ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2009, том 43, № 3, с. 242-249
-- ПЛАЗМОХИМИЯ
Пленарные доклады 5-го Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии (3-8 сентября 2008 г., Иваново, Россия)
УДК 544.54+544.55
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ
© 2009 г. К. В. Руденко
Физико-технологический институт Российской академии наук 117218, Москва, Нахимовский просп., 36, к. 1 E-mail: rudenko@ftian.ru Поступила в редакцию 20.10.2008 г.
Показана роль диагностики плазмы для прогресса плазменных технологий микро- и наноэлектроники. Рассмотрено применение различных диагностических методов в задачах оптимизации конструкции плазмохимических реакторов, разработки новых технологических процессов и для их текущего мониторинга. Показано, что диагностика плазмы, реализованная in situ, позволяет определить не только момент окончания процесса, но и скорости плазмохимического травления микроэлектронных структур и селективность процессов.
В настоящее время приборные структуры ультрабольших интегральных схем (УБИС) - микропроцессоров, интегральных схем (ИС) динамической памяти имеют элементы размером в десятки нанометров и характеризуются тенденцией к дальнейшему сокращению. Основным активным прибором наноэлектроники является полевой МДП - транзистор (нанотранзистор).
Производство современных УБИС базируется на планарной технологии, в которой процессы структурирования обеспечивается литографией и анизотропным плазмохимическим травлением микро- и наноструктур. С учетом плазмостимулированного осаждения пленок до 40% всех технологических операций при изготовлении ИС используют плазменные гетерогенные процессы в низкотемпературной химически активной плазме. Они следуют сразу за литографией, обеспечивая перенос рисунка в фоторезисте в функциональный слой ИС посредством анизотропного плазмохимического травления (ПХТ) в окнах маски, либо непосредственно предшествуют ей в процессах плазмостимулированного осаждения слоев. Требования, предъявляемые к современным методам структурирования в производстве интегральных схем, таковы, что плазменные технологии микроэлектроники фактически являются нанотехнологиями. Например, для топологических норм УБИС 65-45 нм указано [1], что вариация критических размеров МОП-нанотранзисторов, формируемых на кремниевой пластине 0300 мм, из-за суммарных погрешностей литографии и плазменных технологий не должна превышать 12%, причем треть этой величины - погрешности анизотропного
травления. То есть, погрешности, вносимые только плазменными процессами, не должны превышать 1.5 нм в уже формируемых структурах (2007 г.), а к 2010 г. эти требования ужесточаются до 1.1 нм на пластинах 0450 мм. Одновременно с этим дефекты, вносимые плазменной обработкой в приборные структуры, не должны простираться далее нескольких поверхностных монослоев и должны быть сведены к минимуму.
Теоретическими исследованиями показано [2], что кремниевые МДП-нанотранзисторы сохраняют необходимые параметры вплоть до значений длин канала 6-10 нм, и требования к плазменным технологиям будут еще более жесткими. Тем не менее, альтернативы плазменным процессам, обеспечивающим значительное снижение рабочих температур при высоких скоростях травления/осаждения/модификации ультратонких пленок, не существует. Круг материалов, из которых формируются структуры ИС, полупроводников, металлов, диэлектриков, стремительно расширяется, соответственно расширяется спектр плазменных процессов их обработки при изготовлении ИС.
Решение актуальных задач микро- и нанострук-турирования возможно только с широким привлечением диагностических методов контроля плазменных технологических процессов как на этапе их разработки, так и для постоянного мониторинга процессов в реальном времени [3]. В настоящей работе будут детально рассмотрены возможности, предоставляемые диагностикой плазмы в технологических реакторах микроэлектроники.
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИМЕНЕНИЙ
В ходе развития микроэлектроники произошла смена, как минимум, трех поколений плазмохимиче-ских реакторов, использующих различные типы газового разряда. В настоящее время активно развиваются широкоапертурные реакторы с удаленными источниками плотной плазмы низкого давления (HDP-реакторы) [4, 5], с независимым управлением плотностью ионов в плазме и их энергией в зоне обработки микроструктур. Существенно модифицированы реакторы с Вч емкостным разрядом, использующие двухчастотный (DF-CCP-реакторы) или многочастотный режим [5]. Рабочие давления р = 0.1-50 мТорр в таких реакторах позволяют достичь высокой степени анизотропии процессов травления при переносе топологического рисунка маски, что необходимо для наноразмерных структур, а применяемые типы ВЧ- и СВЧ-разрядов обеспечивают эффективную генерацию плазмы.
Приемлемые скорости реакций травления /осаждения в плазме низкого давления требуют повышения уровня ионных (n) и электронных (ne) концентраций в плазме >1011 см-3, а концентраций активных радикалов nrad > 1013 см 3. При этом накладываются ограничения на электронную температуру плазмы Те < 3-4 эВ для снижения эффектов некомпенсированной зарядки микроструктур [6], содержащих диэлектрики, а также на потенциал плазмы Vp < 20-30 В, который дает возможность контролировать энергию ионов в диапазоне 40-100 эВ, что уменьшает дефектность структур. Весьма важным для широкоапертурных установок, предназначенных для обработки пластин 0300 мм и более, является однородность свойств плазмы по сечению реактора. Отклонения в значениях ni, Те, nrad не должны превышать 1-5% в области, контактирующей с пластиной.
Отправной точкой при конструировании реакторов является создание их аналитического описания и численное моделирование с использованием, как правило, плазмы аргона или простых молекулярных газов в качестве модельной. Однако в технологических процессах микроэлектроники применяется многокомпонентная плазма смесей электроотрицательных газов, которая характеризуется сложной электродинамикой и кинетикой, как объемных физико-химических процессов, так и процессов, протекающих на поверхности обрабатываемой пластины. Именно эти особенности определяют решающую роль методов диагностики плазмы для окончательной оптимизации реакторов под конкретные задачи.
Для целей диагностики реакторов разрабатываются специализированные средства в виде компактных измерительных систем [7], размещаемых в реакторе вместо обрабатываемой пластины: On Wafer Probe™ (Applied Materials), PlasmaTemp™, Plasma-
n¡, 1011 CM-3 3.0
2.5
2.0
1.5
(a)
1.0
-10
Te, эВ 4.4
4.2
4.0
3.8
3.6 3.4 3.2 3.0
-5 0 5 R, cm
(6)
10
-10
-5 0 5
R, CM
10
Рис. 1. Влияние оптимизированной магнитной защиты стенок на радиальное распределение ионной плотности щ (а) и электронной температуры Те (б) в реакторе с планарным ВЧ-источником, плазма А (р = 6 мТорр, = 400 Вт): 1- параметры плазмы в реакторе с магнитной защитой стенок; 2 - параметры плазмы с демонтированной магнитной защитой; 3 - характерный размер обрабатываемой кремниевой пластины.
Volt™ (KLA Tencor), позволяющие с пространственным разрешением контролировать потоки ионов и их энергию, потенциал и температуру пластины. Разработаны также специализированные зондовые, оптические (спектральные), масс-спектроскопиче-ские и СВЧ диагностические устройства [3, 8], исключающие вмешательство в технологический процесс.
Пример применения зондовой диагностики плазмы с подвижным зондом Ленгмюра для оптимизации системы магнитной изоляции (защиты) стенок экспериментального реактора [8] показан на рис. 1. Оптимальная конфигурация пристеночных магнитных полей не только выравнивает концентрационное поле ионов по сечению, но и заметно снижает электронную температуру плазмы. Без данных зондовой диагностики получить неоднородность этих параметров в 2% на диаметре 200 мм было бы затруднительно.
3
2
3
Параметры плазмы технологических газов в ИБР-реакторе (ВЧ индуктивный разряд, 13.56 МГц) [8]
Плазмообра-зующий газ р, мТорр/РКР, Вт п + п е Те, эВ а, (п/ п+)
см -3
Аг 1-25/400-1200 2 х 1011- -2 х 1012 2 х 1011- -2 х 1012 2.6-4.8 ~0.05(погрешность измерений)
И2 2-7/400-800 1.5 х 1011- -3 х 1012 1.2 х 1011- -2 х 1012 5.8-8.3 0.4-0.6
02 1-20/400-800 7 х 1010- -1.4 х 1011 5 х 1010- -1 х 1011 4.6-6.7 0.1-0.5
8Бб 1-20/400-800 4 х 1010- -3.5 х 1011 2.5 х 1010- -2.5 х 1011 4.1-5.3 0.3-0.6
СЩ, 2-10/600-1000 1 х 1011- -4 х 1011 3 х 1010- -9 х 1010 4.0-6.5 0.4-0.7
БР3 1-25/400-1400 1 х 1011- -9 х 1011 7 х 1010- -7 х 1011 3.6-4.3 0.3-0.5
Следует подчеркнуть, что важно проводить корректные зондовые измерения именно в плазме технологических газов, чему препятствует ряд обстоятельств, прежде всего, образование непроводящих пленок на поверхности зонда из плазмы многих газов (СИБ3, С3Ё8, С4Б8, 8Б6 + 02 и др.), так как полимеробразующая плазма широко используется для повышения анизотропии процессов. При низком давлении эти проблемы могут быть решены [9], что позволяет получить параметры плазмы технологических газов и их смесей (таблица).
При сходных внешних параметрах разряда параметры плазмы электроотрицательных газов отличаются от электроположительной плазмы аргона,
причем эти характеристики (п+, пе, Те, а) достаточно индивидуальны.
Более того, отлично поведение этих параметров для плазмы атомных и молекулярных газов при изменении условий разряда, например, по давлению (рис. 2). Физический механизм, лежащий в основе немонотонного поведения п+ = Др) в молекулярной плазме, заключается в перераспределении энергии между процессами ионизации, диссоциации и образования отрицательно заряженных ионов, а характер зависимости пе = Др) определяется балансом ионизации и прилипания электронов.
Для оценки производительности реактора по активным радикалам (игаа) широко используется метод оптической эмиссионной актинометрии [5, 10] (ОА), отличающийся простотой реализации по сравнению с определением ягай при помощи абсорбционной спектроскопии или метода лазерноиндуцированной флуоресценции (ЛИФ). Из рис. 3а видно, что плотность атомарного фтора (пР) во фторсодержащей плазме
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.