CC BY
20
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, ФИЗИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И ФИЗИКА ПЛАЗМЫ
Плазменная очистка аморфного углерода с поверхности многослойных
зеркал в EUV-литографии
Е. М. Малыхина, Д. В. Лопаев, А. Т. Рахимов, Т. В. Рахимова, О. В. Брагинский, А. С. Ковалев, А. Н. Васильева, С.М. Зырянов
Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2.
E-mail: а [email protected]
Статья поступила 31.10.2010, подписана в печать 08.12.2010
Выполнено исследование возможности плазменной очистки от загрязнений углеродом многослойных зеркал, используемых в EUV 13.5 нм литографии. Проведенные эксперименты в безэлектродной плазме поверхностно-волнового разряда низкого давления в гелии и водороде показали высокую скорость, эффективность и селективность такой очистки без повреждения верхнего защитного слоя зеркала даже на атомарном уровне. Определены оптимальные рабочие параметры плазменной очистки, и обсуждается ее возможный механизм.
Ключевые слова: аморфный углерод, EUV-литография, многослойные зеркала, взаимодействие плазмы с поверхностью.
УДК: 533.924. PACS: 81.65.Cf, 61.48+c.Gh, 39.30.+W, 82.20-w.
Введение
В соответствии с Международной программой развития полупроводниковых технологий (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS), EUV (Extreme Ultra Violet) литография на сегодняшний день является наиболее перспективной технологией для создания чипов с характерным размером элемента (half-pitch) hp ^ 22 нм [1]. Основой EUV-литографии являются многослойные зеркала (Multilayer mirrors, MLM). В случае рабочей длины волны 13.5 нм эти зеркала состоят из ~ 50-60 бислоев Mo:Si с толщиной слоя 6.7 нм. Зеркала покрыты защитным слоем рутения толщиной 1.5-2 нм. Таким образом, многослойные зеркала для EUV-литографии представляют собой высокотехнологичные и дорогие изделия, а грубость их поверхности составляет доли длины волны EUV-из-лучения — порядка 0.2-0.3 нм. Одна из проблем, которые необходимо решить для реализации технологии EUV-литографии — это проблема загрязнения
г
Защитным слои Ru
Осажденный углерод
«с
■ Зеркало
1
■
1 10 нм
многослойных зеркал аморфным углеродом, а также окисление верхнего защитного слоя [2]. Рост пленки аморфного углерода и окисление слоя рутения под интенсивным EUV-излyчeниeм приводят к существенному снижению отражательной способности многослойных зеркал (рис. 1).
Для обеспечения высококачественного изображения с Ьр ^ 22 нм на всей поверхности подложки оптическая система EUV-литoгpaфa должна содержать по крайней мере 10 многослойных зеркал. Поэтому даже небольшая потеря отражательной способности на каждом зеркале ведет к существенному ухудшению производительности литографа вплоть до его полной остановки. Для того чтобы удовлетворить требованиям производственного процесса, необходимо, чтобы потери отражательной способности на каждом зеркале не превышали 1.5% [3, 4]. Как видно из рис. 1,6, такая потеря отражательной способности соответствует толщине углеродной пленки всего в несколько нанометров.
б
70
*60 о
а50 §
а 40 &
О 30 20
20 40 60 80 100 Толщина пленки, нм
1.5 нм пленка углерода снижает отражение на 1.5%
Рис. 1. а — ТЕМ фотография многослойного Мо:51 зеркала, загрязненного пленкой аморфного углерода [1]; б — уменьшение отражательной способности зеркала с ростом толщины углеродной пленки [2]
В зависимости от расположения зеркала в литографе, скорость роста углеродной пленки на зеркале варьируется от 0.001 до 0.1 нм/ч [5, 6]. Поэтому без дополнительной очистки время жизни МЬ зеркал сокращается до 100 часов.
Для промышленного использования Е11У-литогра-фии в производстве СБИС необходимо обеспечить достаточно большой ресурс работы Е11У-литогра-фа и соответственно входящей многослойной оптики (~ 30 ООО ч) [6-8]. Для этого необходимо иметь технологию эффективной прецизионной очистки поверхности МЬ зеркал от возникающих загрязнений. Настоящая работа посвящена исследованию возможности такой прецизионной очистки многослойных зеркал в плазме низкого давления.
Особенности такой задачи очистки состоят в том, что, во-первых, необходимо удалять слои углерода на-нометровой толщины, не затрагивая при этом верхний слой зеркала. Во-вторых, система очистки должна быть реализована непосредственно в литографе, поскольку процессы юстировки и настройки оптической системы столь сложны, что удаление зеркал из литографического аппарата для задач очистки недопустимо. В-третьих, необходимо обеспечить высокое качество поверхности зеркала на протяжении всего срока службы. С количественной точки зрения, в процессе очистки необходимо достаточно эффективно удалять углерод (по крайней мере, быстрее, чем он осаждается) и не испортить при этом верхний защитный слой зеркала за все время его эксплуатации (30 тыс. часов). Иными словами, необходимо обеспечить высокую селективность удаления углерода по отношению к рутению ^ :
£С _
Яг
R
Ru
> 103 -104,
(1)
где Л?с — скорость удаления углерода, — скорость удаления рутения.
Для решения подобных задач, на сегодняшний день принято использовать атомарный водород [9]. Это связано с тем, что большинство простейших соединений водорода с углеродом являются летучими. Однако эффективность очистки аморфного углерода атомарным водородом очень низка, что значительно ограничивает скорость и селективность очистки.
Энергия кванта Е11У-излучения с длиной волны 13.5 нм составляет 92 эВ. Фотоны и вторичные электро-
ны, продуцируемые таким излучением, способны в присутствии газа образовывать плазму над поверхностью зеркала. Особый интерес представляет использование такой плазмы для непрерывной (in-line) очистки зеркал непосредственно в камере литографа.
1. Эксперимент
Оценки показали, что параметры плазмы, индуцированной EUV-излучением, близки к параметрам обычной низкотемпературной разрядной плазмы, которая часто используется в микроэлектронике для задач травления и очистки. Поэтому было решено провести модельные эксперименты в низкотемпературной разрядной плазме. Эти эксперименты позволяют исследовать возможность плазменной очистки многослойных зеркал, а также прояснить механизмы удаления аморфного углерода с их поверхности. Экспериментальная установка изображена на рис. 2.
В качестве исходных газов использовались легкие газы: водород и гелий. Водород или гелий при давлении 20 мТор прокачивались через кварцевую трубку диаметром 56 мм. Плазма в трубе образовывалась поверхностно-волновым разрядом на 81 МГц, электроды которого располагались на одном из концов трубки. Характерная особенность плазменного столба в поверхностно-волновом разряде состоит в том, что энергия ионов мало меняется вдоль столба, в то время как плотность плазмы и соответственно поток ионов на поверхность ослабевает по мере удаления от места ввода ВЧ энергии [10].
Образцы располагались вдоль трубки, как в плазме разряда, так и в послесвечении. Такое расположение образцов позволило оценить вклад атомов водорода и измерить зависимость скорости очистки от энергии ионов. Площадь образцов составляла порядка 10^3 от площади противоэлектрода, поэтому образцы фактически играли роль малых плоских зондов. Для оценки энергии падающих на такие зонды ионов были выполнены расчеты энергии ионов методом Монте-Карло. Эти расчеты показали, что энергетический спектр ионов Нд (основной ион в Н2-плазме) и Не+, падающих на поверхность образцов, был пикированным и управлялся отрицательным смещением, подаваемым на образец.
На рис. 3,о приведены типичные зондовые кривые, а на рис. 3,6 — средняя энергия ионов в зависимости от расстояния до электродов (результат расчета).
ВЧ антенна 81 МГц
Актинометрия атомов Н
Н2, Не 20 мТор
Кварцевая труба
Откачка газа
Подвижный ленгмюровский зонд
Рис. 2. Экспериментальная установка для исследования удаления аморфного углерода в разрядной плазме
водорода и гелия
6-10
о
го
£2-10
-210
-150 -100 -50 0 50 Смещение зонда, В
22 24 26 28 30 32 34 Расстояние от электродов, см
Рис. 3. а — зондовые вольт-амперные характеристики в 20 мТор Нз-плазме при 50 Вт вложенной мощности и трех разных положениях зонда (/ — 20 см, 2 — 26 см, 3 — 34 см); б — рассчитанная средняя энергия ионов Не (а) и Нз (•), падающих на образец, в зависимости от положения образца
Параметры плазмы измерялись подвижным ленгмю-ровским зондом, а плотность атомов — с помощью метода актинометрии. В качестве газа-актинометра был использован аргон. Для проведения актинометрических измерений в подаваемые газы было добавлено 10% аргона.
В качестве образцов использовались кремниевые пластинки размером 1 х 1 х 0.4 см с пленкой маг-нетронно-напыленного аморфного углерода толщиной ~20 нм на поверхности, а также модельные Mo:Si зеркала с ~10-нм пленкой магнетронно-напыленного аморфного углерода. Возможность моделирования загрязнений с помощью магнетронно-напыленного углерода исследована в [11].
Толщина пленок углерода измерялась двумя методами: с помощью спектроскопии рамановского рассеяния и рентгеновского флуоресцентного анализа (X-Ray Fluorescence analysis, XRF). В первом случае погрешность измерений составляла 2-3 нм, а во втором — вплоть до монослоя атомов углерода.
Как показали эксперименты, скорость удаления углерода в плазменном послесвечении, где присутствуют только атомы водорода, оказалась на несколько порядков меньше, чем в плазме.
Скорость удаления углерода в плазме водорода и гелия в зависимости от потока ионов показана на рис. 4. Энергия ионов £/, падающих на образцы, варьировалась путем подачи отрицательного смещения.
Учитывая, что плотность аморфной углеродной пленки составляет 1.9 г/см3 [12], скорость удаления углерода была пересчитана из нм/мин в атом/(см2-с).
2. Результаты
В рассматриваемых условиях гелиевой плазмы поверхностно-волнового разряда при давлении 20 мТор основной ион Не+, соответственно в плазме водорода основной ион Hg вследствие быстрой конверсии Н+ в Hg. Это легкие ионы, и вероятность распыления или повреждения ими поверхности зеркала, покрытого «тяжелыми» атомами Ru, минимальна даже при энергии ионов 100 эВ. С другой стороны, нейтрализация ионов Hg на поверхности происходит диссоциативным образом с образованием горячих атомов водорода, в то время как нейтрализация иона Не+ дает только электронно-возбужденный атом. Поэтому в водородной плазме кроме известного чисто кинетического механизма выбивания атомов с поверхности возможен также
и химический механизм удаления углерода ионами Нд за счет реакций с горячими атомами Н. Так как массы ионов Нд и Не+ сравнимы, то различие в эффективности очистки углерода теми и другими ионами будет обусловлено как раз различием в механизме очистки. Сравнивая эффективность удаления атомов С в плазме водорода и гелия, можно сделать выводы об эффективности различных механизмов очистки и выбрать наиболее оптимальный и безопасный в случае очистки МЬ-зеркал.
Как видно из рис. 4, скорость удаления углерода линейно растет с потоком ионов. Поэтому наклон этих прямых можно интерпретировать как вероятность удаления атома углерода одним падающим ионом (водорода или гелия) ¡3. Определенные таким образом вероятности удаления для ионов в водородной и гелиевой плазме при энергии ионов, определяемой потенциалом плазмы, приведены в таблице.
610
13
41013 |1
й я
0 i
и о
0 н
су ев
1
и
210
13
0 2 1014 4 1014 6 1014
2
Поток ионов, ион/(см с)
Рис. 4. Скорость удаления аморфного углерода в Но и Не-плазме в зависимости от потока ионов на заземленные образцы МЬ-зеркал (£¿«25 эВ). ф, А — рамановская спектроскопия, о — измерения ХИР
Вероятности удаления одного атома углерода одним падающим ионом
Плазма Основной ион Энергия ионов Вероятность удаления
Не Не+ 12 эВ 0.128 ±0.006
Н HJ 22 эВ 0.092 ± 0.008
Подобным образом за счет подачи отрицательного смещения на образцы были измерены вероятности удаления аморфного углерода при различных энергиях
§1 1
к ,
10 0.1 1 10 100 1000 10000 Энергия ионов, эВ
Рис. 5. Вероятности удаления аморфного углерода
(• — ионы Не+, ■ — ионы Н^), рутения (молибдена)
(ф — ионы Не+) и графита (о — ионы Не+) в зависимости от энергии ионов
ионов Нд и Не+. Результаты этих измерений приведены на рис. 5. Вероятности удаления рутения, молибдена и графита были взяты из литературных данных [13]. В данных условиях для рутения и молибдена вероятности удаления близки, поэтому на рис. 5 они представлены единой кривой. Как видно из рис. 5, вероятность удаления атома углерода одним ионом Нд или Не+ значительно выше, чем вероятность удаления одного атома рутения или молибдена, особенно при низких энергиях ионов, где разница исчисляется уже порядками. При этом вероятность удаления углерода даже при очень низких энергиях ионов (~10 эВ) очень высока и также значительно превышает вероятность распыления графита. Особенно это характерно для ионов Нд , для которых даже при энергии ~1 эВ вероятность удаления углерода остается высокой, 0.2-0.3. При этом, как видно из рис. 5, при столь малой энергии ионов также наблюдается существенная разница в вероятностях удаления углерода для ионов Нд и Не+ (при этом вероятность удаления С ионами Не+ начинает быстро уменьшаться, что характерно для кинетического механизма, когда есть заметный энергетический барьер для удаления атома с поверхности). Столь высокая вероятность удаления углерода при низких энергиях Нд ионов косвенно свидетельствует о том, что в случае водородной плазмы доминирует именно химический механизм очистки, так как энергии ионов всего в несколько электронвольт недостаточно для кинетического распыления. Наиболее вероятный механизм такого плазмохимического удаления атомов углерода — это поверхностная нейтрализация ионов Нд с образованием «горячих» (с характерной температурой > 1000-5000 К) атомов водорода. Такие атомы водорода способны преодолеть активационные барьеры поверхностных химических реакций (это в некоторой степени соответствует процессу горения углерода в водороде). Однако этот механизм, так же как и обычный механизм кинетического распыления, нуждается в дополнительном исследовании.
При кинетическом механизме удаления атомов с поверхности начальный наклон кривых на рис. 5 при малых энергиях ионов фактически отражает эффективность передачи энергии падающих ионов к поверхностным атомам. В случае тяжелых атомов Ии (Мо) разница между массами падающих ионов и массами атомов
довольно велика, поэтому передача кинетической энергии происходит крайне неэффективно, и соответственно кривая зависимости вероятности удаления от энергии ионов имеет резкий наклон. В случае графита, когда соотношение массы падающих ионов с массой атома уменьшается, передача энергии происходит более эффективно и начальный наклон кривой меньше. В случае аморфного углерода соотношение масс падающих ионов и атомов такое же, как с графитом, и начальный наклон для ионов Не+ подобен тому, что наблюдается для графита. Это косвенно говорит о том, что в случае ионов Не+, по-видимому, кинетическое распыления аморфного углерода является преобладающим.
Для исследования влияния ионной обработки на качество поверхности МЬ зеркал были проведены эксперименты с образцами, моделирующими верхний защитный слой многослойного зеркала. В качестве таких образцов были использованы кремниевые пластинки с нанесенными на них тонкими (2-15 нм) пленками молибдена.
Как видно из рис. 5, порог кинетического распыления молибдена для ионов Не+ составляет 140-160 эВ. В экспериментах было обнаружено, что ионы с энергиями значительно более низкими, чем порог кинетического распыления молибдена, могут модифицировать тонкие (2-3 нм) пленки молибдена, причем количество атомов Мо на поверхности остается практически неизменным (что подтверждается данными Х1?Р-анали-за). Происходит только модификация поверхности — пленка Мо как бы плавится, собираясь в «капельки» субмикронного размера на поверхности образца. На рис. 6 представлены изображения образцов, сделанные с помощью атомного силового микроскопа, до и после обработки низкоэнергетичными ионами Не+ (Е,~ 50-60 эВ).
Как видно на рис. 6, о, пленка 2 нм молибдена до обработки в плазме равномерно покрывает поверхность кремния и является довольно гладкой (грубость < 1 нм). Плавная вариация высоты в горизонтальном направлении является артефактом измерений атомного силового микроскопа. Под воздействием ионов Не+ с энергией ниже порога кинетического распыления Мо наблюдается плавление пленки. Она собирается в «капельки» размером в десятки и сотни нанометров (рис. 6,6). Таким образом, ионы с энергией, близкой к порогу распыления Мо (Ии) могут приводит к существенной модификации очень тонких пленок Мо(Ки), что недопустимо в случае Е11У-литографии. Область возможной модификации защитного слоя МЬ-зеркала показана на рис. 5 заштрихованным треугольником.
Таким образом, следуя полученным данным (см. рис. 5), была оценена селективность процесса плазменной очистки зеркал в зависимости от энергии ионов, график этой зависимости приведен на рис. 7. «Рабочее окно» для энергии ионов, при котором очистка удовлетворяет требованиям полноразмерной Е11У-литографии к селективности и скорости очистки, определяется двумя условиями. Верхняя граница по энергии ионов определяется требованиями минимально допустимой селективности. С ростом энергии ионов, падающих на образец, селективность очистки заметно снижается. При слишком высокой энергии ионы будут не только
Г 1 : Область У модификации А : и плавления А пленок Мо /х'
% Погрешность ////,//,/*//////,/,///7777/7/ ^измерений;
Г~| 14 нм
7 нм
0 нм
Рис. 6. Модификация тонкой 2 нм пленки молибдена под воздействием низкоэнергетичных ионов Не+ (£,: ~ 50-60 эВ): а — до обработки; б — после обработки в плазме. (Изображения поверхности — данные атомного силового микроскопа. Размер поля зрения, представленного на рисунке, 3x3 мкм, высота
варьируется от 0 до 14 нм.)
16000
Минимально допустимая скорость очистки
Минимально допустимая
40 80 120 Энергия ионов, эВ
Рис. 7. Селективность удаления углерода по отношению к молибдену (• — ионы Не+, ■ — ионы Н^). «Рабочее окно» для энергии ионов выделено овалом
удалять загрязнение с его поверхности, но и вызывать модификацию верхнего слоя, что неприемлемо. При низкой энергии ионов верхний слой не будет повреждаться, но и очистка будет происходить слишком медленно, что собственно и определяет нижнюю границу по энергии ионов. Баланс этих двух требований задает «рабочее окно» системы плазменной очистки МЬ-оптики в ЕиУ-литографе, которое представлено окружностью на рис. 7.
Заключение
В настоящей работе экспериментально исследована возможность прецизионной плазменной очистки загрязнений аморфного углерода с поверхности многослойных зеркал для Е11У-литографии. Показано, что низкотемпературная водородная плазма может быть использована для эффективной и бездефектной очистки МЬ-зеркал. Установлены рабочие параметры плазмы, при которых очистка происходит с необходимыми высокими скоростью и селективностью. При этом главную роль в процессе данной плазменной очистки, по-видимому, играет нейтрализация ионов Нд на поверхности, с образованием горячих атомов водорода.
Данный подход открывает перспективы создания технологии управляемой, прецизионной плазмен-
ной ML-оптики непосредственно в процессе работы EUV-литографа, т.е. непрерывно. Учитывая, что плазма, индуцированная EUV-излучением и вторичными фотоэлектронами над поверхностью зеркала, является достаточно «холодной», где температура электронов и соответственно плазменный потенциал малы, то основной вклад в очистку поверхности ML-зеркал могут давать только ионы малых энергий. Поэтому именно механизм поверхностной нейтрализации ионов Hg может стать основой технологии непрерывной очистки ML-оптики в EUV-литографии.
Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (Роснаука) (госконтракт 02.740.11.0235).
Список литературы
1. International Technology Roadmap for Semiconductors. http://www.itrs.net.
2. Banine V., Benschop J. // Proc. SPIE. 2003. 5401. P. 7861.
3. Hill S.B., Faradzhev N.S., Tarrio C.S. et al. 11 Proc. SPIE. 2009. 7271. P. 727113.
4. Malinowski Al, Grunow P., Steinhaus С. et al. 11 Proc. SPIE. 2001. 4343. P. 347.
5. Nakayama Т., Hiromitsu Т., Shigeru T. et al. 11 Proc. SPIE." 2008. 6921. P. 69213.
6. Silverman P.J. 11 J. Microlith. Microfab. Microsyst. 2005. 4, N 1. P. 011006.
7. Seisyan R.P. // Techn. Phys. 2005. 50, N 5. P. 535.
8. Huh S., Kim H„ Yoon G. et al. // Proc. SPIE. 2008. 6921. P. 692115.
9. Morgan C.G., Naulleau P.P., Rekawa S.B. et al. 11 Proc. SPIE. 2010. 7636. P. 76361Q-1.
10. Moisan AI, Pelletier J. Microwave Excited Plasmas. Amsterdam; L.; N.Y.; Tokyo, 1992.
11. Малыхин E.M., Кривченко В.А., Лопаев Д.В. и др. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2011. №> 1. С. 53.
12. Nakayama Т., Miyake A., Takase Н. et al. // Proc. SPIE. 2009." 7271. P. 727113.
13. Справочник констант элементарных процессов с участием атомов, ионов, электронов, фотонов / Под ред. проф. А. Г. Жиглинского. СПб., 1994.
Plasma cleaning of multilayer mirrors in EUV lithography from amorphous carbon contaminations
E. M. Malykhin , D. V. Lopaev, A. T. Rakhimov, T. V. Rakhimova, O.V. Braginsky, A. S. Kovalev, A. N. Vasiiieva, S. M. Zyryanov
Department of Microelectronics, D. V. Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia. E-mail: a [email protected].
Possibility of plasma cleaning of multilayer mirrors used in 13.5 nm EUV lithography from amorphous carbon contaminations was studied. Experiments carried out in low pressure nonelectrode surface-wave discharge plasma indicates high rate, effectiveness and selectivity of such cleaning, without any damage of mirror's top capping layer at atomic level. Optimal operational parameters of plasma cleaning was found, and possible cleaning mechanism discussed.
Keywords: amorphous carbon, Raman spectroscopy, EUV lithogrtaphy, surface photo-processes. PACS: 81.65.Cf, 61.48+c.Gh, 39.30,+w, 82.20-w. Received 31 October 2010.
English version: Moscow University Physics Bulletin 2(2011).
Сведения об авторах
1. Малыхин Евдоким Михайлович — мл. науч. сотр.; тел.: (495) 939-40-64, email: [email protected].
2. Лопаев Дмитрий Викторович — канд. физ.-мат. наук., вед. науч. сотр.; тел.: (495) 939-40-64.
3. Рахимов Александр Турсунович — докт. физ.-мат. наук., зав. отделом, тел.: (495) 939-23-06.
4. Рахимова Татьяна Викторовна — канд. физ.-мат. наук., науч. сотр.; тел.: (495) 939-49-57.
5. Брагинский Олег Владимирович — науч. сотр.; тел.: (495) 939-31-12.
6. Ковалев Александр Сергеевич — докт. физ.-мат. наук., вед. науч. сотр.; тел.: (495) 939-32-43.
7. Васильева Анна Николаевна — канд. физ.-мат. наук., ст. науч. сотр.; тел.: (495) 939-31-12.
8. Зырянов Сергей Михайлович — канд. физ.-мат. наук., мл. науч. сотр.; тел.: (495) 939-40-64.
