмы позволило предложить на их основе методы мониторинга in situ плазмохимического травления микроэлектронных структур, которые были опробованы в ходе травления структур SiO2/Si, poly-Si/SiO2/Si плазмой смеси газов SF6 / O2 (5%) / Ar (3%) (ВЧИ-реактор). В плазменных реакторах низкого давления потоки продуктов реакций с поверхности пластины сопоставимы с потоками плазмообразующих газов в камеру. Естественно предположить, что значительное изменение химии плазмы при смене травящихся слоев - 23 не может не сказаться также и на параметрах ее заряженных компонентов – ионной (ni+, ni- ) и электронной (ne) плотности, возможно и на ФРЭЭ. Кроме того, смена проводящего слоя поликремния, подвергаемого травлению, на диэлектрический (граница p-Si – SiO2) при контакте с плазмой может повлиять на потенциал плазмы (Vp), и на плавающий потенциал (Vf). В реакторах с удаленным источником плазмы диагностический зонд размещается в периферийной области реактора, что никак не сказывается на технологическом процессе.

Характерные результаты этого мониторинга показаны на Рис 10(а, б).

Iprobe электрон. ветвь, мА Iprobe ион. ветвь, мА I(Vprobe= + 18B) -0, I(V I(Vprobe = - 60В) 35 probe= + 5B) I(V probe= 0B) -0,-0,SiOp-Si c-Si -0,p-Si SiO2 c-Si -0,-0,-0,-0,20 30 40 50 60 20 30 40 50 60 t, с t, с a) б) Рис. 10. Параметры плазмы, выводившиеся автоматизированным зондовым комплексом в ходе травления структур p-Si/SiO2/Si :

a) ток зонда (Iprobe) при выбранном фиксированном потенциале (Vprobe) в электронной ветви ВАХ;

б) ток зонда (Iprobe) при выбранном фиксированном потенциале (Vprobe) в ионной ветви ВАХ.

Отчетливые изменения в момент достижения границ слоев наблюдались также в значениях Vf и Te (в максвелловском приближении), измеренных in situ. Моменты изменения зондовых токов на Рис. 10 совпадают с достижением границ p-Si/SiO2 и SiO2/Si-пластина, что подтверждается синхронным эмиссионным спектральным мониторингом плазмы. Зарегистрированные зондовой диагностикой кривые отражают изменения фундаментальных параметров плазмы в ходе травления структур.

В таблице 2 приведены данные, полученные в одном из процессов травления, на основе полного анализа ВАХ, измеренных in situ (режимы разряда одинаковы во всех случаях).

- 24 Таблица 2. Значения параметров технологической плазмы SF6/O2/Ar в зависимости от свойств поверхности, подвергаемой плазмохимическому травлению ni+, ne, Te, Vf, Vp, Поверхность, контактирующая см-3 см-3 эВ В В с плазмой SF6/O2/Ar 1,4x1011 5,6x1010 5,3 -18,0 +2,0 Поликремний (р-Si) 1,6x1011 7,4x1010 4,8 -17,0 +2,0 SiO1,4x1011 5,6x1010 5,3 -18,0 +2,0 Кремниевая подложка (с-Si) 1,5x1011 8,7x1010 4,3 -10,0 +8,0 Пустая камера (нерж. сталь) В таблице иллюстрируются устойчивые тенденции, сохраняющиеся во всех экспериментах при вариации внешних технологических параметров - мощность, вложенная в разряд, мощность ВЧ-смещения, давление в камере, газовые потоки {PRF, Pbias, p, fl}. При травлении оксида кремния происходит увеличение электронной плотности, в среднем, на 20-50% по сравнению с этапом травления p-Si. Одновременно на границе p-Si/SiO2 наблюдается устойчивое повышение на 10-20% плотности положительных ионов. Вместе с этим происходит снижение Te на 10-35%. Смена химического состава плазмы из-за изменения потока кремнийсодержащих продуктов реакции с поверхности микроструктуры сопровождается небольшим, но отчетливо наблюдаемым, увеличением степени ионизации и изменением режима электронных столкновений, что влияет на Te. Кривые in situ, приведенные на Рис.11, изменения Vf и Te могут быть использованы для остановки травления как на границе p-Si/SiO2, так и SiO2/Si. Критерием выбора регистрируемой величины в данном случае является максимальное отношение сигнал/шум, наибольшее для Ii(sat), Ie(sat) и Vf.

Существенным изменениям в ходе травления подверглась и функция распределения электронов по энергиям. Она была получена из измеренных in situ зондовых ВАХ двойным дифференцированием зондового тока. Результаты приведены на Рис. 11 и 12.

+ ФРЭЭ нормированы условием f ( ) d = 1.

В плазме инертных газов Ar/He (отсутствие травления) распределение близко к максвелловскому, Te = 3.1 эВ при p = 4 мТорр, PRF = 600 Вт (Рис. 11, кривая а).

Существенно больший практический интерес представляет ФРЭЭ в плазме технологической смеси SF6/O2/Ar при том же давлении и вкладываемой ВЧ-мощности в незагруженной камере реактора (Рис. 11, кривая б).

- 25 f(), эВ-3/f(), эВ-3/б 10-2,3 эВ а 10-б 10-10-a 5,5 эВ 10-10-10-4 6,3 эВ 3,1 эВ 3,8 эВ 10-, эВ 10-0 5 10 15 20 25 , эВ 0 5 10 15 20 25 Рис. 11. Функция распределения Рис. 12. Функция распределения электронов по энергиям f() в плазме электронов по энергиям f() в плазме Ar/He (а) и рабочей смеси газов SF6/O2/Ar, измеренная in situ при SF6/O2/Ar при отсутствии пластины в плазменном травлении структур pреакторе (б) (ICP-источник, 13.56 МГц, Si/SiO2/Si (ICP-источник, 13.56 МГц, PRF PRF = 600 Вт, p = 5 мТорр) = 600 Вт, p = 5.5 мТорр):

а) травление слоя p-Si (Teff = 6.3 эВ);

б) травление слоя SiO2 (Teff = 3.8 эВ).

Рис. 11б свидетельствует, что смена химии плазмы привела к значительным изменениям в энергетическом распределении электронов, которое приобрело вид бимаксвелловской ФРЭЭ с температурой холодных электронов Tеc = 2.3 эВ и горячего хвоста Tеh = 5.5 эВ. Явные изменения наблюдались и непосредственно на выделенной электронной ветви Iе(Vpr).

Данная ситуация с изменением ФРЭЭ внешне напоминает эффект, наблюдавшийся ранее (Глава 2). Но там изменения функции распределения электронов по энергиям были связаны с изменением типа разряда - от ВЧИ (13.56 МГц) разряда к СВЧ-разряду (2.ГГц), и наблюдались в плазме одного и того же газа. В исследуемом случае, трансформация ФРЭЭ происходит с переходом от атомарного к молекулярным многоатомным и электроотрицательным газам в одном и том же типе разряда. Скорее всего, она связана с резонансными пиками неупругих потерь электронов в области 8 – 12 эВ в сечении рассеяния электронов на нейтральных молекулах SF6.

При помещении обрабатываемой пластины в камеру (Рис. 12а,б) происходят дальнейшие изменения ФРЭЭ плазмы. На энергетических распределениях электронов появляются новые особенности, по сравнению с незагруженным реактором. В обоих - 26 случаях наблюдается обеднение высокоэнергетичной части ФРЭЭ (в большей степени для случая травления слоя поликремния), а также еще более сильное отклонение от максвелловского вида в области > 10-15 эВ. Очевидно, поступление продуктов травления в плазму создает новые каналы неупругих потерь электронов. Если скорость установления равновесного распределения недостаточно высока, то наличие таких каналов должно вести к видоизменению стационарной ФРЭЭ в диапазонах энергии, где потери электронов наиболее вероятны.

Детальное исследование энергетического распределения электронов плазмы в ходе травления микроэлектронных структур при разных технологических параметрах {PRF, Pbias, p, fl} показывает его сильную зависимость от условий разряда. Определенные сочетания давления и расходов газа при средних и больших уровнях ВЧ-мощности, вложенной в разряд, позволяли минимизировать горячие хвосты ФРРЭ, уменьшая негативные эффекты зарядки при травлении. Таким образом, показано что зондовая диагностика in situ плазмохимического травления может быть использована как средство оптимизации технологии травления.

Глава 5 посвящена развитию спектральных методов для in situ мониторинга плазменных технологий. Методы спектральной эмиссионной спектроскопии способны быть основой эффективных end-point детекторов в процессах плазмохимического травления микро- и наноэлектронных структур, содержащих ультратонкие слои диэлектриков. Экспериментально подтверждена высокая чувствительность метода вплоть до толщин SiO2 2.2 и 5 нм. Пример эмиссионного мониторинга травления структур polySi/SiO2/Si автоматизированным комплексом на основе акустооптического спектрометра «Кварц-2000» иллюстрируется Рис. 13.

Временное разрешение метода позволяет установить момент перехода к травлению подзатворного SiO2 по традиционному увеличению интенсивности линий F* и O* из-за смены поверхностных реакций на границе слоев p-Si/SiO2 и изменения баланса фтора и кислорода в объеме плазмы (участок a-b). Уверенно наблюдается также и травление тонкого естественного окисла ( 2 нм) на поверхности p-Si. При этом интенсивности линий F* и O* в момент его вскрытия (breakthrough stage) те же, что и при травлении подзатворного диэлектрика.

- 27 F* SiO2 c-Si p-Si , отн.ед.

Ar O* Собств.

b c SiOd a 020 40 t, с Рис. 13. Результат мониторинга интенсивности избранных эмиссионных линий плазмы F*(703.7 нм), O*(844.6 нм) и Ar(750.39 нм) в ходе травления структуры p-Si/SiO2/Si Эмиссионная линия Ar (750.4 нм) удовлетворяет актинометрическим требованиям как для определения плотности атомарного фтора F* (703.7 нм), так и атомарного кислорода O*(844.6 нм) из-за близости значений Eth, и вида (). Значения плотностей обоих этих радикалов в плазме в ходе травления получены актинометрической нормировкой:

F O* nF * = Kact F */ Ar nAr * ;

nO* = Kact O*/ Ar nAr ; где Kact F*/Ar, Kact O*/Ar – соответствующие Ar Ar актинометрические коэффициенты, nAr – концентрация аргона, задаваемая входным потоком в камеру. Из этих соотношений in situ вычислялась интегральная, вдоль линии визирования оптического датчика, плотность фтора nF*.

Установлено, что скорость травления слоя p-Si (ERp-Si ) в плазме SF6/O2/Ar линейно зависит только от nF* (Рис. 14). Точки на рисунке отвечают индивидуальным технологическим процессам в пространстве задаваемых параметров {PRF, Pbias, p, fl}: ВЧмощность (PRF = 400-800 Вт), ВЧ-смещение (Pbias = 50-150 Вт), давление в камере (p=2.5 – 5.5 мТорр) и расход газов (fl= 60 – 180 ст.см3/мин).

В то же время, в случае травления слоя оксида кремния в тех же процессах (Рис. 15) линейная зависимость ERSiO2 от плотности атомарного фтора nF* в плазме раскладывается на три прямые, коррелирующие со значением мощности смещения Pbias, т.е. в конечном счете, - с энергией ионов (Ei), бомбардирующих поверхность.

- 28 ER p-Si, нм/мин ERSiO2, нм/мин 182162poly-Si SiO21400 Pbias = 150 Вт 21211000 Pbias = 100 Вт 1800 116Pbias = 50 Вт 10,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,nF*, 1013 см-1 2 3 4 5 -nF*, 1013 см Рис. 14. Зависимость скорости ионно- Рис. 15. Зависимость скорости стимулированного травления p-Si (ERp-Si) от плазменного травления SiO2 (ERSiO2) от объемной концентрации атомарного фтора объемной концентрации атомарного (nF*) в плазме. фтора (nF*) в плазме.

Скорость реакции ионно-стимулированного травления ERp-Si соответствует кинетике ERp -Si = Ki -react (T ) nF * первого порядка по фтору:, а измеренные скорости травления pSi составили 600 – 1800 нм/мин, что, в (1.0-1.3)х103 раз больше, чем дает химическая кинетика при таких же объемных концентрациях атомарного фтора (Т = 300 K).

Очевидно, что Ki-react включает механизмы стимулирования реакции потоком ионов на поверхность кремния, и эта величина становится константой уже при минимальных в эксперименте энергиях ионов (Pbias). Наблюдаемые зависимости ERSiO2 = f(nF*, Ei) могут ERSiO 2 = Ki-react (T, Ei ) nF * Ki-react (Ei ) = c Ei быть представлены кинетикой, где ; с ~ 0.6-0.7. Зависимость Ki-react от энергии ионов свидетельствует об изменении механизма ионного стимулирования травления SiO2 в плазме SF6, по сравнению с травлением поликремния.

Таким образом, актинометрия активных радикалов in situ является инструментом исследования кинетики гетерогенных реакций травления микроструктур в плазме. На основе полученных данных возможно развитие новых подходов к разработке технологий анизотропного травления. В частности, исследованные особенности травления затворной структуры МДП-транзистора позволяют в реальном времени управлять селективностью процесса на границе p-Si/SiO2 в диапазоне S = 730, изменяя PRF и Pbias по end-point сигналу спектрального датчика. Это исключает усложняющий технологию этап - 29 дотравливания субмикронных структур вблизи границ слоев путем изменения химии плазмы.

Динамика нарастания интенсивности линий F* и O* в момент прохождения границы p-Si/SiO2 – положительная ступенька в сигнале (участок a-b, Рис.13) различна для процессов, в которых варьировались внешние параметры {PRF, Pbias, p, fl}. Исследование пластин, травление которых останавливалось в точке а, спектральной эллипсометрией показало ее связь с величиной неоднородности скорости травления по площади структуры. Модель динамики экспериментального эмиссионного сигнала в пограничной области, с учетом факта, что сигнал IF/IAr ~ NF (интегральной концентрации фтора в плазме вдоль линии визированияоптического сенсора), была построена на основе балансового уравнения плотности фтора в плазме вблизи пластины. Геометрия модели (Рис. 16) полностью отвечала условиям эксперимента.

Рис. 16. Схема актинометрического мониторинга плазмохимического травления структуры poly-Si/SiO2/Si, положенная в основу модели.

Концентрация атомарного фтора n(r,t) вблизи пластины в любой момент времени процесса травления (t) может быть получена из совместного решения уравнений (1) и (2).

nF (r,t) 1 d nF (r,t) r = D + (r) dis(r) (nSF 6 -nF ) - Kreact(r,t) nF (r,t) - nF (r,t) / (1) res t r dr r nF с начальными и граничными условиями: nF (r,0) = const; D = -KreactW nF (r=Rwall);

r r=Rwall nF D = 0;

r r=t h(r, t) = h(r,0) - K (r, t) n (r, t)dt ; (2) react F где соответствующие константы скорости поверхностных реакций имеют вид:

- 30 K ; h(r, t) > hSiO 2;

poly -Si Kreact (Rwaf < r < Rwall, t) 0; (3) Kreact (r Rwaf, t) = KSiO 2;0 h(r, t) hSiO 2;

Kc-Si ; h(r, t) < 0;

Kreact (r = Rwall, t) = KreactW ; - константа гибели атомарного фтора на стенках реактора.

Параметр (r) – модельная функция радиальной неоднородности источника атомарного фтора в плазме, которой можно управлять степенью неоднородности скорости травления по радиусу пластины ER(r). Решение (1) и (2) дает радиальное распределение фтора в реакторе в любой момент травления. Сигнал, который Rwall регистрируется оптическим датчиком, рассчитывается как:.

N (t) = 2 nF (r, t)dr F Уравнения решались численно. Интегрирование радиальных профилей nF(r) в моменты времени от вскрытия первой точки SiO2 до полного удаления слоя p-Si дает зависимости NF(t’), моделирующие сигнал оптического актинометрического датчика в области «ступеньки».

1 (1) b=1. (2) b=1.1 (3) b=1. (4) b=1.0 (5) b=1.250 300 350 400 450 5t', отн.ед.

Рис. 17. Расчетная динамика изменения интегральной концентрации фтора NF(t’), в ходе травления poly-Si/SiO2 в переходной области, в зависимости от параметра неоднородности травления (b).

Полученная расчетная динамика сигнала показана на Рис. 17, степень неоднородности представлена в виде отношения максимальной к минимальной скорости травления p-Si:

ERr=b =. Область перехода между слоями характеризуется временным интервалом ERr=Rwaf (шириной) W, в течение которого значение производной (dNF/dt) отлично от нуля, и - 31 F N, отн.ед.

значением этой производной. Для адекватного использования параметра W следует W использовать его безразмерный аналог dW =, где t’poly-Si – время травления слоя t'poly-Si поликремния. Анализ показывает, что зависимости dW = f(b) и максимума производной max dNF/dt =f(b) на интервале dW имеют вид, показанный на Рис. 18 и Рис. 19, соответственно.

0,50 0,0, 0, 2 0,0,0,0,0,0,0,1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,b, отн.ед.

b, отн.ед.

Рис. 18. Безразмерное время травления Рис. 19. Максимальное значение пограничной области poly-Si/SiO2 производной интегрального сигнала фтора W (max dNF/dt) в переходной области как ( dW = ) как функция неоднородфункция параметра (b) - неоднородности t'poly-Si скорости травления слоя поликремния по ности скорости травления (b) по радиусу радиусу пластины:

пластины:

1 – для гауссовой функции радиальной 1 – для гауссовой функции радиальной неоднородности скорости генерации фтора неоднородности источника фтора в в плазме (r) ;

плазме (r);

2 – для параболической функции (r).

2 – для параболической функция (r).

Видно, что значение этих параметров не слишком сильно зависит от вида (r), а главным образом определяется степенью неоднородности травления по площади пластины b.

Иными словами, dW и max dNF/dt являются индикативными параметрами, актинометрического сигнала, позволяющими в реальном времени количественно оценивать неоднородности скорости травления по площади пластины. Параметр dW линейно зависит от неоднородности травления, а max dNF/dt имеет характеристику гиперболического вида, и особенно чувствителен к малым величинам b при степени неоднородности < 5%. Используемый автоматизированный комплекс обладает - 32 F dW, отн.ед max dN /dt, отн.ед.

разрешением 100 мс, что позволило проверить модель измерением параметра dW.

Экспериментальные результаты, представленные на Рис. 20 свидетельствуют об удовлетворительном количественном соответствии модели реальному плазмохимическому процессу.

0.0.0.0.0.0.0.1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.b = ERmах / ERmin, отн.ед Рис. 20. Экспериментально измеренные степени неоднородности b в процессах травления структур poly-Si/SiO2 и параметр dW, полученный из данных эмиссионного мониторинга процесса.

В процессах с малой площадью окон травления, когда «ступеньки» сигнала (участки аb, c-d Рис. 13) становятся сопоставимы со случайными флуктуациями эмиссии плазмы, для применения эмиссионного мониторинга предложен и разработан метод синхронного спектрального детектирования (ССД) момента окончания процесса. В его основу положено фазовое детектирование спектрально разрешенного эмиссионного сигнала плазмы на собственной частоте плазмообразующего генератора либо на частоте его внешней модуляции. Это приводит к резкому ослаблению шумовой компоненты оптической эмиссии, некогерентной с опорным (модулирующим) сигналом. В результате, решается проблема контроля in situ технологий травления микроструктур с суммарной площадью окон 1% от площади пластины. В частности, этот метод позволяет определить момент окончания травления контактных отверстий (площадь ~ 0.6 - 1%) в системах многоуровневой металлизации УБИС. Техническое решение защищено патентом РФ.

- 33 dW, отн. ед.

Для in situ мониторинга процессов осаждения диэлектрических пленок в ИППреакторах выполнена инструментальная адаптация метода спектральной эллипсометрии.

В работе использовался многоканальный эллипсометр EM-70 (ИРЭ РАН) с бинарной модуляцией состояния поляризации пучка белого света, установленный на камеру реактора плазмохимического осаждения диэлектриков. На примере осаждения SiOпродемонстрированы возможности контролируемой технологии плазмохимического осаждения (PECVD) по росту пленок с диагностикой отклонений от стехиометрического состава и мониторингом толщины растущей пленки в реальном времени процесса.

Применение эллипсометрии в спектральном режиме позволяет контролировать одновременно оптические константы и толщину слоев без изменения углов поляризатора и анализатора и его дополнительной юстировки на ростовой камере. В настоящем исследовании спектральный вариант эллипсометрии применен для контроля состояния поверхности (отсутствие загрязнений) перед ростом пленки и контроль качества пленки непосредственно после ее плазмохимического осаждения в реакторе. В режиме мониторинга на избранной длине волны (где отсутствуют помехи от эмиссии плазмы) осуществляется контроль процесса роста по траектории в координатах эллипсометрических углов -, в том числе и отклонения от заданного состава пленки, либо измеряется толщина d растущей пленки в реальном времени (при заведомо постоянных значениях оптических констант).

Разрешение метода по толщине (~0.1 нм) в режиме реального времени позволяет использовать его от перспективных технологий PEALD – плазмостимулированного атомного осаждения пленок толщиной от 1-2 монослоев, до применения в традиционных процессах PECVD при росте пленок субмикронной толщины.

В Главе 6 развиты алгоритмы малоракурсной эмиссионной томографии плазмы технологических реакторов микроэлектроники, которые основываются на методах классической реконструктивной томографии. Необходимость таких исследований вызвана отсутствием доступных методов для исследования распределения незаряженных активных радикалов плазмы по сечению реактора. Диагностика радикалов лазерноиндуцированной флюоресценции (ЛИФ) с пространственным разрешением, применяемая ранее на реакторах с емкостным разрядом, не выходила за рамки отдельных экспериментов, и практически невозможна в современных широкоапертурных ИПП – реакторах по конструктивным соображениям.

- 34 Реконструктивная эмиссионная 2D - томография базируется на решении обратной задачи отыскания функции интенсивности источников f (r, ) (в полярных координатах) по оценкам интегралов интенсивности Pl = f (r,)dL (лучевым суммам) вдоль множества L прямых L с использованием обратного преобразования Радона [7]:

1 f (r,) = Pl (l, )dld, (4) 2 2 r cos( -) - l 0 - гдe Pl'(l, ) - частная производная интеграла интенсивности по l;

l – удаление линии, вдоль которой регистрируется интеграл Pl, от начала координат;

– ракурсный угол, отвечающий положению сканирующего датчика на дуге относительно центра координат.

Метод 2D реконструкции должен соответствовать схеме сканирования. Единственная схема, совместимая с технологическим плазменным реактором, обладающим двумя ограниченными по апертуре оптическими портами (типовой случай), показана на Рис. 21.

Область реконструкции ограничена областью пересечения максимальных углов сканирующего устройства. Сетка для веерной схемы, задается минимальным угловым шагом () устройства сканирования.

Рис. 21. Веерная схема сканирования для двухракурсной оптической эмиссионной томографии, совместимая с плазмохимическими реакторами микроэлектроники.

В данной геометрии каждый луч (линейный интеграл) характеризуется двумя параметрами и . Угол определяется ракурсом, с которого снимаются данные.

Измерение интегральной интенсивности лучей производится перемещающимися по углу детекторами на оптических портах, находящейся на расстоянии D от начала координат – - 35 центра реактора. Параметры луча l и , применяемые в параллельной сетке связаны с параметрами и для веерного пучка как: l = Dsin, = - . Замена переменных в (4) дает преобразование Радона для веерной схемы сканирования:

2 D f (r,) = - - (5) 2 W ( ) [q1( ) + q2( )]P'(, )dd, 4 0 - r cos( -) ' где W = [r cos( -)]2 +[D + r sin( -)]2, = arctg D + rsin( -) q1, q2 – аподизирующие функции, ограничивающие частотный спектр P(, ) на дискретной веерной сетке.

f(r,) Проблема в том, что преобразование Радона (4,5) имеет единственное решение - двумерное распределение интенсивности (изображение), если имеется полная совокупность лучевых сумм в непрерывном угловом диапазоне ракурсов [0, 2].

Ограниченное множество данных всего с нескольких ракурсов дает весьма неточные результаты реконструкции, изобилующие артефактами. Эти проблемы детально исследовались в [8] и иллюстрируются для принятой схемы сканирования Рис. 22.

B B Рис. 22. Результат реконструкции единичного пика с профилем функции Гаусса традиционным методом свертки в случае двух ракурсов сканирования. Веерная сетка преобразована к прямоугольной. Наблюдаются протяженные артефакты вдоль ракурсов.

На томографических фантомах (множественных гауссовых пиках, синтезированных в поле восстановления) исследовался характер артефактов в схеме двухракурсного - 36 сканирования при реконструкции известными методами: свертки, обратного проецирования, ART, Фурье синтеза, максимума энтропии [7,8].

Установлено, что в любом из методов амплитуды протяженных и локальных артефактов сопоставимы, однако реконструкция области истинного расположения пика для неоднородностей диффузного типа, характерного для плазменных объектов, точнее происходит с применением методов обратного проецирования и максимума энтропии.

Облегчить решение задачи можно, вводя в алгоритм реконструкции аксиоматические предположения о физических свойствах неоднородностей плазмы. В качестве априорной информации был выбран допустимый вид функции, описывающей «элементарную» неоднородности Fn. Допуская суперпозицию элементарных неоднородностей без их взаимодействия, задачу можно свести к отысканию параметров этих функций по результатам начальной томографической реконструкции известным преобразованием.

Общее поле реконструкции представляет собой суперпозицию единичных неоднородностей заданного вида Fn, параметры которых оптимизируются с использованием итерационных процедур.

Предполагается, что пространственное растекание незаряженных частиц в плазме (атомарных, молекулярных радикалов) в сечении реактора лимитируется диффузией, и, следовательно, с большой степенью вероятности может быть описано Гауссовым профилем (6) или в виде erf-функции (7):

- xp )2 + ( y - y )2 (x p F1(x, y, xp, y, Ap, )= Ap exp (6) p p p (x - xp )2 + ( y - y )2 p 1- (7) F2(x, y, xp, y, Ap, )= Ap erf p p p где Ap – амплитуда; xp, yp - положение максимума; p – ширина профиля (пика).

Латеральные неоднородности ионов предпочтительно описывать другими функциональными зависимостями, например, параболической:

- xp )2 + ( y - y )2 (x p (x - xp )2 + ( y - y )2 < F3(x, y, xp, y, Ap, )= Ap 1-, (8) p p p p p или функцией Бесселя 1-го порядка (амбиполярная диффузия плазмы):

0 (x - xp )2 + ( y - yp )2 ( (x - xp )2 + ( y - y )2)/ < ,, (9) F4(x, y, xp, yp, Ap, )= Ap J0 p p p p - 37 где 0 – 1-й ноль функции Бесселя Ниже показана блок-схема предложенного алгоритма двухракурсной томографической реконструкции.

STEP-Томографическая реконструкция стандартным методом (свертка,обратное проецирование, метод максимума энтропии) STEP-Выбор функции элементарных неоднородностей (F1-F4) STEP-Определение параметров (xp, уp, Ap,,P ) для пика максимальной амплитуды, вычитание его вклада в экспериментальные лучевые суммы (до достижения динамического диапазона измерений) STEP-Фильтрация пиков с близкими или физически невозможными параметрами STEP-Итерационное уточнение параметров оставшихся пиков с применением шага STEP-4 после каждой итерации ОПТИМИЗАЦИЯ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ЛУЧЕВЫМ СУММАМ Вычитание вклада пика, найденного в STEP-3, из экспериментальных лучевых сумм и повторное применение алгоритма реконструкции приводят к тому, что в восстановленном поле резко уменьшается амплитуда артефактов, связанных с вычтенным пиком. Т.е.

циклическая процедура вычленения пиков способствует последовательному удалению основных артефактов реконструкции. Алгоритм протестирован на томографических фантомах, генерированных случайным образом на веерной сетке 40х40. Типичные результаты реконструкции фантомов показаны на Рис. 23.

- 38 Рис. 23. Томографическая реконструкции (Х0) фантома (ХП), состоящего из 5 гауссовых пиков. Среднеквадратичная ошибка реконструкции поля интенсивностей SD = 0.044.

В комплексе с экспериментальной системой двухракурсного томографа, с акустооптическими фильтрами–монохроматорами в каналах, алгоритм был проверен на реальной физической модели – системе 3-х источников света, взаимно не дающих перекрытия вдоль ракурсов, где были установлены сканирующие датчики (Рис. 24).

Xа) б) Рис. 24. Проверка алгоритма двухракурсной томографии на физической модели (а) и результат реконструкции (б): ошибка в восстановлении координат и размеров источников света 10-15%, соотношения интегральных яркостей – 20%.

Томография плазмы выполнялась в поперечном сечении камеры опытного плазменноиммерсионного имплантера ФТИАН [A31], в зоне обработки пластины. В качестве объекта исследования была использована плазма BF3 /(1% Ar). Такой выбор обусловлен - 39 двумя причинами – в её составе заметна эмиссия нейтральных радикалов фтора F* ( = 703, 7 нм), томографию которого можно провести в актинометрическом варианте с нормировкой на поле интенсивности аргона Ar ( = 750, 4 нм). Одновременно в спектре присутствует интенсивная линия ионов бора B+ ( = 345, 1 нм), порог возбуждения которой (Eth = 12.69 эВ) также позволяет использовать Ar в качестве актинометра.

Актинометрическая нормировка исключает влияние изменений Te по сечению реактора на абсолютную величину неоднородности концентрационного поля.

Методически процедура актинометрии проводится таким же образом, как изложено в Главе 3, с той лишь разницей, что после реконструкции применяется нормировка 2Dинтенсивности исследуемой частицы на 2D-интенсивность актинометра.

Чтобы сделать плазменные неоднородности более очевидными, в камеру реактора были внесены конструктивные изменения, возмущающие однородность плазмы в известных пространственных зонах. В частности, была демонтирована газораспределительная система (газовый душ), и ввод плазмообразующей смеси осуществлялся свободным истечением газа по вертикальной оси, смещенной от оси реактора на 100 мм, а также намеренно искажалось симметрия магнитного поля пристеночной системы.

Результаты томографических исследований двумерного распределения нормированных концентраций [B+]/[Ar], [F*]/[Ar] приведены на Рис. 29. Центр камеры и центр пластины, соответственно, отвечает координатам (x,y) = (90, 90).

При низком давлении в камере (2 мТорр) отчетливо видна неоднородность в поле ионов B+ (Рис. 29 а) и асимметрия в поле концентрации F* (Рис. 29 б), возникающая на периферии реактора в области проекции газового ввода. Всплеск концентрации ионов в ~2.5 раза больше среднего значения по сечению, в то время как для незаряженных радикалов искажается лишь осевая симметрия поля. Очевидно, это связано с различным характером истечения и диффузии заряженных и нейтральных частиц из зоны плазмообразования. В центральной области реактора градиенты концентрации поля как ионов так и радикалов значительно меньше, однако неоднородности ионов более локализованы, в то время как концентрационный профиль радикалов фтора является имеет меньший градиент.

По мере повышения давления структура потока плазмы в камере реактора приобретает характер диффузионного истечения, и происходит постепенное выравнивание поля концентраций как ионов (Рис. 29 в), так и активных радикалов (Рис. 29 г) в зоне - 40 обработки пластины. При этом в пределах площади пластины (r = 75 мм) наблюдается ~ 30% неоднородность концентрации как ионов, так и радикалов с максимумом в центре реактора, однако их симметрия несколько различается.

0 F*, 2 mTorr B+, 2mTorr 0,35 0,0160 10,70 0,01,0 0,140 11,4 0,1,8 0,120 2,1 120 0,1,2,5 0,2,8 0,100 13,2 0,1,1,3,5 0,80 0,0,60 0,2,0,0,20 0,40 2,20 0,0,20 40 60 80 100 120 140 160 20 40 60 80 100 120 140 1X coordinate, mm X coordinate, mm а) б) B+, 10 mTorr F*, 10 mTorr 0,160 160 0,00,0,00,0,0140 10,0,00,0,120 0,24 10,0,0,0,0,0,110,0,0,0,0,0,0,0,0,00,0,00,20 40 60 80 100 120 140 120 40 60 80 100 120 140 1X coordinate, mm X coordinate, mm в) г) Рис. 29. Эволюция латерального распределения ионов B+ (а, в) и нейтральных радикалов F* (б, г) с ростом давления в камере плазмохимического реактора.

Следует заметить, что эти результаты получены с намеренно введенными неоднородностями, наглядно показывающими возможности эмиссионной томографии для оптимизации режимов разряда и получения латерально однородной плазмы в зоне обработки микроэлектронных структур.

В Приложениях П1 – П4 приведены технические характеристики разработанных автоматизированных комплексов диагностики, которые реализуют методы in situ - 41 Y coordinate, mm Y coordinate, mm Y coordinate, mm Y coordinate, mm контроля плазменных технологий микроэлектроники. Все комплексы адаптированы к современным ИПП-реакторам. Здесь же приведен листинг программы, реализующей алгоритм томографической реконструкции.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ (в хронологическом порядке) А1. А.П. Ершов, А.В. Калинин, Ю.С. Ключников, К.В. Руденко, А.А. Орликовский.

Мониторинг параметров плазмы C2F6 в процессе травления SiO2. // Тр.

Всероссийской конф. «Микроэлектроника-94».,М., 1994, ч.1., с.291-292.

А2. А.П. Ершов, А.В. Калинин, Я.Н. Суханов, К.В. Руденко. Применение зонда Ленгмюра для определения момента окончания процесса травления SiO2 на кремнии.

// Вестник МГУ, сер. физ., астроном., 1995, т.36, вып.6, с.18-22.

А3. Ю.П. Барышев, А.П. Ершов, А.В. Калинин, А.А. Орликовский, К.В. Руденко, В.Н. Семененко, Я.Н. Суханов, Н.И. Пискун. Мониторинг плазменного травления SiO2/Si и момента окончания травления. // Микроэлектроника, 1996, т.25, № 5, с.3– 379.

А4. V.A. Yunkin, V.F. Lukichev, K.V. Rudenko, D. Fisher, E. Voges. Experimental study and computer simulation of aspect ratio dependent effects observed in silicon reactive ion etching. // Microelecronic Engineering, 1996, v.30, p.345-348.

А5. К.В. Руденко, А.А. Орликовский, G. Roeder. Актинометрический контроль плазменного травления структур поли-Si/SiO2/Si : возможности и ограничения метода. // Тр. Всероссийской конф. «Микро- и наноэлектроника –98», Звенигород, 1998, т.1, с. О3-5.

А6. С.Н. Аверкин, К.А. Валиев, В.В. Кошкин, А.А. Орликовский, К.В. Руденко, Я.Н. Суханов. Микроволновый широкоапертурный плазменный источник для обработки 300-мм кремниевых пластин. // Микроэлектроника, 1999, т.28, № 6, с. 427.

А7. S. Averkin, A. Orlikovsky, K. Rudenko, Ya. Sukhanov, K. Valiev. Microwave Wide Aperture Plasma Source for 300-mm Wafer Processing. // Proceedings of FTIAN, 2000, v.16, pp.3-7.

А8. A.P. Ershov, A.V. Kalinin, A.A. Orlikovsky, K.V. Rudenko, Ya.N. Sukhanov. TimeResolved O2 Plasma Parameters of Low Frequency Discharge in Diode Type Plasma Reactor. // Proceedings of FTIAN, 2000, v.16, pp.25-31.

A9. K.V. Rudenko, A.A. Orlikovsky. G. Roeder. Monitoring of the Poly-Si/SiO2/Si Plasma Etching by the Optical Emission Actinometry. // Proceedings of FTIAN, 2000, v.16, pp.3237.

А10. К.В. Руденко. Метод оптической актинометрии в применении к химически активной низкотемпературной плазме. // В кн.: «Физические основы плазменных и лучевых технологий» / Под ред. А.Ф. Александрова, В.И. Петрова. М., МГУ, 2000, с. 57 – 64.

- 42 А11. А.А. Орликовский, К.В. Руденко. Диагностика in situ плазменных технологических процессов микроэлектроники: современное состояние и ближайшие перспективы.

Часть I. // Микроэлектроника, 2001, т.30, № 2, с.85-105.

А12. А.А. Орликовский, К.В. Руденко, Я.Н. Суханов. Диагностика in situ плазменных технологических процессов микроэлектроники: современное состояние и ближайшие перспективы. Часть II. // Микроэлектроника, 2001, т.30, № 3, с. 163-182.

A13. А.А. Орликовский, К.В. Руденко. Диагностика in situ плазменных технологических процессов микроэлектроники: современное состояние и ближайшие перспективы.

Часть III. // Микроэлектроника, 2001, т.30, № 5, с.323-344.

А14. А.А. Орликовский, К.В. Руденко, Я.Н. Суханов. Диагностика in situ плазменных технологических процессов микроэлектроники: современное состояние и ближайшие перспективы. Часть IV. // Микроэлектроника, 2001, т.30, № 6, с. 403-433.

А15. К.В. Руденко, А.А. Орликовский. Проблемы мониторинга плазменных технологических процессов: диагностика плазмы и поверхности. // Тр.

Всероссийской конф. «Микро- и наноэлектроника 2001», Звенигород, 2001, т. 1, с О3-6.

А16. А.П. Ершов, В.Ф. Лукичев, К.В. Руденко, Я.Н. Суханов. Влияние электрического поля в плазме на электронную ветвь ВАХ Ленгмюровского зонда: моделирование методом Монте-Карло. // Тр. Всероссийской конф. «Микро- и наноэлектроника 2001», Звенигород, 2001, т. 2, с Р3-27.

А17. С.Н. Аверкин, А.А. Орликовский, К.В. Руденко. Плазменно-иммерсионная ионная имплантация бора для создания ультрамелких p+-n переходов в кремнии. // Тр. 3-го Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. Плес, 2002, т. 2, с. 360 - 362.

А18. А.П. Ершов, А.А. Орликовский, К.В. Руденко, Я.Н. Суханов. Параметры плазмы BFв установке плазменно-иммерсионного имплантера. // Тр. 3 - го Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. Плес, 2002, т. 2, с. 426 - 427.

А19. С.Н. Аверкин, А.П. Ершов, А.А. Орликовский, К.В. Руденко, Я.Н. Суханов.

Зондовая диагностика плазмы ВЧ- и СВЧ- источников в иммерсионном ионном имплантере. // Тр. XXX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС. М., 2003, с. 192.

А20. К.В. Руденко, Я.Н. Суханов, Н.И. Базаев. Возможности синхронного детектирования эмиссионного сигнала плазмы при мониторинге травления структур SiO2/Si. // Микроэлектроника, 2003, т.32, № 4, с.271-276.

А21. К.А. Валиев, А.А. Орликовский, К.В. Руденко, Ю.Ф. Семин, Я.Н. Суханов. Способ контроля момента окончания травления в плазме ВЧ- и СВЧ разряда в технологии изготовления полупроводниковых приборов и устройство для его осуществления. // Патент РФ № 2248645, МКИ H01L 21/66 от 12.02.2003. Опубл. Бюлл. ФИПС №20.03.2005.

- 43 А22. К.А. Валиев, А.А. Орликовский, К.В. Руденко, Ю.Ф. Семин, Я.Н. Суханов. Способ контроля плазмохимических процессов травления дифференциальной оптической актинометрией и устройство для его осуществления. // Патент РФ № 2248646, МКИ H01L 21/66 от 06.05.2003. Опубл. Бюлл. ФИПС №8 20.03.2005.

А23. K.V. Rudenko, A.V. Fadeev, A.A. Orlikovsky, K.A. Valiev. Tomographic reconstruction of space plasma inhomogeneities in wide aperture plasma technology equipment under strong restriction on the points of view. // Proceedings of SPIE, 2004, v. 5401, p.79-85.

А24. Ya.N. Sukhanov, A.P. Ershov, K.V. Rudenko, A.A. Orlikovsky. Comparative study of inductively coupled and microwave BF3 plasmas for microelectronic technology applications. // Proceedings of SPIE, 2004, v. 5401, p.55-63.

А25. K.V. Rudenko, A.V. Fadeev, A.A. Orlikovsky, K.A. Valiev. The study of radical density distribution in plasma etchers by emission tomography technique. // Proceedings of 16th International Vacuum Congress, Venice (Italy) 2004, Book 2, p. 896.

А26. К.В. Руденко. Анализ параметров плазмохимического травления кремниевых микроструктур по данным in situ оптической эмиссионной актинометрии. // Тр. IV Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии (ISTAPC-2005). Иваново, 2005, т. 2, с. 521 - 524.

А27. Y.N. Sukhanov, A.P. Ershov, K.V. Rudenko, A.A. Orlikovsky. On the parameters of inductively coupled and microwave BF3 plasmas used for plasma immersion ion implantation. // Plasma Process. Polym., 2005, v.2, p.472-479.

А28. С.Н. Аверкин, К.А. Валиев, А.В. Мяконьких, А.А. Орликовский, К.В. Руденко, А.А. Рылов, Я.Н. Суханов, И.А. Тюрин, А.В. Фадеев, А.Е. Юрков. Разработка низкотемпературных плазмохимических процессов и серии плазменных установок для микро- и нанотехнологий. // Труды ФТИАН «Квантовые компьютеры, микро- и наноэлектроника», 2005, т. 19, с. 121 – 137.

А29. К.В. Руденко, А.В. Фадеев, А.А. Орликовский. Малоракурсная 2D-томография пространственных неоднородностей плазмы в технологических реакторах микроэлектроники. // Труды ФТИАН «Квантовые компьютеры, микро- и наноэлектроника», 2005, т. 19, с. 208 – 218.

А30. A. Miakonkikh, K. Rudenko. Measurement of polymerizing fluorocarbon plasma parameters: Dynamic Langmuir probe technique application. // Proceedings of SPIE, 2006, v.6260, p. 6260-0A.

А31. А.А. Орликовский, К.В. Руденко, С.Н. Аверкин. Прецизионные плазмохимические процессы микроэлектроники на базе серии пилотных установок с масштабируемым ICP-источником плазмы. // Химия высоких энергий, 2006, т. 40, № 3, c.220-232.

А32. К.В. Руденко, Я.Н. Суханов, А.А. Орликовский. Диагностика in situ и управление плазменными процессами в микроэлектронной технологии. // Раздел V, Гл. 1, в кн.

«Энциклопедия низкотемпературной плазмы», / Под ред. Ю.А. Лебедева, Н.А. Платэ, В.Е. Фортова. М., Изд. «Янус-К», 2006, т. XII-5, c. 381 - 436.

А33. К.В. Руденко, А.В. Мяконьких, А.А. Орликовский, А.Н. Пустовит. Зондовые измерения параметров плазмы в технологических HDP-реакторах микроэлектроники - 44 в условиях осаждения диэлектрических пленок. // Микроэлектроника, 2007, т.36, № 1, с. 17 - 30.

A34. К.В. Руденко, А.В. Мяконьких, А.А. Орликовский. Мониторинг плазмохимического травления структур poly-Si/SiO2/Si: зонд Ленгмюра и оптическая эмиссионная спектроскопия. // Микроэлектроника, 2007, т.36, № 3, с. 206 - 221.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. К. А. Валиев, А. А. Орликовский. Новое поколение элементной базы микроэлектроники: кремниевый нанотранзистор сохраняет свои позиции. // Электроника: наука, технология, бизнес. 2000, №3, с. 46-49.

2. А. А. Орликовский. Кремниевая транзисторная наноэлектроника. // Изв. ВУЗов.

Электроника, 2006, № 5, с. 35 - 44.

3. International Technology Roadmap for Semiconductors. 1999, 2001, 2005 Edition.

4. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том, кн. II. Раздел IV. Генерация плазмы и газовые разряды. / Под ред. А. Ф. Александрова и Ю. П. Райзера. Изд.

"Наука", 2000.

5. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том, кн. III. Раздел VIII. Химия низкотемпературной плазмы. / Под ред. Ю. А. Лебедева. Изд. "Наука", 2000.

6. В.Н. Очкин. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. //М., Физматлит, 2006, 471 с.

7. G. Hermen. Image reconstructions from projections: The fundamentals of computerized tomography. // Ac. Press, New York, 1980, 352 p.

8. Пикалов В.В., Мельникова Т.С. Томография плазмы. Новосибирск, Изд. «Наука», 1995, 221 с.

- 45






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.