МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 40, № 5, с. 331-338
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ^^^^^^^^ И МАТЕРИАЛЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 681.787
ОПТИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОДЛОЖКИ И СКОРОСТИ ТРАВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР ПРИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОМ ТРАВЛЕНИИ
© 2011 г. П. В. Волков, А. В. Горюнов, А. Ю. Лукьянов, Д. А. Пряхин, А. Д. Тертышник, В. И. Шашкин
Институт Физики Микроструктур Российской АН E-mail: volkov@ipm.sci-nnov. ru Поступила в редакцию 06.12.2010 г.
Продемонстрирована возможность одновременного определения температуры подложки и толщины тонкой пленки в процессах плазмохимического травления с помощью низкокогерентной тан-демной интерферометрии на примере структуры кремний на изоляторе. Показано, что изменения общей оптической толщины структуры, связанные с изменением температуры, могут быть отделены от изменений физической толщины пленки. Для этого необходимо учитывать изменения амплитуды нулевого интерференционного пика, вызванные изменениями условий интерференции внутри пленки при изменениях ее толщины. Точность определения температуры составила ±1°С. Точность определения толщины составила ±10 нм. Результаты мониторинга процесса травления с хорошей точностью совпали с результатами измерения профиля ступеньки, полученные с помощью профилометра.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время плазмохимическое травление является одним из ключевых этапов при производстве полупроводниковых микро- и наноструктур и приборов на их основе [1—3]. Непрерывное усложнение структур, а также ужесточение требований на воспроизводимость процессов требуют развития методов их мониторинга.
При травлении в плазме температура подложки является очень важным параметром, который влияет на скорость травления, профиль структуры, однородность и др. [4—5]. При этом измерение температуры подложки является, как правило, сложной задачей, поскольку для работы термопары необходимо обеспечить надежный тепловой контакт. Применение пирометров для температур ниже 300°С также проблематично, особенно в присутствии плазменного разряда [6]. В литературе описаны и другие оптические методы контроля температуры: по измерению сдвига линий флюоресценции [7], по измерению сдвига края поглощения [8], лазерная оптическая термометрия [9— 11]. Однако каждый из указанных методов обладает рядом недостатков, не позволяющих использовать эти методы в рутинном производстве.
Одновременно с температурой подложки необходимо контролировать скорость травления (толщину стравленной пленки). Как правило, для этих целей используют зависимость коэффициента отражения широкополосного ("белого") света от толщины пленки [12]. Данный метод хорошо работает на структурах с большим оптиче-
ским контрастом между материалом подложки и материалом пленки (например, структуры кремний на изоляторе, нитрид галлия на сапфире и др.) и оказывается практически неприменимым в обратном случае (например, при травлении сверхрешеток с малым оптическим контрастом).
Данная работа посвящена развитию предложенного ранее метода тандемной низкокогерентной интерферометрии [13, 14] для мониторинга процессов плазмохимического травления. Про-демонстирована возможность объединения данного метода с оптической рефлектометрией, что позволило измерять одновременно и температуру подложки и скорость травления.
2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Схема установки изображена на рис. 1. Устройство содержит низкокогерентный источник света (суперлюминесцентный диод) и пару интерферометров (линий задержки), оптически связанных через оптическое волокно. В роли одного из интерферометров выступает сам образец. Второй интерферометр, опорный, имеет возможность контролируемой перестройки разности длин плеч. Интерференционный сигнал на выходе этой пары интерферометров будет наблюдаться, если разность оптических толщин интерферометров меньше длины когерентности источника света. При этом максимум огибающей сигнала соответствует совпадению толщин (более подробное описание
можно найти в [13, 14]). Для "чистой" подложки без пленки интерференционный сигнал имеет вид автокорреляционной функции излучения широ-
кополосного источника. Например, для источника, спектральная плотность мощности которого описывается функцией Гаусса:
5 (ю)
(Дю)
= ехр
(ю-Юр)
2 (Дю)2
2Л
(1)
где ю0 — центральная длина волны источника, Дю — ширина спектра источника, интенсивность, падающая на фотоприемник, будет иметь вид
I {г) = Iр ехр
(- о1 л
222
2
еов[к( - О)],
(2)
Сок )
где г — разность длин плеч сканирующего интерферометра, Б — оптическая толщина образца, ХсоЬ — длина когерентности источника, к = 2я/Х, где X — центральная длина волны источника. При этом определение положения максимума огибающей
А (г) = Ар ехр
(- о2 л
222
'еоЬ У
(3)
1
соответствует измерениям "по огибающей", а определение фазы заполнения
Ф = кБ (4)
соответствует измерениям "по фазе".
Изменение температуры подложки будет приводить к изменению ее оптической толщины. Эта зависимость обусловлена двумя факторами: температурным расширением образца и изменением показателя преломления. Для полупроводниковых материалов второй фактор является, как правило, доминирующим [11]. Таким образом, регистрируя изменения толщины подложки от известной начальной, можно контролировать ее
температуру [15], используя для пересчета известную заранее калибровочную кривую D(T) [13, 14]. Однако для реального производства интерес представляет мониторинг не "чистой" подложки, а процессов роста и травления многослойных структур.
Наличие тонких, по сравнению с длиной когерентности источника, слоев приводит к искажению формы интерференционного сигнала. Например, при наличии пленки на подложке, если пренебречь многократным отражением, огибающая сигнала будет иметь вид:
О (г) =
(
а1 ехр
(г - О)
2\
12
(
+а2 ехр
'еоИ у
(- (Б+к)
2
22
'еоЬ
(
+ 2а1а2 ехр
(г - Б)) + (-(Б + к))
2
22 ^ 1
'еоИ
еов кк, (5)
где Б — оптическая толщина подложки; к — оптическая толщина пленки, а1,а2 определяются коэффициентами отражения от границ.
Из (5) хорошо видно, что положение максимума огибающей не совпадает ни с одной из толщин образца. Более того, разница между положением максимума огибающей и реальной толщиной образца будет периодически меняться в зависимости от толщины пленки. На рис. 2 приведен теоретический график зависимости изменения положения максимума огибающей низкокогерентного сигнала при изменении толщины пленки (сплошная линия).
Учет многократных переотражений в слоях приведет к появлению соответветствующих дополнительных слагаемых в (5). В результате по-
правка к измеряемой толщине несколько изменится, однако качественно картина останется той же.
Таким образом, определить толщину подложки и слоев в многослойной структуре по положению максимума огибающей с приемлемой для технологических процессов точностью невозможно.
Для решения этой проблемы можно воспользоваться фазовыми измерениями. Фаза сигнала определяется как
Ф = аге1ап
(I (г) вш кг) (г)еов кг),
Рис. 1. Схема установки. БЬБ — суперлюминесцентный диод; ББ — светоделители, М — зеркала; ¥ — оптическое волокно; £ — измеряемый образец толщиной йи с показателем преломления п; РБ — фотоприемник, — оптические разности хода в опорном интерферометре и образце, соответственно.
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 мкм
Рис. 2. Теоретическая зависимость измерения изменения толщины пленки по положению максимума огибающей (сплошная кривая) и фазы заполнения (штриховая кривая).
где скобки (...) обозначают усреднение по г. График зависимости фазы сигнала от толщины пленки приведен на рис. 2 (штриховая линия).
Наличие пленки приводит к тому, что фаза сигнала также претерпевает колебания при изменении ее толщины. Однако амплитуда этих колебаний достаточно мала. Даже для сильно контрастных структур (кремний на изоляторе, GaN на сапфире и др.) величина отклонения фазовой
зависимости от линейной составляет не более 50 нм.
Таким образом, измерение фазы сигнала позволяет контролировать изменение толщины в том числе в многослойных структурах. Однако толщина может меняться в силу двух причин: изменение температуры и травление (рост). Поэтому для правильной интерпретации результатов необходимо разделять температурные и ростовые из-
Д мкм
10
20
30
40
50 I, мин
Рис. 3. Изменение оптической толщины кремниевой подложки в ходе плазмохимического травления.
менения толщины. В данной работе рассмотрены два варианта решения указанной проблемы в условиях плазмохимического травления.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Травление проводилось на установке плазмохимического травления Р1авша1аЪ 80Р1ш.
В первой серии экспериментов использовалась чистая подложка Si без слоев. Подобные эксперименты интересны, в первую очередь, с точки зрения отработки скоростей травления, определения температурных режимов установки и др.
На рис. 3 приведена зависимость оптической толщины подложки в ходе процесса. Травление проводилось в пять этапов. Каждый этап длился 11 минут. Из них в течение одной минуты проводилось травление в плазме SiC14—Аг (мощности емкостного и индукционно связанного разрядов составляли по 50 Вт соответственно), в течение следующих 10 мин подложка остывала.
Из рис. 3 видно, что зажигание плазмы приводит к быстрому нарастанию температуры подложки. За 1 мин температура подложки поднималась до 50°С. В таких условиях температурные изменения толщины полностью маскируют травление (за 1 мин стравливается около 20 нм, а увеличение оптической толщины за счет нагрева составляет 1.7 мкм).
Тем не менее, применение пошагового режима травления позволяет сравнить толщину подложки до и после каждого шага. На рис. 4. приведен
график зависимости толщины стравливаемого слоя от номера шага. Толщина стравливаемого слоя определялась аппроксимацией кривой остывания подложки до стационарного уровня. Видно, что после первого шага толщина стравленного слоя оказалась существенно меньшей, чем в ходе последующих шагов. Мы связываем это с тем, что на первом этапе происходит травление окисного слоя, скорость травления которого существенно ниже, чем скорость травления основного материала п
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.