СПОСОБ МОНИТОРИНГА ХАРАКТЕРИСТИК ПЛЕНОК ПОРИСТЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ ПОЛУПРОВОДНИКА В УСЛОВИЯХ КРИОГЕННОГО ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК G01J3/42 H01L21/66 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля технологических процессов микроэлектроники в реальном времени. Изобретение может быть применено в технологических реакторах криогенного плазменного травления, не оснащенных эллипсометрическими портами.

С уменьшением топологического размера критических элементов ультрабольших интегральных схем (У БИС), процессы формирования становятся все более требовательными к воспроизводимости процессов нанесения функциональных слоев и технологической обработки материалов интегральных схем. Воспроизводимость технологических процессов существенно страдает в результате так называемого дрейфа параметров вследствие изменения технологических условий, таких как температура стенок реактора, сформированные на них слои переосажденных продуктов реакций и т.п. Для борьбы с дрейфом приняты два подхода: первый, и наиболее прямой, - регулярное кондиционирование реакторов, выполняемое механическими, химическими и плазмохимическими методами, например, травление в кислородной или другой химически активной плазме, и второй, основанный на внедрении методик детектирования окончания процесса. Методики мониторинга параметров тонких пленок в ходе технологических процессов, то есть выполняемые без разрыва технологического процесса, должны удовлетворять ряду требований, главное из них - отсутствие возмущения технологического процесса.

Другая проблема - деградация пористых диэлектриков с ультранизкой диэлектрической проницаемостью [1] при плазменном травлении [2]. Для этого применяют ряд подходов, один из которых - заполнение пор сконденсировавшимся плазмообразующим газом при пониженных температурах образца. Это явление основано на том, что согласно уравнению Кельвина изобара конденсации в порах сдвинута в сторону меньших давлений при заполнении нанопор, по сравнению с конденсацией на гладкой поверхности. Основную сложность в применении этого метода составляет то, что определение степени заполнения пор расчетным методом затруднено тем, что при разработке технологических процессов распределение пор по размерам, как правило, не известно априорно, причем характерные значения среднего радиуса пор составляют 0,5-2 нм, а среднеквадратичное отклонение 0,5-1 нм, что крайне затрудняет их измерение. Кроме того, хотя возможно проведение порометрических измерений с использованием других адсорбатов (изопропанол, толуол) при атмосферном давлении и комнатной температуре, использование этих данных при моделировании адсорбции осложнено тем, что не известны коэффициенты смачивания для плазмообразующих газов и продуктов травления. Это делает актуальной задачу измерения степени заполнения пор конденсатом в условиях криогенных температур и пониженных давлений, то есть в условиях криогенного плазменного травления. Полученные результаты могут быть применены для оптимизации процессов плазмохимического травления пористых диэлектриков, контроля технологических параметров, таких как температура пластины, скорость травления и т.д.

Известны следующие подходы для контроля параметров сплошных не пористых тонких пленок на полупроводниковых подложках:

1. Метод лазерной рефлектометрии [3].

2. Метод спектральной рефлектометрии [4].

3. Метод спектральной эллипсометрии [5].

Способ (1) является распространенным методом и широко используется в научных исследованиях и промышленности благодаря своей надежности. Он основан на измерении интенсивности отражения луча лазера от образца со слоистой структуры. Одним из преимуществ метода лазерной рефлектометрии является техническая простота его осуществления. Для использования в технологическом оборудовании не нужно наличие специальных портов на реакторах, направленных под определенным углом, и метод можно легко использовать для контроля тонких пленок без разрыва технологического процесса. Метод лазерной рефлектометрии измеряет интенсивность отраженного света от образца, которую затем пересчитывают в коэффициент отражения. С использованием уравнений Френеля строится уравнение от нескольких неизвестных параметров, таких как показатель преломления n, коэффициент поглощения k и толщины пленки d. Для решения этой задачи необходимо применения численных методов оптимизации, но из-за ограничения получаемой информации одной длиной волны, это может вызывать неоднозначность результата. Следовательно, для решения этой задачи требуется априорная информация об образце - его исходная толщина или оптические характеристики. Для решения проблемы были разработаны методы многоволновой лазерной рефлектометрии, которые позволяют использовать несколько длин волн для получения более полной информации о слоистой структуре образца. Основная идея заключается в том, что каждая длина волны лазера имеет свой уникальный характер отражения, который может быть использован для получения дополнительной информации о структуре образца. Несмотря на все преимущества, многоволновый лазерный рефлектометр также имеет свои недостатки. Один из них - это необходимость более сложной аппаратуры и программного обеспечения для обработки данных полученных на нескольких длинах волн.

Второй способ (2) является развитием метода лазерной рефлектометрии; в этом методе вместо источника света используется белый свет с широким диапазоном длин волн и в качестве детектора используется спектрометр. Он также может быть использован как для контроля без разрыва технологического процесса толщин однослойных и многослойных структур включающих сплошные непористые пленки, так и для определения оптических характеристик.

Третий известный метод диагностики - метод спектральной эллипсометрии (3), основывается на изменении состояния поляризации света при его отражении от образца. Поскольку в методе используются широкополосные источники света, то это позволяет получать дисперсионные соотношения в широком диапазоне длин волн, что делает данный подход особенно полезным для изучения спектроскопических свойств тонких пленок. В сравнении с другими методами состояние поляризации света можно измерить с более высокой точностью, поэтому метод имеет большую разрешающую способность, до долей нанометра по толщине. Недостатком метода являются требования к наличию специальным образом ориентированных оптических окон, которые должны быть защищены от осаждения пленок. Следующая проблема заключается в разработке оптических моделей образцов, которые учитывали бы все слои, с возможными обратными отражениями. Также при изменении температуры образца, модель должна учитывать изменение оптических параметров и толщин слоев.

Также известен метод, основанный на оптической диагностике и позволяющий измерить пористость, распределение пор по размерам и оптические характеристики пористых диэлектриков - спектральная эллипсометрическая порометрия [6, 7]. Недостатком метода является требования оснащение установки эллипсометрическими портами, направленными под определенным углом с системой защиты от агрессивных процессов, протекающих в реакторе и процесс юстировки оборудования. Также имеет место чрезвычайная сложность решения обратной задачи, которая требует построения сложных оптических моделей, которые бы учитывали все переотражения в слоистой системе исследуемого образца. В настоящее время в России и за рубежом не выпускаются серийные установки криогенного плазменного травления с эллипсометрическими портами. Это делает применение метода спектральной эллипсометрической порометрии невозможным при разработке процессов криогенного плазменного травления. Хотя проведение численных оценок степени заполнения пор в условиях криогенного травления возможно на основе данных атмосферной порометрии при комнатной температуре [8], экспериментальная проверка таких расчетов затруднительна.

Метод (2), который был адаптирован для использования в условиях криогенного травления пористых диэлектриков, можно считать прототипом предлагаемого изобретения. Предлагаемый способ позволяет проводить измерения степени пористости, степени заполнения пор и оптических характеристик пленки пористых диэлектриков, сформированной на подложке из полупроводника. Измерение степени заполнения пор важно для оптимизации процессов криогенного плазменного травления пористых диэлектриков. Пористость и, в частности, распределение пор по размерам определяет механические, электрические и химические свойства пористых материалов.

Предлагаемый способ мониторинга процесса криогенного травления пористых диэлектриков был испытан в установке, включающей в себя оптический зонд с двумя волоконными оптическими волноводами для падающего и отраженного света. В качестве источника света используют белый свет с широким спектральным диапазоном излучения. Отраженный свет попадает в спектрометр, оснащенный системой потокового вывода, после чего данные передают на персональный компьютер с установленным программным обеспечением для сбора данных и решения численных задач оптимизации в реальном времени. Оптический зонд устанавливают в верхний порт технологического реактора, в котором происходит процесс охлаждения образца с использованием жидкого азота и регулируемым диапазоном температур до -150°. При низких температурах и определенных давлениях подаваемого газа в порах пористых диэлектриков происходит адсорбция, что приводит к изменению коэффициента отражения [7]. Для каждого измерения решают численную задачу оптимизации, определяя параметры пленки по спектральному коэффициенту отражения:

Здесь ехр обозначает данные, полученные экспериментально, a mod - рассчитанные с использованием оптической модели. Модельный коэффициент отражения рассчитывают используя матрицу рассеяния, которая учитывает все переотражения и поглощения в многослойных структурах [9], V - пористость образца, которая входит в модель приближения эффективной среды (ЕМА) для расчета оптических характеристик [5, 7]. В другом варианте предлагаемого способа вместо численных методов решения обратной задачи используют предварительно обученные модели машинного обучения, которые определяют дисперсные характеристики, толщину, степень заполнения пор адсорбатом, режим заполнения пор и температуру образца. Перед началом измерения адсорбции в пористом образце производят измерение коэффициента отражения эталонного образа.

Преимуществом предложенного способа, основанного на спектральной рефлектометрии (2), в сравнении с методом (3) в том, что он может быть применен для анализа данных в реальном времени на широком классе установок плазменного травления, поскольку возможность использования интерферометра на вертикальной оси камеры является общей характеристикой многих установок, в то время как возможность установки эллипсометра в промышленных установках встречается крайне редко. Также в сравнении с методом (1) коэффициент отражения измеряется в большом спектральном диапазоне, поэтому нет необходимости наличия априорной информации об образце.

Предложенный способ позволяет выполнять измерения характеристик пористых пленок диэлектриков с порами характерных размеров от 0,5 до 50 нм из органосиликатного стекла (OSG) и проводить диагностику процессов травления в реальном времени с быстродействием не хуже 0,1 секунды. В одном варианте способа вместо численного метода оптимизации используются заранее обученные модели машинного обучения на основе нейронных сетей. С их помощью помимо пористости, распределения пор по размерам и оптических характеристик можно контролировать температуру образца и режим заполнения пор. При этом не требуется оснащение установки эллипсометрическими портами, что расширяет класс установок травления на которых применим метод. Быстродействие вычислительного алгоритма, основанного на методах численной оптимизации или регрессионных моделях машинного обучения, позволяет получать результаты измерений характеристик пленок в реальном времени. Это значительно превосходит результаты эллипсометрической порометрии, где время измерения составляет нескольких секунд.

Источники информации:

1. Volksen, W., Miller, R.D. and Dubois, G. Low dielectric constant materials // Chem. Rev. Vol. 110, pp. 56-110, 2010.

2. Baklanov M.R. et al. Plasma processing of low-k dielectrics // Journal of Applied Physics. AIP Publishing, 2013. Vol. 113, №4.

3. Orlikovskii, A.A. and Rudenko, K.V. In situ diagnostics of plasma processes in microelectronics: The current status and immediate prospect, Part III // Russian Microelectron. 2001. V. 30. P. 275-294.

4. Патент США US 10,438,825B2 (Spectral reflectometry for in - situ process monitoring and control, P. Jain et al.

5. Jellison G.E. and Modine F.A. Handbook of Ellipsometry ed. H.G. Tompkins and E.A. Irene // Springer, New York. 2005. Chap. 6 (Про эллипсометрию).

6. Патент США US 6435008 В2 (Apparatus and method for determining porosity, M.R. Baklanov et al.).

7. Shamiryan, M.R., Baklanov, S., Vanhaelemeersch and K. Maex. Comparative study of SiOCH low-k films with varied porosity interacting with etching and cleaning plasma // Journal of Vacuum Science & Technology. 2002. V. 20(5). P. 1923-1928.

8. Rezvanov A.A., Gornev E.S., et. al. Adsorption isobars of fluorocarbon compounds selected for cryogenic plasma etching of low-k dielectrics // ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА. СЕРИЯ 3: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА. V(1). 2015.

9. Azzam R.M.A., Bashara N.M. Ellipsometry and Polarized Light // North-Holland, Amsterdam, The Netherlands. 1977.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля технологических процессов микроэлектроники в реальном времени и касается способа мониторинга характеристик пленок пористых диэлектриков на подложке из полупроводника. Способ основан на использовании системы спектральной рефлектометрии, включающей в себя оптический зонд с двумя волоконными световодами для падающего и отраженного лучей, источник белого света и спектрометр. Измерение характеристик выполняют в условиях криогенного плазменного травления и результаты получают в реальном времени, для чего используют систему потокового вывода данных и персональный компьютер с установленным программным обеспечением для сбора данных и решения обратной задачи рефлектометрии для определения степени пористости, толщины, показателя преломления, степени заполнения пор сконденсированным адсорбатом и температуры полупроводниковой подложки, с помощью численных методов оптимизации или регрессионной модели машинного обучения. Технический результат заключается в обеспечении возможности выполнения измерений в реальном времени при криогенном плазменном травлении и расширении класса установок травления, на которых способ применим.

Способ мониторинга характеристик пленок пористых диэлектриков на подложке из полупроводника, основанный на использовании системы спектральной рефлектометрии, включающей в себя оптический зонд с двумя волоконными световодами для падающего и отраженного лучей, источник белого света, спектрометр, отличающийся тем, что измерение характеристик выполняют в условиях криогенного плазменного травления, результаты получают в реальном времени, для чего используют систему потокового вывода данных и персональный компьютер с установленным программным обеспечением для сбора данных и решения обратной задачи рефлектометрии для определения степени пористости, толщины, показателя преломления, степени заполнения пор сконденсированным адсорбатом и температуры полупроводниковой подложки, с помощью численных методов оптимизации или регрессионной модели машинного обучения.