СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТРАВЛЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИНОМЕТРИЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники и может быть использовано при производстве как полупроводниковых приборов и интегральных схем, так и приборов функциональной микроэлектроники: оптоэлектроники, акустоэлектроники и др.

Известен способ контроля процессов травления микроэлектронных структур [1] в химически активной плазме путем измерения интенсивности оптической эмиссии продуктов реакции в объеме плазмы на характеристической длине волны, причем в травящемся слое изготавливаются специальные сверхтонкие слои-индикаторы, при удалении которых возникают характерные пики в спектрально разрешенном сигнале оптической эмиссии по мере травления основного слоя. Это позволяет контролировать скорость травления слоя в ходе процесса.

Недостатки этого способа заключаются в усложнении технологии изготовления микроэлектронной структуры, а также в том, что при уменьшении относительной площади окон в литографической маске, открытых для травления, величины пиков контрольных сигналов от слоев-индикаторов становятся сопоставимы по амплитуде со случайными шумовыми флуктуациями оптической эмиссии, вызванными флуктуациями параметров разряда в камере плазмохимического реактора (давление, расходы газов, мощность разряда). Это снижает надежность указанного способа контроля.

Известен способ контроля плазмохимических процессов травления путем определения относительной концентрации химически активных частиц в плазме камеры-реактора методом эмиссионной оптической актинометрии [2]. Он заключается в определении отношения интенсивности оптической эмиссии на характеристических длинах волн химически активной частицы (радикала) (I_reag) к интенсивности эмиссии атомов химически инертного газа-актинометра (I_act), специально добавленного в плазму в известном количестве (n_act) и удовлетворяющего требованиям метода актинометрии, и вычислении содержания химически активного реагента (n_reag) в плазме из соотношения:

где K_act - постоянный актинометрический коэффициент.

Согласно кинетике плазмо-стимулированных поверхностных реакций скорость травления слоя R пропорциональна содержанию активного реагента в объеме плазмы. Таким образом, с использованием калибровочных функций R=f(n_reag) могут быть определены скорости травления слоев, селективность процесса и момент окончания травления в реальном времени [3].

Недостаток данного способа заключается в том, что временные флуктуации давления и потоков газов в камере плазмохимического реактора, неизбежные при работе автоматических систем стабилизации этих параметров, приводят к независимым временным флуктуациям парциальных давлений как газа - источника химически активных частиц, так и газа-актинометра. Это же относится и к флуктуациям уровня отношения интенсивностей оптической эмиссии соответственно. Спектр частот этих колебаний перекрывает области характерных времен изменения для полезного сигнала. Указанный недостаток не позволяет осуществлять контроль процесса травления при малых площадях окон травления в литографической маске микроэлектронной структуры, при котором полезное изменение сигнала (например, в момент окончания травления слоя) маскируется случайными флуктуациями измеряемой величины n_reag, а также ухудшает отношение сигнал/шум при контроле скорости травления слоев и селективности процесса актинометрическим методом.

Наиболее близким техническим решением является способ, предложенный в патенте [4]. Для определения момента окончания процесса плазмохимического травления в нем предлагается использовать эмиссионные сигналы нескольких компонентов плазмы, одновременно выделенные монохроматорами или фильтрами (до 5 каналов). В заданный момент времени, соответствующий выборке, аналоговые сигналы с фотоэлектрических преобразователей этих каналов последовательно коммутируются на вход аналого-цифрового преобразователя и в цифровой форме обрабатываются программой микроконтроллера. Контролируемый выходной параметр является функцией входных интенсивностей эмиссии компонентов плазмы, включающей алгоритмы цифровой фильтрации сигналов (с учетом их величин в предыдущей выборке) и кросс-корреляционную комбинацию нормализованных фильтрованных значений. Момент окончания травления определяется по характерным особенностям на временной зависимости выходного параметра, получаемого в реальном времени процесса. При этом улучшение отношения сигнал/шум контролируемого параметра достигается за счет использования алгоритмов обработки сигнала, подобных нейросетевым [5].

Недостатком данного способа является ограничение возможностей эмиссионного контроля процесса только моментом окончания травления слоя, что обусловлено потерей информации о характере изменений интенсивности индивидуальных эмиссионных сигналов от различных компонентов плазмы при их кросс-корреляционной комбинации.

Применение в данном техническом решении аналогового коммутатора (мультиплексора) сигналов с последовательным перебором каналов исключает возможность использования алгоритмов синхронной обработки индивидуальных эмиссионных сигналов для уменьшения их синфазных флуктуаций.

В техническом решении патента [4] принципиально важно использование значительного числа независимых оптических каналов, поскольку улучшение отношения сигнал/шум и надежность определения момента окончания травления нейросетевыми алгоритмами пропорциональны числу независимых входных потоков данных. Данная особенность усложняет конструкцию устройства.

Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности контроля параметров плазмохимических процессов травления - скорости травления слоев, селективности процесса и момента окончания травления в реальном времени, в том числе и для структур с малой площадью окон, открытых для травления в литографической маске. Предлагаемый способ основан на методе оптической эмиссионной актинометрии плазмы.

На чертеже представлены предлагаемые способ и устройство для контроля плазмохимических процессов травления дифференциальной оптической актинометрией. Здесь показаны сосуд 1 с газовой смесью, автоматическая система газонапуска 2 с несколькими независимыми каналами 4, подающая технологические газы в камеру плазмохимического реактора 3 с обрабатываемой в плазме микроэлектронной структурой и окном для вывода оптической эмиссии плазмы, волоконно-оптический приемник оптической эмиссии плазмы 5, двухканальный монохроматор 6, быстродействующие фотоэлектрические преобразователи 7 и 8 (например, ФЭУ), нормирующий усилитель 9, дифференциальный усилитель 10, устройство управления 11, фильтр низких частот 12 и блок вывода информации 13, в качестве которого может использоваться компьютер, одновременно обеспечивающий управление всеми остальными составляющими устройства.

Поставленная цель достигается использованием предложенного в настоящем изобретении способа контроля методом дифференциальной оптической актинометрии, заключающемся в следующем.

В сосуд 1, например газовый баллон, содержащий газ - источник химически активных радикалов, возникающих при ионизации газа в камере реактора 3, предварительно добавляется известное количество химически инертного газа-актинометра, удовлетворяющего условиям метода оптической эмиссионной актинометрии [2]. Количество газа-актинометра в приготовленной смеси постоянно и выбирается так, чтобы существенно не изменять компонентного состава плазмы в камере реактора, с одной стороны, и иметь интенсивность контролируемой эмиссионной линии актинометра, сравнимую с интенсивностью эмиссионной линии активного радикала, с другой стороны. Это обеспечивается при содержании газа-актинометра в смеси, составляющем 1-5%.

Смесь газа - источника химически активных радикалов и газа-актинометра подается в один канал автоматической системы газонапуска 2, по другим каналам 4 которой в камеру реактора 3 могут подаваться одновременно другие технологические газы.

Оптическое излучение плазмы через оптоволоконную систему сбора излучения 5 направляется в двухканальный монохроматор 6, позволяющий выделить из спектра оптической эмиссии интенсивность эмиссионной линии активной частицы-реагента и линии газа-актинометра в один и тот же момент времени. Затем спектрально разрешенные оптические сигналы синхронно преобразуются в электрические быстродействующими фотопреобразователями 7 и 8, например ФЭУ.

Далее величина сигнала эмиссионной линии актинометра приводится нормирующим усилителем (9) с регулируемым коэффициентом передачи К_norm к уровню сигнала линии активной частицы-реагента, так что:

где - усредненные по времени интенсивности эмиссионной линии реагента и актинометра соответственно.

Нормированный сигнал актинометра и сигнал химически активной частицы вычитаются дифференциальным усилителем 10. При этом синфазные и одинаковые по амплитуде флуктуации сигналов реагента и актинометра, являющиеся следствием работы автоматических систем поддержания давления в камере, расходов газов и мощности разряда, значительно ослабляются. Следует подчеркнуть, что синфазность флуктуации в данном случае обеспечивается предложенной схемой организации напуска газовой смеси.

Балансировка входных сигналов дифференциального усилителя, обеспечивающая постоянный во времени нулевой сигнал его выхода, осуществляется устройством управления 11 при помощи управления коэффициентом передачи усилителя 9.

Чтобы исключить возможность самовозбуждения по цепи обратной связи, полоса пропускания разностного сигнала ограничивается областью частот 0-10 Гц при помощи фильтра низких частот 12, что достаточно для контроля за ходом процесса плазмохимического травления.

Устройство вывода информации 13 обеспечивает индикацию текущих значений параметра усиления нормирующего усилителя К_norm в ходе процесса травления в графическом и цифровом виде. Из формул (ф.1) и (ф.2) видно, что этот параметр пропорционален величине n_reag, что делает данный способ контроля процесса обоснованным для регистрации скорости травления, селективности процесса и момента окончания травления в реальном времени. А именно:

где К_act, n_act - известные величины.

Калибровки скорости травления различных слоев R_1...n=f_1...n(n_reag) проводятся предварительно и являются индивидуальными для конкретного типа плазмохимического реактора и исходного состава газовой смеси.

Пример. Проводили плазмохимическое травление структуры МОП-транзистора, состоящей из слоя поли-кремния (500 нм) на подзатворном диэлектрике SiO₂ (10 нм), сформированном над областью канала транзистора в плазме газовой смеси (85% SF₆+10% O₂+5% Аr), подававшейся системой газонапуска 2 СНА-2 с раздельными газовыми каналами в экспериментальный реактор 3 с ICP-источником плазмы. Давление в камере реактора 3 Р=0.8 Па, общий поток газа f=50 ст. см³/мин, мощность разряда W=800 Вт (частота генератора 13,56 МГц). Площадь окон, открытых для травления, в литографической маске - 10% от площади пластины. Осуществляли контроль процесса методом оптической актинометрии аналогично [2, 3]. Длина волны регистрации активной частицы - атомов фтора равна λ=703,7 нм, частицы-актинометра - атомов аргона λ=750,4 нм. Величина флуктуации контролируемой величины n_reag(F) составила 15% от среднего значения в ходе травления слоя poly-Si. Полезное изменение сигнала на границе poly-Si/SiO₂ (момент окончания травления) - 50% от уровня сигнала в процессе травления poly-Si. Погрешность в определении скорости травления поликремния - 15%. В результате - невозможно надежное определение момента окончания травления поликремния при уменьшении площади открытых окон менее 5%.

Проводили травление той же микроэлектронной структуры с использованием того же оборудования и условий проведения процесса, со способом контроля процесса травления, предложенным в настоящем изобретении. Предварительно приготовленную в баллоне газовую смесь (95% SF₆+5% Аr) подавали в один канал системы газонапуска 2, кислород O₂ подавался в независимый канал 4. Газовые потоки регулировались таким образом, чтобы обеспечить условия в камере реактора 3, идентичные приведенным выше. В качестве монохроматора 6 применялся двухканальный синхронный быстродействующий акустооптический спектрометр “Кварц 2000”. В качестве устройства управления 11 и устройства вывода информации 13 использовался персональный компьютер.

Для образца с площадью окон травления 10% величина флуктуаций контролируемой величины К_norm=f(n_{reag (F)}) составила 4% от среднего значения в ходе травления слоя poly-Si. Полезное изменение сигнала на границе poly-Si/SiO₂ (момент окончания травления) - 50% от уровня сигнала в процессе травления poly-Si. Погрешность в определении скорости травления поликремния составила 4%.

Для образца с площадью окон травления 3% величина флуктуации контролируемой величины К_norm составила 4% от среднего значения в ходе травления слоя poly-Si. Полезное изменение сигнала на границе poly-Si/SiO₂ (момент окончания травления) - 10% от уровня сигнала в процессе травления poly-Si. В этих условиях возможно надежное определение момента окончания травления слоя поликремния и контроль скорости травления поликремния.

Применение способа контроля, предложенного в изобретении, позволяет увеличить отношение сигнал/шум и тем самым уменьшить погрешность в определении параметров процесса травления - мгновенной скорости травления слоев и селективности процесса, а также момента окончания травления в реальном времени, особенно на структурах с малой площадью окон травления.

Источники информации

1. Патент США № 6258497, кл. 430/30, 2001 (PRECISE ENDPOINT DETECTION FOR ETCHING PROCESSES, Kropp et al.).

2. J.W.Coburn, M.Chen. OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY OF REACTIVE PLASMAS: A METHOD FOR CORRELATING EMISSION INTENSITIES TO REACTIVE PARTICLE DENSITY. J. Appl.Phys., v.51, no.6, p.3134-3136, 1980.

3. А.А.Орликовский, К.В.Руденко. ДИАГНОСТИКА IN SITU ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И БЛИЖАЙШИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ. ЧАСТЬ I. Микроэлектроника, т.30, № 2, с.85-105, 2001.

4. Международный патент № WO 97/02593, МКИ H 01 L 21/3065, H 01 J 37/32, 1997. (AN IMPROVED METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING OPTIMAL ENDPOINTS IN PLASMA ETCH PROCESSES, Liu A.F.).

5. А.А.Орликовский, К.В.Руденко, Я.Н.Суханов. ДИАГНОСТИКА IN SITU ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И БЛИЖАЙШИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ. ЧАСТЬ IV. Микроэлектроника, т.30, № 2, с.403-433, 2001.

Использование: при контроле плазмохимических процессов травления в технологии изготовления полупроводниковых приборов в микро- и наноэлектронике. Сущность изобретения: для контроля в реальном времени процессов плазмохимического травления дифференциальной оптической актинометрией выполняется смешение газа - источника химически активных частиц и инертного газа-актинометра, удовлетворяющего условиям оптической актинометрии, в известной пропорции, их подача в камеру реактора и последующее измерение интенсивностей эмиссионной линии химически активной частицы-реагента в поверхностной реакции и эмиссионной линии газа-актинометра в плазме в ходе процесса плазмохимического травления в плазмохимическом реакторе, с реализацией актинометрического алгоритма мониторинга скоростей травления слоев, селективности процесса и момента окончания травления, при этом предварительно изготовленная смесь газа - источника химически активных частиц и газа-актинометра подается в один канал системы газонапуска, а в качестве контролируемого параметра используется сигнал, управляющий нормировкой сигнала интенсивности эмиссионной линии актинометра, при котором разностный сигнал между интенсивностями эмиссии частицы-реагента в поверхностной реакции травления и газа-актинометра на характеристических длинах волн из объема плазмы стремится к нулю. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности контроля параметров плазмохимических процессов травления - скорости травления слоев, селективности и момента окончания травления, в том числе для структур с малой площадью окон в маске. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля плазмохимических процессов травления дифференциальной оптической актинометрией, включающий смешение газа-источника химически активных частиц и инертного газа-актинометра, удовлетворяющего условиям оптической актинометрии, в известной пропорции, их подачу в камеру реактора и последующее измерение интенсивностей эмиссионной линии химически активной частицы-реагента в поверхностной реакции и эмиссионной линии газа-актинометра в плазме в ходе процесса плазмохимического травления в плазмохимическом реакторе с реализацией актинометрического алгоритма мониторинга скоростей травления слоев, селективности процесса и момента окончания травления, отличающийся тем, что предварительно изготовленная смесь газа-источника химически активных частиц и газа-актинометра подается в один канал системы газонапуска, а в качестве контролируемого параметра используется сигнал, управляющий нормировкой сигнала интенсивности эмиссионной линии актинометра, при котором разностный сигнал между синхронно измеряемыми интенсивностями эмиссии частицы-реагента в поверхностной реакции травления и газа-актинометра на характеристических длинах волн из объема плазмы стремится к нулю.2. Устройство для осуществления способа контроля по п.1, включающее систему регистрации спектрально разрешенных интенсивностей эмиссионных линий частицы-реагента и актинометра и автоматическую систему обработки их сигналов по разностной схеме, отличающееся тем, что в нем применен двухканальный монохроматор, обеспечивающий одновременное (синхронное) измерение интенсивностей на двух характеристических длинах волн, и дифференциальный усилитель сигналов этих интенсивностей, балансируемый к нулевому значению нормирующим усилителем по одному из входных сигналов, при этом управляемый коэффициент усиления (параметр нормировки) является выходным контрольным параметром, по значению которого осуществляется мониторинг скоростей травления слоев и момента окончания процесса плазмохимического травления.