Оптические методы мониторинга плазменных процессов Часть 1 Основы

Оптические методы мониторинга плазменных процессов. Часть 1. Основы спектроскопии низкотемпературной плазмы

Плазмостимулированные процессы на поверхности микроэлектронных структур. Кинетика поверхностных реакций Плазмостимулированное травление: 1. Транспорт ХА частиц к поверхности 2. Диффузия и адсорбция ХА частиц по поверхности 3. Реакция адсорбата с атомами поверхности 4. Десорбция продуктов реакции с поверхности 5. Транспорт продуктов реакции в объем - Положительно заряженные ионы - Химически активные нейтралы - Частицы-пассиванты (ингибиторы реакции) Si(s) + 4 F*(g) Si. F 4(g) Si. O 2(s) + CFx*(g) Si. F 4(g) + CO 2(g) ERSi = k·n. F ERSi. O 2 = k·n. CFx k = f (T) – химическое изотропное травление , k ~ exp(-Ea/k. T) k = f (T, fli, Ei, r, …. ) – плазмостимулированное анизотропное травление

Низкотемпературная плазма как объект спектроскопии Характерные параметры плазмы низкого давления. P = 1 -100 м. Торр Ng = 1013 -1015 см-3 ne, ni = 109 – 1012 см-3 Te >> Ti ≥ Tg. , где Te = 1 -10 э. В; Ti , Tg. ≤ 0. 1 э. В. ФРЭЭ: Ediss ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ: 1. Упругие столкновения между частицами 2. Неупругие столкновения, изменение внутренней энергии системы Eion Наиболее общие свойства газоразрядной плазмы в реакторах микроэлектроники: неизотермичность, неравновесность и нелокальность (ФРЭЭ)

Неупругие процессы в газовом разряде, ведущие к заселению возбужденных состояний и их релаксации Возбуждение прямым электронным ударом: X + e X* +e Столкновения с метастабильной тяжелой частицей: X+М* X*+M Диссоциативное возбуждение: XY + e Y + X* + e Резонансное фотовозбуждение: hω + X X* Излучательная деактивация возбужденного состояния: X* X+ hω Тушение возбужденного состояния электронным ударом: X* + e X +e Тушение возбужденного состояния тяжелой частицей: X* + М X +M* Гетерогенная гибель возбужденной частицы на стенке: X* + wall X

Скорость генерации возбужденных состояний. Энергетические пороги и сечения процессов Сечения - возбуждения. ионизации атомов - упругого рассеяния электронов в плазме Ar Константы скорости возбуждения. ионизации атомов и упругого рассеяния электронов в зависимости от Те в плазме Ar (Максвелловская ФРЭЭ)

Излучательные переходы в атомах. Атомные эмиссионные спектры Система энергетических уровней и излучательные переходы в атоме Ar

Истинный контур спектральной линии и наблюдаемый контур Радиационный переход En – Ek E ~ h/ , естественная ширина линии: = 10 - 5 нм -Эффект Штарка (расщепление уровней в электрическом поле), -Доплеровский эффект (следствие теплового движения частиц), -Упругие и неупругие столкновения атомов = 10 - 3 – 10 - 2 нм Ank ~ 1/ – вероятность перехода, n – плотность атомов в плазме Afunc = аппаратная функция спектрометра

Оптические переходы в молекулах. Молекулярные эмиссионные спектры Система уровней и радиационных переходов в молекуле

Оптические переходы с участием пред-ионизационных и пре-диссоциирующих состояний молекул Сплошной спектр – континуум. Излучение возбужденных пре-диссоциирующих состояний в плазме BF 3

Эмиссионная оптическая актинометрия (ОА). Измерение концентрации атомов n. F n. Act – плотность радикалов фтора, актинометра в основном состоянии; ( ) - сечение возбуждения конкретного оптического перехода; Eth – порог возбуждения; f( ) – функция распределения электронов по энергиям. Основные актинометрические соотношения

Эмиссионная оптическая актинометрия (ОА). Условия корректности метода. Основные условия: - Максимальное сечение процесса возбуждения активной частицы и актинометра в состояние, отвечающее регистрируемым переходам, по механизму прямого электронного удара; малая вероятность других каналов возбуждения; - Близость энергетических порогов возбуждения соответствующих оптических переходов: Eth(ch) Eth(act); - Близкие функциональные энергетические зависимости сечений возбуждения спектральных линий: ch(E) const act(E); Дополнительные условия: - Отсутствие существенного самопоглощения в плазме на длинах волн, соответствующих линиям активной частицы и актинометра; - Высокая интенсивность избранной линии актинометра, достаточная для практических измерений при его малом содержании в исследуемой плазме, что минимизирует влияние актинометра на параметры плазмы.

Абсорбционная оптическая спектроскопия Измеренный коэффициент поглощения: h k 0 L - оптическая длина поглощения - параметр линии поглощения f – безразмерная сила осциллятора, p ½ - ширина линии поглощения на полувысоте.

Резюме Ø Оптическая спектроскопия плазмы является развитым методом получения информации о компонентном составе плазмы, объемных концентрациях частиц, макроскопических параметрах плазмы Ø Достоинства – высокая чувствительность, абсолютная неинвазивность, возможности диагностики in situ. Легко адаптируется к промышленным реакторам Доп. Литература: Ю. П. Райзер. Физика газового разряда. М. , 1990. В. Н. Очкин. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. В. Ельяшкевич. Атомная и молекулярная спектроскопия.

Оптические методы мониторинга плазменных процессов. Часть 2. Техника измерений, применение в процессах плазмохимического травления

Методы, применяемые для диагностики плазменных процессов в технологии УБИС Диагностика плазмы в реакторе Диагностика поверхности пластины Оптическая спектроскопия Лазерная интерферометрия Mасс-спектрометрия ионов Эллипсометрия (в т. ч. спектральная) Зонд Ленгмюра Tермометрия пластины СВЧ-диагностика

Области применения диагностических методов Оптимизация конструкции реакторов • Максимум ni, nrad • Минимизация Te, Vp • Пространственная однородность ni, nrad, Te в зоне обработки Разработка новых технологических процессов • Оптимизация внешних параметров процессов (p, f, Wpl, Wbias, Twaf) • Устранение дрейфа параметров в технологическом процессе • Устранение дрейфа параметров при обработке партии пластин (process drift) Мониторинг процессов (контроль в реальном времени) • Определение момента окончания процесса (end-point detection) • Контроль in situ скорости травления/осаждения слоев • Контроль in situ селективности травления • Контроль состояния камеры реактора в циклах очистки

Техника оптической спектроскопии для мониторинга плазменных технологий Классический спектрометр (схема Черни-Тернера) Перестраиваемый акустооптический фильтр R = λ/Δλ Скоростной акустооптический спектрометр Оптический ввод: согласованное оптоволокно Спектральный диапазон: 250 ÷ 855 нм Спектральное разрешение: 0. 15 ÷ 0. 35 нм Время измерения (1 спектр. точка): 16 мс Время перестройки по диапазону: 1 мс Динамический диапазон измерений: 47 д. Б Встроенная калибровка спектрометра по Отсутствие механических перемещений

Мониторинг процессов плазмохимического травления эмиссионной диагностикой плазмы ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ Структуры: poly-Si(375 нм) / Si. O 2 (43 нм) / Si Плазма: SF 6 / O 2 (5%) / Ar (3%)

Спектроскопическая диагностика травления poly-Si/Si. O 2/Si Эмиссионный спектр плазмы SF 6/O 2/Ar (ближняя ИК-область), Si - пластина в реакторе Мониторинг интенсивности линий F*(703. 7 нм), O*(844. 6 нм) и Ar(750. 39 нм) в ходе травления структуры p-Si/Si. O 2/Si

Оптимизация технологических параметров процесса и момент окончания травления: эмиссионная диагностика Spacers formation: Si 3 N 4(150 nm)/Si. O 2(10 nm)/Si etching ICP plasma CF 4+He

Мониторинг плазменного удаления резистивной маски (stripping) Мониторинг интенсивности линии СO*(483. 5 нм) Плазма O 2, fl=30 sccm, WRF = 50 Watt, p = 300 m. Torr

Мониторинг плазмохимического травления абсорбционной спектроскопией Изменение плотности CFx радикалов в СHF 3 плазме как функция скорости травления Si, Si. O 2 и Si 3 N 4. Скорости травления варьировались при помощи изменения потенциала смещения пластины.

Мониторинг процессов PECVD методами абсорбционной спектроскопии IRLAS Корреляция плотности радикалов Si. H 3 в плазме Si. H 4/H 2 и скорости роста пленки a-Si на подложке WRF = 125 Ватт P = 6. 6/(0 -60) Pa fl = 10 sccm Si. H 4 a-Si (substr. ) + 2 H 2 (gas)

Площади окон травления в структурах УБИС Структура травления Структуры затвор +сток/исток МОП-транзистора Доля площади окон травления в площади пластины, % 25 -35 Структура спейсера 5. 0 Структура контакта 2. 2 Контактные площадки 2. 4 Рисунок металлизации 30 - 50 Контактные отверстия для многослойной металлизации 1. 5 - 0. 6 Зависимость нормированного сигнала «ступеньки» эмиссионного end-point детектора от площади окон травления. Структура Si. O 2/Si

Пути построения end-point детектора для малых окон травления Как реализовать end-point детектор для малых площадей травления ? • Мультиволновой эмиссионный мониторинг • Прямая фильтрация сигнала • Модуляционные методы выделения сигнала Анизотропное травление структур Ti. N/poly-Si/Si. O 2 с одновременным измерением уровня эмиссионных линий O*, Si*, Ti* Площадь окон – 5% • Математическая обработка сигнала (в том числе мультиволнового в реальном времени): -нейросетевые алгоритмы; - представление многомерных данных рядом, состоящим из ортогональных функций (Фурье, полиномы Лежандра) и анализ «портрета процесса» .

End-point детектор для малых площадей травления Принцип синхронного (фазового) детектирования эмиссионного сигнала плазмы

End-point детектор с синхронным детектированием сигнала Структура Si. O 2/Si в плазме CF 4+He, ICP-реактор Кривые эмиссионного мониторинга IF* norm (t) процесса травления Si. O 2/Si с модуляцией плазмы и синхронным детектированием сигнала. Площади окон травления: 1 – 1, 5 % ; 2 – 5, 5 % ; 3 - 10 % ; 4 - 30 %.

End-point детектор для малых площадей травления (II) Структура Si. O 2/Si в плазме CF 4+He, НЧЕ-реактор S=9. 2%, Cтандартный ОЭС мониторинг S=1. 9%, Cинхронное детектирование ОЭС-сигнала Минимальная площадь окон травления до 0. 4% 36

Спектроскопическая диагностика травления poly-Si/Si. O 2/Si Эмиссионный спектр плазмы SF 6/O 2/Ar (ближняя ИК-область), Si - пластина в реакторе Мониторинг интенсивности линий F*(703. 7 нм), O*(844. 6 нм) и Ar(750. 39 нм) в ходе травления структуры p-Si/Si. O 2/Si Актинометрические пары линий: F* (λ = 703, 75 нм; 3 p 2 P 3/2 3 s 2 P 3/2) - Ar (λ = 750, 39 нм; 4 p’[1/2]0 4 s’[1/2]1 ) O* (λ = 844, 6 нм; 3 p 3 P 3 s 3 S) - Ar (λ = 750, 39 нм). 29

Скорость травления Si, Si. O 2 и плотность фтора в плазме Точки отвечают индивидуальным технологическим процессам в пространстве параметров {PRF, Pbias, p, fl }. ВОЗМОЖНОСТЬ УПРАВЛЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОСТЬЮ IN SITU 30

Модель динамики актинометрического сигнала , где Граничные условия: Kонстанты реакций:

Результаты. Радиальное распределение фтора и интегральный сигнал актинометрического сенсора

Результаты. Контрольные параметры неоднородности скорости травления по площади пластины (II) Расчетное нормированное время переходной области Экспериментальные результаты d. W=f(b)

Резюме Ø Оптическая спектроскопия плазмы применима в решении широкого круга задач 1) диагностики реакторов, 2) разработки новых технологий и 3) мониторинга плазмохимических процессов Ø Достоинства – высокая чувствительность, абсолютная неинвазивность, возможность компонентного анализа. Легко адаптируется к промышленным реакторам Ø Основной недостаток – для интерпретации данных мониторинга требуются дополнительные сведения о элементарных процессах в объеме плазмы и механизмах реакций на поверхности микроструктур