Способ плазмохимического травления кремния Российский патент 2024 года по МПК H01L21/3065 

Область техники

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано для контроля профиля травления кремниевых пластин во время процесса травления.

Уровень техники

При проведении процессов травления важным является диагностика различных параметров процесса и образцов прямо во время процесса без остановки и вмешательства в процесс, что называется in situ диагностика. Разработка таких способов контроля значительно увеличивает выход годных изделий, упрощает и удешевляет технологический процесс.

Известен патент [RU 2686579 С1], в котором раскрывается способ определения параметров плазменного травления материалов в процессе обработки изделий, который включает измерение параметров модельного образца в виде структуры, образованной первой и второй акустическими линиями задержки (АЛЗ), содержащими входные и выходные электроакустические преобразователи, выполненные на одной грани плоского кристаллического звукопровода, другая противолежащая грань которого открыта для плазменного травления. Недостатком этого метода является сложность детектирования сигналов, а также необходимость создания модельного образца, что усложняет, замедляет и удорожает процесс травления в целом.

Этот недостаток решает использование оптико-эмиссионной спектроскопии (ОЭС). Оптико-эмиссионная спектроскопия ОЭС обычно используется для определения конечной точки процессов плазменного травления. Плазменные переходы реагентов или побочных продуктов испускают фотоны, которые можно обнаружить в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Таким образом, конечная точка обычно основана на увеличении сигнала для реагентов или уменьшении сигнала для побочных продуктов. Конечная точка определяется, когда либо реагенты, либо побочные продукты достигают определенной концентрации.

Так, известны методы определения окончания процесса травления, например патент [US 7648916 В2]. В этом патенте представлены способы контроля и обнаружения оптического излучения при выполнении снятия фоторезиста и удаления остатков с подложки или многослойной пленки на подложке. Изобретение [US 5871658] отражает способ использования оптико-эмиссионной спектроскопии ОЭС для определения количества стравленного материала, а значит и возможность контроля окончания процесса травления. В патенте [US 10847430 В2] также приведены методы и системы для использования оптических спектров для определения конечной точки процесса травления. Диагностику проводят путем эллипсометрии, либо оптико-эмиссионной спектроскопии (ОЭС). Также использование оптико-эмиссионной спектроскопии ОЭС для детектирования окончания процесса травления приведено в патентах [US 10002804 В2; RU 2248645 С2].

Все приведенные способы направлены на определение окончания процесса травления, но при проведении процесса травления важны такие параметры как скорость травления глубина травления и профиль травления. Известен способ, приведенный в патенте [RU 2248646 С2], принимаемый за прототип, раскрывающий 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 дифференциальной оптической актинометрией. Также известно изобретение [CN 101436530], направленное на раскрытие способа управления процессом травления, а именно определения скорости и глубины травления материала in situ с помощью снятия оптических эмиссионных спектров. Недостатком этих изобретений является отсутствие контроля профиля травления, что является одним из ключевых параметров травления.

Недостаток прототипа позволяет нивелировать предлагаемый способ плазмохимического травления, позволяющий in situ контролировать профиль травления кремниевых пластин с помощью оптико-эмиссионной спектроскопии.

В патенте [RU 2692112 С1] приведен способ изготовления сквозных микроотверстий в кремниевой подложке, в котором полученную структуру контролируют после травления с помощью оптического микроскопа или in situ оптическим методом, но при этом не указано, что именно контролируют и не раскрывают как именно in situ проводят контроль.

Технической проблемой, на которую направлено изобретение заключается в повышении точности вытравляемых структур в кремниевой пластине. Для чего во время процесса травления необходимо определять и регулировать профиль травления кремниевых пластин, не останавливая процесса и не доставая образец.

Раскрытие сущности изобретения

Получаемый технический результат заключается в использовании оптико-эмиссионной спектроскопии для определения и регулирования профиля травления кремниевых пластин во время процесса плазмохимического травления (in situ), без его прерывания, используя регистрацию оптических эмиссионных спектров на спектрометре в диапазоне длин волн от 200 до 1120 нм, а именно, эмиссионных спектральных линий углерода с длиной волны 517,1 нм и фтора с длинами волн 685,8 и 703,9 нм. Изменяя газовую смесь (меняя расходы газов с помощью регулятора расхода газа), можно получить определенное значение параметра X, и согласно градуировочному графику будет получен необходимый профиль травления кремниевых пластин, при помощи регулирования подачи газов, исходя из расчетного, что обеспечивает увеличение выхода годных изделий, а также упрощение и ускорение технологического процесса. Технический результат достигается путем использования ОЭС оптико-эмиссионной спектроскопии в установке плазмохимического травления и определения профиля травления по соотношению интенсивностей излучения эмиссионной спектральной линии углерода с длиной волны 517,1 нм и эмиссионных спектральных линий фтора с длинами волн 685,8 и 703,9 нм, которое отображается в параметре X, равном IC/(IF1+IF2), при этом 1С - интенсивность эмиссионной спектральной линии углерода с длиной волны 517,1 нм, IF 1, IF2 -интенсивности эмиссионных спектральных линий фтора с длинами волн 658,8 и 703,9 нм, соответственно, учитывая, что интенсивности эмиссионных спектральных линий пропорциональны концентрации соответствующих атомов. Для корректировки профиля травления кремниевых пластин во время процесса необходимо изменить расход газов с помощью регулятора расхода газа РРГ, до момента получения нужного значения параметра X. При необходимости повторить процедуру изменения расхода газа.

Процесс плазмохимического травления осуществляется на установке с источником индуктивно-связанной плазмы. Для генерации разряда используется высокочастотный (ВЧ) генератор, который через согласующее устройство подключается к индуктору. Для формирования потенциала смещения на подложкодержателе к подложкодержателю подается напряжение частотой 13,56 МГц от отдельного ВЧ-генератора. Задача расходов газа осуществляется через регулятор расхода газа РРГ. Спектры оптического излучения во время процесса плазмохимического травления регистрируются на спектрометре в диапазоне длин волн от 200 до 1120 нм. Спектрометр связан с системой плазмохимического травления с помощью волоконно-оптической системы передачи излучения плазменного разряда на входную щель спектрометра. После окончания процесса плазмохимического травления проводят отключение всех систем и выгрузку образца пластины кремния.

Технический результат состоит в повышении точности вытравляемых структур в кремниевой пластине и достигается путем использования оптико-эмиссионной спектроскопии в установке плазмохимического травления и определения профиля травления по соотношению интенсивностей излучения эмиссионной спектральной линии углерода с длиной волны 517,1 нм и эмиссионных спектральных линий фтора с длинами волн 685,8 и 703,9 нм, которое отображается в параметре X, равном IC/(IF1+IF2), при этом 1С -интенсивность линии углерода, IF1, IF2 - интенсивности линий фтора.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 изображен снимок профиля травления кремниевой пластины 84,3° с растрового электронного микроскопа (РЭМ).

На фигуре 2 изображен снимок профиля травления кремниевой пластины 85,7° с РЭМ.

На фигуре 3 изображен снимок профиля травления кремниевой пластины 90,1° с РЭМ.

На фигуре 4 изображен снимок профиля травления кремниевой пластины 93,7° с РЭМ.

На фигуре 5 изображена градуировочная кривая для определения профиля травления кремниевой пластины in situ с помощью оптико-эмиссионной спектроскопии ОЭС. Параметр X - соотношение интенсивностей излучения эмиссионной спектральной линии углерода с длиной волны 517,1 нм и эмиссионных спектральных линий фтора с длинами волн 685,8 и 703,9 нм.

Реализация изобретения

Патентуемый способ реализуют следующим образом. Образцы загружаются в реакционную камеру, после чего вакуумируют реактор. Перед проведением процесса плазмохимического травления для очистки поверхности образцов от нежелательных загрязнений проводится обработка в плазме аргона в течение 10 минут. Параметры обработки в среде аргона: мощность 1000 Вт, напряжение смещения [-20; -25] В, расход аргона [20-25] 1,75 seem, давление в реакционной камере [0,75-1] Па. После чего проводят процесс плазмохимического травления. Процесс плазмохимического травления ПХТ проводят в среде газов: SF6 в качестве основного травильного газа, a C4F8 в качестве газа-ингибитора травления, давление в реакционной камере в диапазоне [1-2,5] Па, мощность в диапазоне [1000-2000] Вт, напряжение смещения частотой 13,56 МГц, подаваемое от отдельного ВЧ-генератора на подложкодержатель, в диапазоне [15-75] В. Во время проведения ПХТ плазмохимического травления in situ осуществляют регистрацию оптических эмиссионных спектров на спектрометре в диапазоне длин волн от 200 до 1120 нм, а именно, эмиссионных спектральных линий углерода с длиной волны 517,1 нм и фтора с длинами волн 685,8 нм и 703,9 нм. Изменяя газовую смесь (меняя расходы газов с помощью регулятора расхода газа РРГ), можно получить определенное значение параметра X, и согласно градуировочному графику получается необходимой необходимый профиль травления кремниевой пластины.

В случае, если полученное с помощью рассчитанного параметра X и градуировочного графика значение угла профиля травления не удовлетворяет поставленной задаче, то проводят корректировку расхода газов с помощью регулятора расхода газа, через промежуток времени t снова проводится расчет параметра X и определение получаемого угла профиля травления по градуировочному графику. Процесс контроля происходит до окончания процесса травления.

Показания сперктрометра сверяются с расчетной таблицей параметров, вычисляется занчение X и определяется, насколько оно соответствует расчетному. В случае, если значение отличается от расчетного, происходит корректировка подачи газов (с помощью РРГ изменяются расходы газов). Через промежуток времени t производится следующий замер и, при необходимости, состав газов вновь корректируется. Процесс контроля и при необходимости корректировки процесса травления происходит до окончания процесса травления, который также определяется по показаниям замеров спектрометром.

Примеры

Образцы для травления представляли собой пластины монокристаллического кремния КЭФ 4.5 диаметром 76 мм и толщиной 380 мкм. На кремниевых пластинах была сформирована фоторезистивная маска (ma-Р-1275) толщиной 7,5 мкм. Схема окон травления представляла собой набор щелевых структур с линейными размерами 0,5×20, 0,75×20, 1×20 и 2×20 мм. Очистка поверхности образцов проводилась в плазме аргона в течение 10 минут при давлении 0,75 Па, мощности 1000 Вт, напряжении на подложкодержателе -25 В и расходе аргона 21,75 seem. Затем проводится процесс плазмохимического травления при параметрах, приведенных в таблице 1.

Продолжительность травления в каждом из примеров составляет 2 часа. Во время процесса плазмохимического травления были сняты эмиссионные спектры плазмы и рассчитан параметр X. Корректировкой расхода газа получены следующие значения параметра X: 0,1779; 0,32896; 0,39987; 0,77309. На фигуре 1 приведен снимок с РЭМ угла профиля травления, полученного в примере 1. На фигуре 2 приведен снимок с РЭМ угла профиля травления, полученного в примере 2. На фигуре 3 приведен снимок с РЭМ угла профиля травления, полученного в примере 3. На фигуре 4 приведен снимок РЭМ угла профиля травления, полученного в примере 4. Полученные углы профиля травления соответствуют разработанному градуировочному графику, приведенному на фигуре 5.

Изобретение относится к способу вакуумного плазмохимического травления кремниевых пластин. Проводят загрузку в реакционную камеру кремниевых пластин, вакуумируют реактор, подают в реакционную камеру газы, содержащие углерод и фтор, и проводят в указанной среде плазмохимическое травление. Упомянутые газы представляют собой основной травильный газ в виде гексафторида серы SF6 и газ-ингибитор травления в виде октафторциклобутана C4F8. В процессе плазмохимического травления in situ в плазме измеряют интенсивности эмиссионных спектральных линий углерода и фтора без остановки процесса травления. Рассчитывают параметр Х, равный отношению интенсивности излучения эмиссионной спектральной линии углерода с длиной волны 517,1 нм к сумме интенсивностей эмиссионных спектральных линий фтора с длинами волн 685,8 нм и 703,9 нм. Затем по градуировочному графику угла профиля травления от упомянутого отношения интенсивностей с помощью рассчитанного параметра Х получают соответствующее значение угла профиля травления кремния. Упомянутые интенсивности зависят от расходов подаваемых в реакционную камеру упомянутых газов. Изменением расходов указанных газов с использованием регуляторов расходов газов обеспечивают корректировку степени полимеризации газовой среды и регулирование угла получаемого профиля при травлении кремниевых пластин. Обеспечивается повышение точности вытравляемых структур в кремнии. 5 ил., 1 табл.

Способ вакуумного плазмохимического травления кремниевых пластин, включающий загрузку в реакционную камеру кремниевых пластин, вакуумирование реактора, подачу в реакционную камеру газов, содержащих углерод и фтор, и проведение в указанной среде процесса плазмохимического травления, отличающийся тем, что упомянутые газы представляют собой основной травильный газ в виде гексафторида серы SF6 и газ-ингибитор травления в виде октафторциклобутана C4F8, при этом в процессе плазмохимического травления in situ в плазме измеряют интенсивности эмиссионных спектральных линий углерода и фтора без остановки процесса травления, рассчитывают параметр Х, равный отношению интенсивности излучения эмиссионной спектральной линии углерода с длиной волны 517,1 нм к сумме интенсивностей эмиссионных спектральных линий фтора с длинами волн 685,8 нм и 703,9 нм, затем по градуировочному графику угла профиля травления от упомянутого отношения интенсивностей с помощью рассчитанного параметра Х получают соответствующее значение угла профиля травления кремния, при этом упомянутые интенсивности зависят от расходов подаваемых в реакционную камеру упомянутых газов, а изменением расходов указанных газов с использованием регуляторов расходов газов обеспечивают корректировку степени полимеризации газовой среды и регулирование угла получаемого профиля при травлении кремниевых пластин.