СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ МОМЕНТА ОКОНЧАНИЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ РЕАКТОРА УСТАНОВКИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК H01L21/02 

Изобретение относится к технологии изготовления интегральных схем, приборов силовой электроники и устройств микромеханики (МЭМС) на основе кремния.

Одним из основных технологических процессов при изготовлении изделий микроэлектроники и микромеханики является плазмохимическое травление структур. Наибольшее распространение получили технологические процессы в реакторах с ВЧ-источниками индуктивно-связанной плазмы, ВЧ-источниками на геликонном резонансе и микроволновыми источниками на электрон-циклотронном резонансе, с независимой регулировкой потенциала смещения на обрабатываемой кремниевой пластине. При проведении серии процессов травления, особенно в условиях полимерообразующей плазмы, стенки плазменного реактора покрываются продуктами травления, которые меняют условия баланса активных частиц в плазме, что приводит к ухудшению воспроизводимости технологических процессов в партии обрабатываемых пластин [1]. Для устранения этого эффекта стенки реактора, то есть все внутренние поверхности камеры реактора, включая поверхности всех расположенных внутри технологических механизмов и приспособлений, кондиционируют - очищают от накапливающихся продуктов травления. Одним из способов кондиционирования стенок реактора является обработка в плазме, генерируемой в установке плазмохимического травления, как правило, с использованием кислорода, аргона или фторсодержащих газов. Преимуществом данного способа является отсутствие необходимости механической чистки реактора с разрывом вакуума и остановкой откачки. Однако определение момента окончания чистки и контроль воспроизводимости достигнутых условий затруднены.

Способы определения момента окончания технологического плазменного процесса разрабатываются для определения момента окончания травления слоя материала на поверхности кремниевой пластины. Известны следующие способы определения момента окончания технологического плазменного травления:

1. Способ определения момента окончания травления слоя материала на поверхности пластины, основанный на изменении спектра излучения плазмы, измеряемого в реальном времени [2].

2. Способ определения момента окончания травления слоя материала на поверхности пластины, основанный на изменении отраженного от ее поверхности светового луча от внешнего источника, измеряемого в реальном времени [3].

3. Способ определения момента окончания травления слоя материала на поверхности пластины, основанный на изменении параметров плазмы, измеряемых зондом Ленгмюра [4].

В указанных способах момент окончания травления слоя поверхности пластины определяется по изменению детектируемого сигнала, которое происходит из-за изменения условий в системе плазма-поверхность, вследствие удаления материала, составляющего верхний слой образца. Однако изменение измеряемых сигналов может быть вызвано различными причинами, что может приводить к неоднозначности определения момента окончания технологического процесса. Для устранения этого недостатка в способах (1) – (2) предпринимаются различные меры.

Способ (1) определения момента окончания травления слоя материала на поверхности, основанный на изменении спектра излучения плазмы, измеряемого в реальном времени [2], опирается на анализ относительного изменения интенсивностей излучения различных линий в плазме. Концентрация частиц в плазме, содержащих атомы удаляемого с поверхности слоя, падает, в то время как концентрация частиц, содержащих атомы нижележащей поверхности, начинает увеличиваться, когда эту поверхность начинают травить. Обычно интенсивность излучения частиц в плазме связана с количеством частиц, поэтому рассматривают изменения интенсивностей излучения соответствующих частиц по отдельности или использовать соотношение этих двух компонентов в плазменных спектрах для усиления сигнала. Однако интенсивность излучения линии в плазме зависит не только от количества частиц в плазме, но и от эффективности возбуждения уровней в атоме или молекуле и эффективности излучения линий [5]. Поэтому необходимо определить набор параметров, совокупность которых характеризует изменение концентраций частиц. Недостатком способа является неоднозначность интерпретации изменения сигналов излучения плазмы, что может приводить к ошибкам в определении момента окончания технологического процесса.

Способ (2) определения момента окончания травления слоя материала на поверхности пластины, основанный на изменении отраженного от поверхности светового сигнала от внешнего источника, измеряемого в реальном времени [3], не подвержен сложностям с интерпретацией причин изменения детектируемого сигнала. Внешний источник света через специальное технологическое окно светит на специально подготовленный участок на пластине в процессе травления, и отраженный от поверхности свет попадает на детектор. Коэффициент отражения света от поверхности определяется свойствами данной поверхности, и при завершении травлении одного слоя на поверхности и перехода к другому нижележащему слою коэффициент отражения меняется резко, что приводит к резкому изменению детектируемого сигнала, свидетельствующему об окончании процесса травления. Недостатком данного метода является необходимость подготовки и выделения специальных мест на пластине предназначенных для определения момента окончания травления в этих местах.

Способ (3) определения момента окончания травления основан на использовании данных получаемых при проведении диагностики плазмы методом электростатического зонда Легнмюра, например, с применением в качестве сигнала следующих параметров, измеряемых этим методом: потенциала плазмы, плавающего потенциала, электронной температуры, концентрации положительных и отрицательных ионов, плотности зондового тока насыщения в электронной и ионной ветвях вольт-амперной характеристики. Чувствительность этих параметров к продуктам травления попадающим в объем плазмы определяется кинетикой взаимодействия электронной подсистемы с продуктами травления, что влияет как на равновесное значение электронной температуры, так и как следствие на скорость процессов ионизации и значение равновесных концентраций заряженных частиц.

Рассмотренные выше способы (1), (2) и (3) были предложены как методы определения окончания травления слоя материала на поверхности пластины могут считаться являются прототипов данного изобретения. В настоящем патенте предлагается развить этот подход и применить его для определения момента окончания кондиционирования стенок реактора.

Способ (2) с трудом может быть применен для определения момента окончания чистки стенок в реакторе промышленной установки плазмохимического травления из-за сложностей в технической реализации и локальности места определения оставшейся толщины плёнки загрязнений.

Способ (3) основанный на измерении параметров методами зондовой диагностики наиболее близок к предлагаемому нами способу. Способ основан на измерении одного или нескольких параметров плазмы, определяемых с помощью электростатического зонда Ленгмюра. Измерения производят в референсной плазме аргона создаваемой в перерывах между циклами плазменной чистки с периодичностью 1-5 мин. Под референсной плазмой в данном случае понимается плазма аргона, созданная при определенных внешних параметрах разряда, при которых заранее проведены калибровочные измерения на заведомо чистом реакторе. Достижение воспроизводимости процесса чистки стенок реактора обеспечивает воспроизводимость результатов технологических процессов травления от пластины к пластине.

Сущность предлагаемого способа детектирования момента окончания кондиционирования реактора установки плазмохимического травления, основана на измерении потенциала плазмы методом электростатического зонда Ленгмюра, при этом во время плазменного процесса в реакторе отсутствует обрабатываемая пластина, измерение выполняется в референсной плазме аргона, а детектируемый момент окончания плазменного процесса кондиционирования соответствует моменту завершения очистки стенок реактора от накопившихся загрязнений продуктами травления.

Для улучшения характеристик способа в качестве детектируемого сигнала можно использовать линейную комбинация параметров плазмы, таких как потенциал плазмы, плавающий потенциал, электронная температура, концентрация электронов, концентрация ионов, измеренных методом электростатического зонда Ленгмюра с весовыми коэффициентами, определяемыми в предварительном калибровочном эксперименте, проведенным в чистой камере реактора. Это позволяет намного улучшить чувствительность способа детектирования момента окончания процесса кондиционирования и снизить влияние шумов.

Предлагаемый способ детектирования момента окончания плазменной чистки стенок реактора был реализован и верифицирован на технологическом оборудовании для плазмохимического травления микроэлектронных структур, оснащенном удаленным ВЧ-источником сильно ионизованной плазмы низкого давления с генератором мощностью 3000 Вт на частоте 2 МГц и независимым генератором ВЧ-смещения, позволяющим подавать на обрабатываемую кремниевую пластину отрицательный потенциал смещения в диапазоне 20 – 200 В, при температуре пластины +10 - +50 °С. Изменение характеристик плазмы в процессе чистки носило монотонный характер с достижением значений, характерных для незагрязненного реактора одновременно с исчезновением наблюдаемых линий углерода и фтора в спектрах плазмы. В результате была установлена необходимая продолжительность чистки стенок реактора установки плазмохимического травления после проведения технологических плазменных процессов травления и определена зависимость необходимой длительности чистки от длительности и других характеристик процессов травления. Выполнение измерений может быть автоматизировано, что позволяет прерывать очистку реактора автоматически по достижении требуемых параметров плазмы.

Преимуществом предложенного способа является возможность точного определения момента окончания чистки поверхности стенок от загрязнений продуктами травления, что позволяет сократить время проведения процесса. Применение способа, в котором вместо потенциала плазмы контроль ведется с использованием линейной комбинации параметров плазмы, позволяет повысить точность определения момента окончания процесса очистки.

Источники информации

1. Connors M. K., Plant J. J., Ray K. G., and Turner G. W./ Chamber conditioning process development for improved inductively coupled plasma reactive ion etching of GaAs/AlGaAs materials // Journal of Vacuum Science & Technology B 31, 021207 (2013). 

2. Патент США US 6,969,619 B1, 2005, (Full spectrum endpoint detection, Jaroslaw W. Winniczek).

3. Патент США US 6,081,334, 2000, (Endpoint detection for semiconductor processes, Michael N. Grimbergen, and Thorsten B. Lill).

4. Руденко К.В., Мяконьких А.В., Орликовский А.А. / Мониторинг плазмохимического травления структур poly-Si/SiO2/Si: зонд Ленгмюра и оптическая эмиссионная спектроскопия / Микроэлектроника. 2007. Т. 36. № 3. С. 206-221.

5. Lopaev D., Volynets A., Zyryanov S., Zotovich A., and Rakhimov A./ Actinometry of O, N and F atoms//  J. Phys. D Appl. Phys. 50 (7), 075202 (2017).

Изобретение относится к технологии изготовления интегральных схем, приборов силовой электроники и устройств микромеханики (МЭМС) на основе кремния. Предложен способ детектирования момента окончания кондиционирования реактора установки плазмохимического травления, основанный на измерении потенциала плазмы методом электростатического зонда Ленгмюра, при этом во время плазменного процесса в реакторе отсутствует обрабатываемая пластина, измерение выполняют в референсной плазме аргона, а детектируемый момент окончания плазменного процесса кондиционирования реактора соответствует моменту завершения очистки стенок реактора от накопившихся загрязнений продуктами травления. Технический результат – повышение точности определения момента окончания процесса очистки. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ детектирования момента окончания кондиционирования реактора установки плазмохимического травления, основанный на измерении потенциала плазмы методом электростатического зонда Ленгмюра, отличающийся тем, что во время плазменного процесса в реакторе отсутствует обрабатываемая пластина, измерение выполняют в референсной плазме аргона, а детектируемый момент окончания плазменного процесса кондиционирования реактора соответствует моменту завершения очистки стенок реактора от накопившихся загрязнений продуктами травления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве детектируемого сигнала используют линейную комбинацию параметров плазмы, а именно потенциала плазмы, плавающего потенциала, электронной температуры, концентрации электронов и концентрации ионов, измеренных методом электростатического зонда Ленгмюра с весовыми коэффициентами, определяемыми в предварительном калибровочном эксперименте, проведенном в чистой камере реактора.