ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.082.76
ЗОНДОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ^Р-РЕАКТОРАХ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ В УСЛОВИЯХ ОСАЖДЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК
© 2007 г. К. В. Руденко1, А. В. Мяконьких1, А. А. Орликовский1, А. Н. Пустовит2
Физико-технологический институт Российской АН Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской АН
Поступила в редакцию 03.07.2006 г.
Предложен и обоснован вариант метода Ленгмюровского зонда для измерения параметров плотной низкотемпературной плазмы низкого давления, приводящей в стационарных условиях к образованию диэлектрических пленок на поверхности. В основе метода - поддержание поверхности зонда свободным от непроводящих пленок при помощи циклически используемого режима ионной очистки. На основе физических механизмов формирования призондового слоя ОПЗ установлены временные границы для динамически переключаемого режима ионной очистки и адекватного интервала измерения точки ВАХ. Приведены результаты экспериментальных исследований полиме-робразующей плазмы CНF3 и плазмы аргона в 1СР-реакторе, подтверждающие надежность динамического способа измерения ВАХ зонда в плазме.
ВВЕДЕНИЕ
В КМОП-технологии плазмостимулирован-ные процессы используются как для нанесения тонких диэлектрических слоев, так и анизотропного селективного травления с использованием пассивантов, осаждаемых из плазмы полиме-робразующих газов [1]. В микросистемной технике технология глубокого анизотропного травления кремния целиком базируется на Bosh-процессе [2], в котором стадия осаждения на поверхность полимерной пленки непременно предшествует стадии ионно-стимулированного травления. Несомненно, исследование плазмы такого рода газов и смесей - СЮТ3, CзF8, C4F8, гексаметилдиси-локсана + 02, SiH4 + 02 и др., определение ее параметров, - позволит более целенаправленно подходить к дизайну различных технологических процессов. В частности, имеющиеся требования [3, 4] по ограничению электронной температуры плазмы (Те), используемой для травления структур с диэлектриками, невозможно удовлетворить без измерения величины Те.
Наиболее универсальный способ измерения параметров плазмы - ионной (п) и электронной (пе) плотности, функции распределения электронов по энергиям и эффективной электронной температуры Те, - метод электростатических зондов Ленгмюра [1, 5] весьма сложно использовать в таких условиях в стандартном исполнении. Постоянство электрических свойств поверхности зонда в ходе измерений является одним из определяющих факторов для получения его адекватной вольт-амперной характеристики (ВАХ) в плазме. Очевидно, именно этим фактом объясняется не-
большое количество работ [6, 7], где зондовая диагностика использовалась для измерений в пленкообразующей плазме.
Известны два способа, которые можно привлечь для поддержания поверхности зонда в рабочем состоянии, препятствуя осаждению непроводящих пленок - ионная очистка поверхности и термический нагрев зонда в тех случаях, когда пленка является термически нестабильной [8]. Последнее справедливо, в частности, для полимерных пленок.
Оригинальный подход предлагается использовать в работе [9], где поверхность зонда изначально покрывается диэлектрическим слоем SiO2 известной толщины, так что осаждающаяся в ходе измерений в плазме пленка незначительно изменяет радиус зонда. Измерения зондового тока ведутся в импульсном режиме, при этом связь зонда с объемом плазмы является не гальванической, а емкостной. Анализ и интерпретация полученных данных ведется с учетом этого обстоятельства.
Несмотря на удовлетворительное соответствие импульсных и стационарных зондовых измерений в плазме аргона, полученных в [9], авторы недостаточно анализируют тот аспект, что существующие теории сбора зондом ионов и электронов [5, 8, 10, 11] и выводы из них справедливы для установившегося, квази-стационарного зондового слоя ОПЗ. Этот аспект является весьма существенным, так как известно, что даже не очень значительные отклонения режима работы зонда от электростатического приводят к искажению измеряемой ВАХ и существенным ошибкам при ее интерпретации. Такие ошибки, вы-
т, с 10-6
10-7
10-8
10-9
10
10
10
11
Электроны Ионы СОТ+ Ионы Аг Ионы CF-
109
10
10
10
11
10
12
1013 пр пе, см 3
Рис. 1. Характеристическое время (т) реакции ионов и электронов плазмы СОТ3 и Аг на приложенное электрическое поле.
званные ВЧ-модуляцией потенциала плазмы (¥р) основной и высшими гармониками плазмообразУ-ющего генератора [12] и низкочастотными флук-туациями Ур [13] подробно анализировались ранее, и были преДложены решения этой проблемы.
В настоящем исследовании проведен анализ динамики установления квази-стационарного слоя ОПЗ, удовлетворяющего закону Чайльда-Ленг-мюра, в плотной плазме низкого давления, с тем, чтобы интерпретация ВАХ, получаемая из динамических зондовых измерений, была адекватна зон-довым теориям. На основании этого анализа предложен режим динамической чистки поверхности зонда ионной бомбардировкой, делающий метод более универсальным по отношению к различным загрязнениям поверхности и природе осаждающихся пленок. Метод динамического Ленгмю-ровского зонда (ДЛЗ) реализован на автоматизированном экспериментальном диагностическом комплексе и проверен при исследовании плазмы СНБ3, как обладающей сильными полимеробра-зующими свойствами, с образованием стойких пленок вида -(CF2)n-.
ДИНАМИКА ПРИЗОНДОВОГО СЛОЯ ОПЗ В ПЛАЗМЕ
Очевидно, очистка поверхности ионной бомбардировкой наиболее привлекательна, т.к. поз-
воляет удалять как термически стойкие, так и нестойкие пленки и легко может быть реализована в рамках эксперимента зондовой диагностики подачей соответствующего потенциала на зонд.
Оценки времени установления квазистационарного слоя ОПЗ при скачкообразном смещении потенциала зонда в область V < Ур основываются на характеристическом времени реакции плазмы (т) на приложенное электрическое поле, выраженное
через плазменную частоту (юр) : т = Ю . Для электронов и однозарядных ионов юр записывается в виде
2
Юре =
т е £р
2
е пе
2
®рг =
М1г0
2
е п,
соответственно. Здесь те, Mi - массы частиц, е0 -диэлектрическая постоянная. Для плазмы в интересующем нас диапазоне плотностей п, и пе в технологических реакторах значения т показаны на рис. 1.
При скачкообразном изменении потенциала зонда, находящего в электронейтральной плазме, от значения ^гоЬе ~ Vp в область отрицательных
значений V > \Те\, электроны за время ~ю^, уходя из призондовой области, оставляют нестационарный, матричный слой положительно заряжен-
ных ионов, релаксирующий за существенно большее время (рис. 1). Ток этих ионов на зонд имеет импульсный характер, и по амплитуде значитель-
где 5 - толщина ОПЗ, в - форм-фактор для цилиндрической геометрии зонда.
Следовательно, для проведения корректной зондовой диагностики при динамическом изменении потенциала зонда необходимо вводить временную задержку (td) между установлением зон-дового потенциала и измерением зондового тока, минимальная величина которой (оценка снизу) определяется временем релаксации матричного слоя, т.е. в нашем случае tr ~ 0.1-0.5 мкс.
Аналитическое решение для динамики полного нестационарного ионного тока на поверхность при подаче импульсного потенциала (для планар-ной геометрии) в случае бесстолкновительного слоя было получено в работе [14]. Для нулевого времени нарастания и спада потенциала показано, что переход от матричного слоя к Ленгмюровско-му отвечает соотношению ■ t = 2.7. Отсюда, минимально необходимая временная задержка (td) между установлением зондового потенциала и измерением зондового тока для плазмы с ni = 10101012 см-3 составляет td = 0.3-1.5 мкс.
Наиболее точно интервал td можно определить лишь экспериментально, так как обеднение матричного слоя сопровождается его расширением со скоростью ионного звука uB = (kTJM)112, и приводит к затягиванию установления квази-ста-ционарного ионного тока. Вторая причина, заставляющая обратиться к экспериментальному определению td в плазме технологических реакторов - сложный ионный состав плазмы молекулярных газов и их смесей, вносящий неопределенность в величину ю„г---рг . Очевидно, динамика
ионов с различной массой Mi определяет отличия формы импульсного ионного тока матричного слоя от расчетной.
Прямое измерение динамики ионного тока на зонд нами проведено при помощи цифрового PC-осциллографа PCS-500 ("Velleman Instruments"). На рис. 2 приведены результаты таких измерений в плазме Ar в ICP-реакторе (ni = 5 ■ 1011 см3, P = = 2 мторр). Длительность тестового импульса потенциала составляла 10 мкс. Видно, что нарастающая часть ионного тока (J) по времени совпадает с отрицательным фронтом зондового потенциала (отклонения могли бы наблюдаться только на временных масштабах ~10-9 с, отвечающих юре).
но превосходит ток, ограничиваемый в квазистационарных условиях известным законом Чайль-да-Ленгмюра (бесстолкновительный предел):
(1)
После достижения максимального значения Ji при t = 0.25 мкс происходит обеднение матричного слоя и падение тока до значений, отвечающих закону Чайльда-Ленгмюра. При этом стационарное значение Ji устанавливается в момент td = = 1.9 мкс, что заметно больше, чем предсказывает теория [14]. Положительный фронт импульса потенциала на рис. 2 соответствует переключению зонда из ионной в электронную ветвь ВАХ. Как видно из рисунка, в этом случае форма сигнала тока на зонд полностью повторяет динамику потенциала в пределах временного разрешения эксперимента, что полностью согласуется с оценками, основанными на величине юре. Следует заметить, что в плазме сильно электроотрицательных газов, когда п- > пе, форма тока зонда на положительном фронте импульса потенциала (в электронной ветви ВАХ) может иметь особенности, обусловленные влиянием отрицательных ионов, обладающих малой подвижностью, по сравнению с электронами.
ОЦЕНКИ УСЛОВИЙ ОСАЖДЕНИЯ
НЕПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК НА ЗОНД
При измерении тока на зонд в электронной ветви ВАХ, поток ионов на его поверхность значительно ослабляется или полностью блокируется установленным потенциалом, и, в случ
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.