МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 3, с. 206-221
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.082.76
МОНИТОРИНГ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ
СТРУКТУР ЗОНД ЛЕНГМЮРА
И ОПТИЧЕСКАЯ ЭМИССИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
© 2007 г. К. В. Руденко, А. В. Мяконьких, А. А. Орликовский
Физико-технологический институт Российской АН Поступила в редакцию 25.12.2006 г.
Проведено исследование возможностей зондового и оптического мониторинга плазмохимического травления КМОП-затворных структур р-З^Ю^^ Показано, что комбинация методов в 1СР-реак-торе предоставляет различные возможности для контроля процесса: точного определения момента окончания травления слоев, контроля скоростей травления. Установлено, что гетерогенные реакции травления кремнийсодержащих структур приводят к значительным изменениям фундаментальных параметров заряженных компонентов плазмы в ходе процесса, сказываясь на электронной, ионной плотности и распределении электронов плазмы по энергиям (ФРЭЭ). Значения температуры электронов Те и вид ФРЭЭ для рабочей смеси SF6/O2/Ar в присутствии обрабатываемой пластины значительно отличаются от плазмы Аг, полученной в тех же условиях разряда, и могут быть оптимизированы для минимизации эффектов зарядки структуры. Методами оптической актинометрии установлены зависимости между объемной плотностью атомарного фтора в плазме и скоростью ионно-стимулированного травления р^, ЗЮ2. Предложены способы контролируемого управления селективностью процесса травления.
ВВЕДЕНИЕ
Мониторинг параметров плазменных технологических процессов в реальном времени вызван необходимостью точного контроля технологии при масштабировании КМОП интегральных приборов в суб-100 нм диапазон размеров. В частности, при формировании затворных структур, толщина под-затворного диэлектрика в которых составляет единицы нанометров при топологических нормах <0.25 мкм [1], in situ диагностика параметров процесса может существенно расширить возможности технологии. В плазмохимическом травлении потенциально возможно непосредственно в ходе процесса определять скорости удаления (травления) слоев, селективность процесса по отношению к нижележащему слою и момент окончания травления (endpoint detection - EPD).
Существует два общих подхода к решению такой задачи. Первый, - и наиболее прямой, - диагностика поверхности различными методами в ходе травления, например, интерферометрией или эллисометрией [2]. Основная проблема, возникающая здесь при переходе к наноразмерным приборам, - невозможность локализации диагностирующего пучка на однородном участке поверхности; измеряемый сигнал включает в себя отклик от участков, содержащих различные микроструктуры, что значительно затрудняет интерпретацию данных в рамках существующих теорий для однородных (в плоскости) многослойных
структур. Контроль in situ, таким образом, проводится при сравнении сигнала в реальном времени с заранее записанным и исследованным сигналом-сигнатурой для определения EPD. Второй подход - диагностика in situ объемных параметров плазмы, тем или иным образом связанных с гетерогенными процессами травления на границе плазма - обрабатываемая структура. Классический пример - использование оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС) для определения EPD [3]. В данном случае проблемы возникают лишь в случае очень малой площади (~1-2%) окон травления, тем не менее, существуют решения, позволяющие существенно улучшить отношения сигнал-шум в такой ситуации [4].
Как правило, для диагностики методами ОЭС используется анализ эмиссии нейтральных компонентов плазмы - радикалов, участвующих в гетерогенной реакции, или радикалов-продуктов реакции. Это связано с тем, что типичные пороги возбуждения эмиссионных линий для галогеносо-держащих радикалов невелики и составляют Eth ~ ~ 10-15 эВ, что делает их излучение в плазме с максвелловским распределением электронов по энергиям и температурой Te ~ 3-5 эВ значительно более интенсивным, чем оптическое излучение ионов, для которых Eth ~ 20-30 эВ [5, 6]. Это в сочетании со значительными изменениями концентрации радикалов в плазме в момент достижения границы слоев дает хорошие возможности для определения момента окончания травления.
Вместе с тем, значительное изменение химии плазмы при смене травящихся слоев не может не сказаться также и на параметрах ее заряженных компонентов - ионной (ni+, ni_) и электронной (ne) плотностей, возможно, и на функции распределения электронов по энергиям, электронной температуре. Данное предположение основывается на том, что потоки газообразных продуктов травления микроструктур в объем реактора сопоставимы с потоками технологических плазмообразующих газов [7]. Кроме того, смена электропроводящего слоя, подвергаемого травлению, на диэлектрический (граница p-Si_Siü2) при контакте с плазмой может также повлиять и на потенциал плазмы (Vp), и на плавающий потенциал (Vf).
Поэтому для анализа in situ перечисленных параметров перспективно применение зондовой диагностики плазмы. Попытки применения зондовой диагностики для этих целей проводились и ранее [8, 9]. Однако в реакторах емкостного типа, где были проведены эксперименты, зонд неизбежно попадает в область электромагнитного поля, поддерживающего разряд, и вносит искажения в потоки частиц, истекающих из объема плазмы на обрабатываемую структуру. Тем самым диагностический метод становится возмущающим фактором для технологического процесса.
В настоящее время распространены HDP-ре-акторы с удаленной зоной плазмообразования (remote plasma source), в которых пластина помещается в область диффузионного распространения плазмы [10]. При этом появляется возможность размещения диагностического зонда в периферийной области реактора, что никак не должно сказаться на технологическом процессе. Зондовые исследования плазмы электроотрицательных технологических газов проводятся довольно широко [11-14] и, как недавно было показано нами [15], корректные измерения зондом Ленгмюра в реакционной плазме возможны и в условиях осаждения полимерных пленок в HDP-реакторах. Поэтому применение зондовых методов для мониторинга плазменных технологий вновь становится актуальным.
В настоящей работе представлены результаты детального исследования возможностей зондового мониторинга процесса плазмохимического травления затворных структур p-Si/Siü2/Si. Параллельно проводился мониторинг этого процесса с помощью оптической эмиссионной спектроскопии методом оптической актинометрии.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
In situ диагностика травления структур p-Si(375 нм)^Ю2 (43 нм)^ была проведена на партии из 25 пластин 0100 мм (вариация толщин слоев в партии <5%). Процессы проводились в ICP-
реакторе плотной ВЧ-плазмы (13.56 МГц), входящем в пилотную линейку плазмохимического микроэлектронного оборудования, детально представленную в [16]. Толщина SiO2 в данном эксперименте выбрана относительно большой, чтобы провести детальные зондовые измерения непосредственно в ходе травления этого слоя. Для травления структур использовалась плазма смеси газов SF6/O2 (5%)/Ar (3%), температура пластины стабилизировалась с помощью охлаждаемого стола и гелиевой подушки в зазоре стол - пластина. Зондовые и оптические измерения осуществлялись через независимые порты реактора (рис. 1).
План эксперимента включал проведение травления с варьированием основных параметров технологических режимов: давления в камере (p), расхода газов плазмообразующей смеси (f), ВЧ-мощности, вкладываемой в разряд (Wpl), и мощности ВЧ-смещения, подаваемого на пластину (Wbias). Двух-трехкратный диапазон изменения каждой из величин задает пространство технологических параметров: p = 2.5-5.5 мТорр, f = 60180 ст.см3/мин , Wpi = 400-800 Вт, Wbias = 50-150 Вт, в которых in situ исследовался отклик сигналов зондовой и спектральной диагностики плазмы. Следует подчеркнуть, что условия проведения экспериментов близки к промышленной технологии.
Зондовые измерения проводились в периферийной зоне реактора, на некотором удалении от края пластины, вдали от зоны генерации плазмы и пристеночных магнитных полей (мультиполь-ной магнитной защиты стенок реактора). Такое положение зонда обеспечивает минимизацию его возможного влияния на процесс травления структуры, минимизацию влияния электромагнитных полей на измерения ВАХ и в то же время обеспечивает достаточную чувствительность к изменениям параметров плазмы. Использовался одиночный платиновый цилиндрический зонд Ленгмюра (диаметр зонда r = 0.25 мм, длина l = 6.6 мм). Размеры зонда продиктованы допустимыми токами при измерениях в плотной плазме низкого давления и требованиями приемлемого отношения сигнал/шум с одновременным соблюдением классических ленгмюровских условий при измерениях ВАХ. При p < 10 мТорр длина свободного пробега электронов в исследуемой плазме Xe > 1.5 см, длина свободного пробега ионов - \ > 0.2 см. Толщина зондового слоя ОПЗ 5сл ~ 10rD ~ 10-2 см, что означает выполнение условия тонкого и бес-столкновительного слоя. Выбор материала зонда обусловлен химической устойчивостью платины к фторсодержащей плазме, устойчивостью к ионному распылению, а также достаточно высокой термостойкостью.
Для зондовых исследований использовалась программируемая, гальванически развязанная от плазмы компьютерная измерительная система,
Рис. 1. Камера плазмохимического реактора с планарным 1СР-источником плазмы и удаленной зоной обработки пластины в диффузионной области плазмы: 1 - рабочая камера реактора, Б = 300 мм; 2 - охлаждаемый стол с обрабатываемой пластиной, Б = 150 мм; 3 - система магнитной защиты стенок камеры; 4 - магнитопровод; 5 - кварцевое окно ввода ВЧ-поля плазмообразующего генератора; 6 - каналы водяного охлаждения; 7 - система подачи газа в камеру (газовый душ); 8 - оптические порты для эмиссионной диагностики плазмы; 9 - планарный ВЧ-индуктор; 10 - одиночный зонд Ленгмюра (противозонд - заземленный корпус камеры).
более подробно описанная в [15]. Поскольку до проведения экспериментов было неясно, какие параметры плазмы и участки ВАХ зонда представляют наибольший интерес для мониторинга травления, была разработана многофункциональная программа мониторинга заряженных ком
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.