Электроника
Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники
Волков П.В., кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Горюнов А.В.
Лукьянов А.Ю., кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
Пряхин Д.А., кандидат химических наук, научный сотрудник
(Институт физики микроструктур Российской академии наук)
МЕТОДЫ МОНИТОРИНГА ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУР
Задача in-situ мониторинга процессов формирования полупроводниковых структур является крайне актуальной в настоящее время. Все существующие на настоящий момент методы обладают теми или иными недостатками. Поэтому процесс поиска новых решений, а также усовершенствования старых идет непрерывно. В работе выполнен обзор наиболее популярных и перспективных методик оптического мониторинга в полупроводниковых технологиях.
Ключевые слова: низкокогерентная интерферометрия; оптический мониторинг; оптическое приборостроение; полупроводниковые технологии.
THE METHODS OF THE SEMICONDUCTOR NANOSTRUCTURES PROCESS MONITORING.
The problem of the in-situ monitoring of the semiconductor structures process is very actual now. All nowadays existed methods have some disadvantages. Therefore the process of the new methods development and the old methods improving is continued. In the paper we observe the most popular and perspective methods for the optical in-situ monitoring in semiconductor technologies.
Кеу-words: low-coherence interferomtry; optical monitoring; optical instrument making; semiconductor technologies.
Введение
Современный уровень развития технологий, применяемых при разработке и изготовлении микро- и наноструктур и устройств на их основе, непрерывно возрастающие требования к воспроизводимости технологических процессов и проценту выхода годной продукции требуют обязательного присутствия систем in situ контроля. Для большинства процессов тонкопленочной технологии, включая нанесение, отжиг и определение характеристик полученных плёночных структур, наиболее важными параметрами являются температура подложки и скорость роста или травления. В частности температура подложки влияет на скорость и профиль травления (осаждения), структуру и состав формирующегося слоя [1,2].
В настоящее время в большинстве случаев температура подложек контролируется с помощью термопар и пирометров. Однако по мере роста требований к точности измерений точность данных традиционных методов становится недостаточной. Пониженное давление, газовые потоки, нагретая плазма, экзотермические химические реакции - всё это плюс отсутствие надёжного теплового контакта приводит к появлению дополнительных непредсказуемых ошибок. [3].
Более привлекательными являются неконтактные оптические методы измерения температуры и толщины. Первые попытки применить оптический мониторинг для in situ контроля формирования плёночных структур были предприняты более 20 лет назад [4]. Активное развитие оптических методов контроля в полупроводниковых технологиях наблюдается в последние 15 лет [5-7].
Методы мониторинга технологических процессов в полупроводниковых технологиях
В настоящее время существуют различные оптические методы контроля формирования полупроводниковых структур. Наибольшее распространение получили три метода: спектроскопия анизотропного отражения, лазерная оптическая термометрия, оптическая рефлекто-метрия. Данные методы будут рассмотрены ниже подробнее. Разрабатываются и другие оптические методы контроля температуры: по измерению сдвига линий флюоресценции [8], по измерению сдвига края поглощения [9]. Однако они не получили распространения по причине сложности аппаратуры и низкой надежности и воспроизводимости измерений. Очень перспективным является метод тандемной низкокогерентной интерферометрии, который также будет рассмотрен в работе.
1. Спектроскопия анизотропного отражения.
В данном методе (рис.1) [10], регистрируется изменение анизотропии поверхности при послойном эпитаксиальном росте. Измеряемой величиной является разность между коэффициентами отражения для двух волн, линейно поляризованных в ортогональных плоскостях (x,y в плоскости поверхности образца)
Аг = 2<Л - ) (1)
Г Г + ry '
где гх,у - коэффициенты отражения Френеля для соответствующих поляризаций. Для материалов с кубической решеткой при нормальном падении отклик в такой схеме будет равен нулю. Поэтому разница в коэффициентах отражения, а также ее изменения, могут быть вызваны только анизотропией поверхности (например, при росте тонких пленок).
Рис.1. Типичная схема измерений спектроскопии анизотропного отражения [10]
Таким образом, сфера применимости данного метода ограничена процессами, в которых выполняется условие послойного роста, поэтому в настоящее время он используется в комбинации с измерением коэффициента отражения [11, 12].
2. Лазерная оптическая термометрия
Второй, гораздо более универсальный вариант, основан на интерференции зондирующего света внутри измеряемой подложки (рис.2) [13, 14]. Для термометрии стеклянных и кварцевых пластинок применяется обычно Не-Ые лазер с длиной волны 0.63 мкм. При зондировании полупроводниковых пластинок чаще всего используют полупроводниковые лазеры на длинах волн 1.31 и 1.55 мкм.
Рис.2. Принципиальная схема лазерной оптической термометрии. Коэффициент отражения плоскопараллельной пластины равен [15]
I
отр
I
пад
[4Я/(1 - Я2)]Бт2(ф/2) 1 + [4Я/(1 - Я2)]Бт2(ф/2)
(2)
1пад, 1отр -интенсивность, соответственно, падающего и отраженного от подложки света, Я - коэффициент отражения от границы воздух-образец; ф=2пкИ, где к = 2п/Х волновое число, X - длина волны в вакууме, свет падает по нормали. п - показатель преломления образца, И -толщина образца. От температуры зависят как показатель преломления, так и толщина. Однако, в большинстве случаев, преобладающим является именно изменение показателя преломления.
Изменение температуры образца приводит, как видно из (2), к изменению коэффициента отражения. Соответственно из этих измерений вычисляют изменение фазы [16]
Аф = 2к[п(Т )к(Т) - п(Тх )ВД)],
(3)
Применяются различные аппроксимации зависимостей п(Т) и И(Т) [17-20]. Также возможно численное решение уравнения (3) без получения выражений для Т в явном виде. Такой способ является наилучшим при сложных выражениях для п(Т) и И(Т).
Достигнутая относительная точность измерения температуры на стандартных подложках GaAs, характерная для данного варианта, составляет сотые доли градуса, а точность определения толщины десятки ангстрем [21]. Примерно такие же параметры анонсирует компания Jobin Yvon для своей системы TDM-200. К недостаткам данной схемы следует отнести близкое расположение оптических элементов относительно реактора, а также то, что измеряемыми являются не абсолютные величины параметров, а их приращения. Данный подход не позволяет разделить изменения оптической толщины образца, связанные с ростом эпитакси-альной пленки, и изменения, связанные с вариациями температуры. Кроме того, чувствительность аппаратуры сильно меняется во времени и оказывается равной нулю в экстремумах интерференционной картины, что может привести к неправильной интерпретации данных о направлении изменений толщины.
3. Оптическая рефлектометрия
В третьем варианте наблюдают интерференцию внутри наращиваемого слоя (рис.3) [22]. В этом случае часто используется свет с малой длиной когерентности [23].
Рис.3. Схемарефлектометрии «белого» света. Интерференция происходит только в пленке.
Коэффициент отражения для нормально падающего света для двухслойной структуры (однородная пленка на подложке) будет определяться как [24]
R = RaK,
(4)
где
R =
'01
+ r12 exp(-2idß)exp(-ad)
1 + r01r12 exp(-2idß) exp(-ad)
(5)
где Гу = (— N у )/(+ N у ) - коэффициенты отражения от соответствующих границ, = + ¡к{ - комплексный показатель преломления соответствующей среды, а = 4лкх / Я - коэффициент поглощения в пленке, в = 2шх / Я - фазовый набег в пленке, Я - длина волны источника. На рис.4 приведена типичная рефлектограмма ростового процесса [23].
Рис.4. Рефлектограмма процесса роста ОаЫ на сапфире.
Именно на этом принципе работает стандартная аппаратура для мониторинга процессов напыления оптических интерференционных покрытий. В настоящее время компания ЬауТес выпустила модификацию подобной аппаратуры для мониторинга процессов эпитаксиального наращивания полупроводников. Объявленная компанией точность определения изменений толщины составляет 10 нм. Основным недостатком этого метода является его неприменимость для измерения температуры и практически нулевая чувствительность на наиболее важных начальных стадиях роста. Кроме того, основной областью применения данной аппаратуры является мониторинг процессов формирования устройств на основе ОаК, поскольку для ее устойчивой работы требуется большая разность показателей преломления между пленкой и подложкой.
Рис.5. Схема тандемной низкокогерентной интерферометрии.
4. Тандемная низкокогерентная интерферометрия.
Менее распространенной, но достаточно перспективной техникой мониторинга является тандемная низкокогерентная интерферометрия [25,26]. Его суть заключается в следующем (рис.5). Два последовательно связанных интерферометра (линии задержки) освещаются широкополосным источником (БЬБ) с малой длиной когерентности. Интерференция на выходе устройства наблюдается в двух случаях: а) разность длин плеч одного из интерферометров меньше длины когерентности Ь1,2 < Ьсои, Ь) разность разностей длин плеч двух интерферометров меньше длины когерентности |Ь1 - Ь2 | < Ьсоь. Первый интерферометр (измерительный) имеет возможность контролируемой перестройки разности длин плеч, а в качестве второго выступает образец (Б), выполненный в виде прозрачной плоскопараллельной пластин-
ки. При сканировании задержки в первом интерферометре на выходе схемы формируются интерференционный сигнал, состоящий из 2х пиков. Первый пик соответствует нулевой разности длин плеч опорного интерферометра, а второй - моменту совпадения оптических толщин интерферометра и образца. Таким образом, подстраивая длину одно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.