Диагностика плазменных технологических процессов микро- и наноэлектроники

• Автор: Руденко, Константин Васильевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 298 с. : ил.

Содержание диссертации опубликовано в работах, включая главу в книге Энциклопедия низкотемпературной плазмы, т. XII5, статьи в отечественных и зарубежных научных журналах, труды российских и международных конференций и симпозиумов, а также два патента РФ на изобретения. Библиографический список публикаций автора приведен в конце диссертации.

Личный вклад автора

В исследование, выполненное в рамках настоящей диссертационной работы, автором внесен определяющий вклад в части постановки задач и выбора направлений деятельности, разработке методов диагностики и анализа полученных экспериментальных результатов. Автором лично предложены и поставлены все эксперименты по диагностике плазменных технологий. Его идеи легли в основу разработанных алгоритмов малоракурсной эмиссионной томографии плазмы в плазмохимических реакторах микроэлектроники. Непосредственное участие коллег автора диссертации в исследованиях отражено в виде их соавторства в опубликованных работах см. список публикаций автора. Результаты, составляющие научную новизну диссертационной работы и выносимые на защиту, получены автором лично.

Структура диссертации

Диссертация включает общую характеристику работы, и состоит из 6 глав, заключения, и приложений. Каждая из глав имеет раздел Выводы, в котором суммируются полученные в ней результаты. Все основные полученные результаты и выводы по работе приведены в разделе Заключение.
Глава I вводная содержит анализ требований к плазменным процессам при формировании субмикронных и наноразмерных структур в кремниевых ИС, важнейших физикохимические процессов при взаимодействии плазмы с поверхностью и влияния гетерогенных реакций плазмаповерхность на объемные параметры плазмы, диагностика которых в ходе технологического процесса может служить физическим базисом методов мониторинга i i.
Глава 2 посвящена сравнительному исследованию параметров плазмы в ИППреакторах различных типов, выполненному с использованием автоматизированной методики зонда Ленгмюра. В качестве плазмообразующего газа использовался как аргон, плазма которого используется для сертификации дефакто любого промышленного плазмохимического реактора, так и технологические газы. Проведено сравнение плазмохимических ИППреакторов с различными типами генераторов плазмы микроволновым ЭЦР 2. ГГц и высокочастотным индуктивно связанным ВЧИ, . МГц разрядами. Приведены результаты исследований параметров плазмы 6, 3, 3 , , Н2 для плазмы 3 в таких условиях разрядов параметры плазмы получены впервые.

Показано, что характеризация реакторов, предназначенных для конкретных

плазменных технологий, должна проводиться на плазме применяемых в процессах газов.

Параметры молекулярной химически активной плазмы низкого давления плотность, потенциал плазмы, электронная температура, ФРЭЭ, пространственная однородность параметров в зоне обработки, используемой в технологических процессах, значительно отличаются от атомарной плазмы аргона в таких же внешних условиях разряда. Показано, что предварительная диагностика плазмы позволяет оптимизировать те или иные плазменные реакторы для конкретной технологии.
Глава 3 посвящена возможностям актинометрического спектрального исследования компонентного состава и параметров плазмы в современных реакторах для дизайна плазменных процессов микроэлектроники. В частности, развит метод актиномефического контроля объемной плотности активных радикалов атомарного фтора для плазмы низкого давления. Эта величина в значительной степени определяет скорость плазмохимического травления структур на основе кремния. Исследована плотность атомарного фтора в разрядах 3, 3, в ИППреакторе ВЧИразряд в широком диапазоне давлений 1 мТорр и ВЧмощности 0 Вт. Плотность фтора линейно зависит от вложенной в разряд мощности, а зависимость от давления имеет насыщающуюся кривую. Планарный ВЧИразряд обеспечивает эффективную генерацию химически активных радикалов в условиях низких давлений, степень диссоциации по фтору исходных молекул в разряде составила для плазмы 3 0. 0. для плазмы 3 0. 0. для плазмы 6 0. 0 При р мТорр концентрация активного фтора в ИППреакторе 2xм см3, плазма 6 превосходит эту величину в реакторах с ВЧемкостным разрядом ВЧЕ при р 0 мТорр.
Методом малых добавок азота в плазму 4, 6 спектроскопией умеренного разрешения по частично разрешенным вращательным спектрам 2 системы 2 измерена поступательная газовая температура плазмы фгорсодержаших газов в Iреакторе. Показано, что может достигать К, слабо зависит от давления и линейно от ВЧ мощности, вложенной в разряд. Абсолютное значение поступательной температуры существенно отличается для различных плазмообразующих газов 2, 2, 2. Измеренные значения в ИППреакторе в раза выше, чем в ВЧЕреакторах. Указаны различные аспекты влияния повышенной газовой температуры плазмы на процессы плазмохимического травления микроструктур.
В Главе 4 предложен и обоснован новый вариант метода зонда Ленгмюра
динамический ленгмюровский зонд ДЛЗ 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 импульсной ионной очистки. Установлены временные границы для динамически переключаемого режима ионной очистки и адекватного интервала измерения точки ВЛХ. Предложенный метод ДЛЗ позволяет проводить корректные измерения параметров плазмы полимеробразующих газов в технологических И1Н1реакгорах микроэлектроники. Результаты исследования полимерообразующей плазмы II3 в Iреакторс подтверждают надежность метода динамического Легмюровского зонда.
Зондовой диагностикой i i, в ходе травления структур ii, iiVi установлено, что гетерогенные химические реакции травления кремнийсодержащих структур приводят к значительным изменениям фундаментальных параметров заряженных компонентов плазмы в ходе технологического процесса, сказываясь как на электронной и ионной плотности, так и ФРЭЭ плазмы. В ИППреакторе значение Те и вид ФРЭЭ для плазмы технологической смеси газов значительно отличаются от плазмы Аг, полученной в тех же условиях разряда. Показано, что эти величины могут изменяться в диапазоне установочных параметров процесса давление в камере, мощность, вложенная в разряд, газовые потоки. Для процессов травления, чувствительных к эффектам зарядки поверхности микро и наноструктур, должна проводиться не только оптимизация реактора по минимуму Те на плазме Аг, но и оптимизация ФРЭЭ для минимизации горячих хвостов распределений в реальном процессе травления.
Глава 5 посвящена развитию спектральных методов для i i мониторинга
плазменных технологий. Показано, что методы спектральной эмиссионной
спектроскопии способны быть основой для i детекторов в процессах
плазмохимического травления микро и наноэлектронных структур, содержащих
ультратонкие слои диэлектриков. Эксперимситпьно подтверждена высокая
чувствительность метода вплоть до толщин i 2.2 и 5 нм. Актинометрия активных
радикалов i i является инструментом исследования кинетики гетерогенных реакций
травления микроструктур в плазме. Установлено, что лимитирующим фактором скорости
реакции анизотропного ионностимулированного травления i в плазме
фторсодержащих газов ИППреакторов является концентрация атомарного фтора в
плазме и функциональная зависимость скорости травления от плотности фтора линейна,
причем константа ионностимулировашюй реакции в 3 раз больше константы химического взаимодействия кремний атомарный фтор. Скорость травления i в тех же условиях является линейной функцией как плотности атомарного фтора в плазме, так и энергии ионов, бомбардирующих поверхность. Исследованные особенности травления во фторсодержащей плазме затворной структуры МДПтранзистора позволяют в реальном времени управлять селективностью процесса на границе ii
Предложен и разработан метод синхронного спектрального детектирования момента окончания процесса для малой площади окон травления. Фазовое детектирование эмиссионного сигнала плазмы приводит к резкому ослаблению шумовой компоненты оптической эмиссии, некогерентной с опорным модулирующим сигналом. С его помощью стало возможным регистрировать очень малые относительные изменения среднего уровня интенсивности эмиссии химически активных частиц плазмы в ходе процессов плазмохимического травления. В результате, открыт путь к решению проблемы контроля i i технологий травления микроструктур с суммарной площадью окон 1 от площади пластины. В частности, этот метод позволяет определить момент окончания травления контактных отверстий площадь 0. в системах многоуровневой металлизации УБИС.
Показано, что актинометрический сигнал интегральной концентрации фтора в плазме в момент полного стравливания слоя i на его границе с i может служить количественным показателем неоднородности скорости травления i по площади пластины. На основе моделирования актинометрического мониторинга, подтвержденного экспериментально, определены информативные параметры актиномстричсского сигнала для контроля однородности травления по площади.
Выполнена методическая и инструментальная адаптация спектральной эллипсометрии для i i мониторинга процессов осаждения диэлектрических пленок в ИППреакторах. На примере осаждения i продемонстрированы возможности технологии V по росту пленок с контролем состава и толщины в реальном времени процесса. Чувствительность метода позволяет использовать его в перспективных технологиях плазмостимулированного атомного осаждения.
В Главе 6 развиты алгоритмы малоракурсной эмиссионной томографии плазмы,
которые основываются на методах классической реконструктивной томографии.
Введение


Физика разрядов постоянного тока, НЧ, ВЧ, СВЧразрядов при таких давлениях обеспечивает генерацию низкотемпературной плазмы, в стационарных условиях находящуюся в состоянии, близком к локальному термодинамическому равновесию ЛТР. В результате элементарных процессов между частицами в плазме упругих и неупругих столкновений возбуждения, ионизации атомов и молекул, диссоциации молекул, обменных реакций между нейтральными и заряженными частицами, каждое из которых обладает своим сечением, частотами и энергетической эффективностью, в зоне разряда устанавливаются стационарные плотности всех компонентов. В общем случае компоненты плазмы имеют достаточно близкое к больцмановскому распределение по энергиям для всех состояний, а ионизационный баланс удовлетворяет уравнениям Саха. Однако по отношению к электромагнитному излучению, генерируемому плазмой, как правило, равновесие не соблюдается, так как обычно аЛ аХ линейный коэффициент поглощения излучения, характерный размер, занимаемый плазмой. То есть, термодинамические и транспортные свойства плазмы соответствуют равновесным, за исключением поля излучения. Соотношение температур для электронов Ге и более тяжелых частиц ионов 7, нейтральных молекул или атомов выглядит как Те Т, . Те 1 эВ Т, ,. В. Именно этот факт дает возможность гетерогенным плазмостимулированным процессам на поверхности микроструктур оставаться низкотемпературными. Тем не менее, особенности функций распределения по энергиям электронов и ионов плазмы, и абсолютные значения этих энергий температур в различных типах разрядов существенно отличаются. По мере эволюции интегральных структур ИС от микронных размеров к наноразмерным приборам, требовалась все более мягкая плазма с низкими энергиями ионов и небольшой электронной температурой и одновременно с повышенной степенью ионизации. Следует оговориться, что в данной работе мы не будем рассматривать магнетронные типы разрядов, магнетронные технологии, широко использующиеся для распыления мишеней катодов ионами плазмы высоких энергий, и последующим осаждением материала катода в виде пленки 6, . Эволюция плазменных технологических реакторов для микроэлектроники достаточно подробно рассмотрена в обзорах и монографической статье . Реакторы с ВЧ симметричным и асимметричным емкостным типом разряда ВЧЕ Рис. Как правило, эти условия реализуются при частоте поля 2ч0 МГц и давлениях р 0 мТорр, создавая в межэлектродном промежутке плазму плотностью пе, п 1 Ю см3. При этом ионы плазмы реагируют только на усредннные по времени электромагнитные поля, т. ЭМ ноля, со1 со 1 у2та2У2 . В дальнейшем для повышения производительности ВЧЕреакторов были разработаны варианты с использованием относительно слабого 0 Гс поперечного магнитного поля Рис. Его применение позволило увеличить плотность плазмы при гой же ВЧмощности, введенной в разряд, за счет эффективного ограничения движения высокоэнергетичных ионизирующих газ электронов в небольшом объеме вблизи пластины, и их дополнительного омического и стохастического нагрева при пониженных давлениях 6. Вместе с тем, такое решение порождало дополнительные источники пространственной неоднородности плазмы изза трудностей создания абсолютно однородного магнитного поля но сечению реакгора. Гц. СТвме
Под ГИ
Ппэстлч с . ЗО. Рис. Нельзя не отметить исключительно дальновидное решение, принятое на i в году о создании единой конструкции исследовательского ВЧреактора емкостного типа для изучения механизмов плазмостимулированных реакций и отработки диагностических методов в идентичных условиях. С тех пор около реакторов в лабораториях всего мира , позволили проводить координированные эксперименты, выработать общие подходы к особенностям диагностики плазмы микроэлектронных реакторов, сравнивать и верифицировать результаты моделирования плазмы и реакторов у различных исследовательских групп. Отлаженный на таких реакторах комплекс диагностических методов позволил в короткие сроки оптимизировать для промышленного использования установки нового поколения. ВЧЕреакторы удовлетворяли требованиям, выдвигаемым к плазмохимическим технологиям, пока законы масштабирования интегральных транзисторных структур не привели к минимальному топологическим нормам микроструктур менее 0.