CC BY
73
УДК 539.23
УСТРОЙСТВА ДЛЯ зондового КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССОВ ионноПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
ФАРЕНИК В.И.
Описывается серия приборов “Контроль”, предназначенных для контроля плазменных технологических процессов с использованием специально разработанных схем компенсации и обработки зондового сигнала, а также оригинальных алгоритмов анализа кривых травления. Приборы позволяют производить надежную регистрацию момента окончания процессов травления различных функциональных многослойных покрытий, рельефных структур в технологии микроэлектронной промышленности при ионно-лучевом и плазмо-химическом травлении и могут быть легко интегрированы в цепочку технологических операций с возможностью их полной автоматизации. Представляются результаты испытаний приборов “Контроль” в различных технологических процессах на промышленных установках. Отмечается высокая точность контроля по толщине стравливаемого слоя, хорошее разрешение по площади стравливаемой поверхности, отсутствие запаздывания сигнала об окончании процесса по времени.
Формирование микроструктуры различных функциональных слоев в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем обычно производится путем травления через маску, сформированную в слое фоторезиста, причем в последние годы в большинстве технологических операций произошло вытеснение традиционного жидкостного химического травления различными методами “сухого” ионно-плазменного травления в вакууме. Наиболее распространенными из них являются ионнолучевое травление (ИЛТ), реактивное ионно-лучевое травление (РИЛТ), плазмо-химическое травление (ПХТ) [1-3]. При этом одной из ключевых проблем, определяющих процент выхода годных изделий, является фиксация момента окончания процесса травления.
В настоящее время наиболее распространены следующие методы контроля момента окончания плазменных технологических процессов (ПТП): эмиссионно-спектральные, масс-спектрометрические, оптические, контактные.
Эмиссионно-спектральный метод диагностики плазмы одним из первых был применен для контроля ПТП. Он основан на регистрации изменения интенсивности собственного излучения исходных компонент плазмы или продуктов реакций. Можнотакже контролировать излучение распыленных атомов материала подложки. Большим достоинством метода является его высокая информативность о происходящих процессах, в то же время он не влияет на характеристики разряда. Подходящую для регистрации линию спектра можно выявить с помощью эмиссионного спектрометра. После этого дорогое и громоздкое оборудование можно заменить простым узкополосным оптическим фильтром, пропускаю-
щим излучающие свет компоненты, и интенсивность излучения непосредственно не связана с концентрацией соответствующего компонента в плазме. Использование эмиссионной спектроскопии для контроля ПТП ограничено областью плазмы разряда и практически невозможно, если травление происходит вне плазмы (например, при травлении свободными радикалами или при таких конструктивных особенностях реактора, когда плазма не видна). Определение момента окончания травления затруднено вследствие плавного спада интенсивности излучения, а также из-за трудности выделения характерного излучения, которое обычно маскируется интенсивными соседними линиями. Неблагоприятно влияют на регистрацию излучения плазмы такие факторы, как наличие примесей в рабочем газе. Кроме того, при давлении более 1 Па обычно очень трудно идентифицировать характерное излучение удаляемого слоя на фоне интенсивного свечения газоразрядной плазмы.
К масс-спектрометрическим методам контроля относится и масс-спектрометрия продуктов реакции; ионов пучка, отраженных от обрабатываемой поверхности; частиц, выбитых с поверхности. Масс-спектрометрический контроль можно осуществлять как по массовым пикам продуктов реакции, характерным только для травления данного слоя, так и по изменению интенсивности массовых пиков, присутствующих при травлении соседних слоев покрытия
[4]. В первом случае возникновение и исчезновение пика в спектре характеризует, соответственно, начало и конец травления слоя, во втором — моменту окончания травления слоя будет соответствовать переход к другой интенсивности массового пика, связанной с отличием в скоростях травления соседних слоев.
Благодаря исключению воздействия неконтролируемых факторов на точность контроля и возможно -сти получения информации о других параметрах технологического режима, особенно при использовании многоканального селектора массовых пиков, применение масс-спектрометрии может обеспечить полную автоматизацию ПТП. Однако использова-ниение таких методов контроля осложняется необходимостью тщательной настройки и квалифицированной эксплуатации измерительного блока масс-спектрометра, существенными конструктивными изменениями рабочей камеры и высокой стоимостью оборудования.
Для контроля момента окончания травления слоев с различными оптическими свойствами используются фотометрические методы, основанные на измерении интенсивности отраженного от поверхности образца поляризованного монохроматического луча, например, лазерного. Благодаря различию в величинах коэффициента отражения у разных веществ и эффекту интерференции в тонких диэлектрических пленках этот метод контроля может быть использован в ряде технологических процессов. При травлении многослойных металлических покрытий переход от одного слоя к другому фиксируется как ступенчатое изменение интенсивности отраженного сигнала. При травлении прозрачных диэлектрических пленок изменение интенсивности сигнала проходит через серию максимумов и минимумов, обусловленных уменьшением оптической длины пути в
РИ, 1999, № 1
31
слое и изменением условий интерференции. Граница между прозрачным и непрозрачным слоем фиксируется как переход от переменного сигнала к постоянному.
Несмотря на серьезные конструктивные сложности, эти методы контроля являются прямыми, обладают достаточной надежностью, повторяемостью и позволяют автоматизировать ПТП. Общими недостатками оптических методов являются нестабильность, связанная с помутнением прозрачных окон в результате их взаимодействия с реагентами плазмы и загрязнения их продуктами травления, а также необходимость частой чистки и юстировки оптичес -кой системы линз, зеркал, фильтров. К тому же применение оптических методов контроля сильно ограничивается загрязнением обрабатываемой поверхности инородными материалами. Фотометрическим методам контроля свойственны также нетехнологичность и дороговизна.
К прямым методам контроля относятся также контактные методы, основанные на непосредственном измерении электрофизических параметров образца в процессе его обработки [5]. При травлении токопроводящих пленок на диэлектриках используется контактный метод, основанный на изменении тока в цепи, включающей часть проводящей поверхности образца между контактами, размещенными непосредственно на ней. При стравливании проводящей пленки сопротивление образца резко увеличивается. Для контроля травления полупроводниковых покрытий применяется резистивный метод, основанный на измерении сопротивления подложки с покрытием. При этом подложка включена в цепь стабилизатора тока малой величины, а контроль ведется по величине разности потенциалов, приложенной в цепи к подложке. Переходу к травлению следующего слоя соответствует другой наклон у зависимости этой разности потенциалов от времени. Необходимо отметить низкую точность контроля контактными методами в процессах с большой неравномерностью травления по поверхности образца.
Методы контроля по разрядным характеристикам основаны на том, что изменение любого параметра в системе (в том числе материала мишени) вызывает изменение в той либо иной степени всех остальных параметров и, соответственно, изменение распределения токов на мишень и стенки вакуумной камеры. Проведенные исследования [6,7] показали, что распределение токов в системе источник ионов-каме-ра-мишень определяется как фокусировкой пучка ионов (т.е. процессами в источнике), так и параметрами пространства массопереноса (давлением, расположением проводящих стенок, расстоянием до мишени) , а также свойствами материала мишени.
В целях контроля процесса травления токовые измерения представляются наиболее простыми, однако выдвигают определенные требования к стабильности работы источника, скорости откачки и напуска рабочего газа, постоянного массового состава рабочего газа. Существенным недостатком токовых методов контроля является также необходимость хорошего токосъема со всех слоев обрабатываемого образца.
В зависимости от параметров конкретной установки, материала мишени, соотношения площадей обрабатываемой поверхности и сечения пучка, тех-
нических возможностей целесообразно применять различные токовые методы контроля. На основании проведенных исследований [8—10] разработаны следующие токовые методы контроля и рекомендации по их применению.
Метод контроля по току пучка ионов основан на эффекте изменения тока, вытекающего из источника ионов (ИИ) в рабочую камеру, при значительном изменении проводимости мишени, являющейся одним из катодов разряда. Изменение тока пучка при замене проводящей мишени на диэлектрическую составляло 50%. Следует отметить, что в измерениях диаметр пучка должен быть меньше диаметра мишени, поскольку при соотношении, когда диаметр пучка гораздо больше диаметра мишени, зависимости тока пучка от проводимости мишени практически не наблюдалось [8,10].
В методе баланса токов измеряемой величиной для контроля процессов травления является отношение тока, стекающего с образца, к току на камеру
im/ik [10]. По сравнению с прямым измерением тока, стекающего с образца, метод обладает большей чувствительностью, которая тем выше, чем большая часть пучка падает на мишень. Метод баланса токов позволяет компенсировать линейные флуктуации тока пучка, т.е. флуктуации, не связанные с изменением плотности тока по сечению пучка. Такие флуктуации характерны для многоячеистых источников ионов.
Стоит упомянуть методы контроля, основанные на измерении электрофизических (например, импеданс) и технологических (давление и расход газа) параметров газоразрядной плазмы [11-13]. Эти методы очень просты и как правило не требуют дорогостоящего дополнительного оборудования, однако они применимы для ограниченного круга материалов, обладают невысокой чувствительностью и часто трудновоспроизводимы на конкретных установках различных типов.
Подводя итог проделанному сравнительному анализу, можно сделать вывод, что несмотря на достоинства изложенных выше методов контроля момента окончания травления покрытия, ни один из них не удовлетворяет требованиям универсальности, высокой точности, простоты реализации, технологичности и дешевизны одновременно. Все это указывает на необходимость продолжения работы по созданию новых методов и средств контроля.
В последние годы интенсивно развиваются зондо-вые методы контроля плазменной обработки покрытий пластин в технологии микроэлектроники и прецизионного машиностроения. Эти методы относятся к косвенным, т.е. об изменении характера обрабатываемой поверхности узнают по изменению параметров разрядной плазмы, контактирующей с этой поверхностью. Изменение материала поверхности образца приводит к изменению параметров плазменнопучковой системы (плотностей и температур электронов и ионов и т.д.), а также потоков заряженных частиц в пространстве массопереноса. Хотя область возможного использования зонд овых методик контроля довольно широка, основное внимание в обзоре уделено такой операции, как ионно-плазменное травление, поскольку именно здесь применение зондов, на наш взгляд, наиболее эффективно.
32
РИ, 1999, № 1
Зондовые методы контроля ПТП отличает универсальность в отношении материала покрытий пластин и простота реализации при высоком быстродействии и чувствительности. Эти методы контроля были предложены сравнительно недавно и еще не попали в обзоры по данной тематике (см., например,
[14]). Развитие этих методов сдерживается сложностью физических процессов, происходящих в плазменно-технологических установках. Взаимодействие потоков плазмы с энергией частиц в десятки, сотни и тысячи электрон-вольт с поверхностью не сводится к гибели частиц и к разрушению поверхности. Сюда относится отражение ионов, эмиссия электронов с поверхности, процессы согласования электромагнитных полей в плазменном потоке с полями на поверхности, ранообразные химические процессы и т.д. Поэтому разработка зондовых методик контроля ПТП представляет собой достаточно сложную научно-техническую задачу и требует проведения широкого спектра исследований технологической плазмы и специфики работы в ней электрических зондов.
Публикации о применении электрических зондов для контроля плазменных технологических процессов немногочисленны [15, 16] и имеют, в основном, научно-исследовательский характер, не затрагивая проблемы разработки оборудования и методик контроля реальных промышленных технологий.
Систематические исследования в этой области, начиная с 1980 г., интенсивно проводились в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории диагностики плазменно-технологических процессов (ОНИЛ ДПТП) Харьковского государственного университета и Научном физико-технологическом центре (НФТЦ) Министерства образования и Национальной академии наук Украины (г. Харьков), а успешные испытания разработанных в этих организациях приборов были осуществлены практически на всех ведущих предприятиях Министерства электронной промышленности бывшего СССР: НИИ вакуумной техники им. С.А. Векшинского, НПО “Сапфир” (г. Москва); НПО “Светлана” (г. Санкт-Петербург); НИИ точного машиностроения, НИИ точных технологий, НИИ молекулярной электроники (г. Зеленоград); НПО “Кристалл” (г. Киев); НПО “Интеграл” (г. Минск); НПО “Электроника” (г. Воронеж).
1. Особенности зондовых измерений в технологической плазме
Зондовые методики, позволяющие производить локальные измерения практически всех существенных параметров плазмы в очень широком диапазоне их изменения и обладающие при этом относительной простотой реализации, являются одним из наиболее универсальных инструментов диагностики ПТП, несмотря даже на присущие им серьезные недостатки (сложность интерпретации результатов, возмущение плазмы в процессе измерения). В области использования электрических зондов для диагностики плазмы накоплен богатый экспериментальный и теоретический материал [17,18,25,26], однако строгой универсальной теории зондовых измерений не существует, а построенные теории для частных случаев применения зондов очень сложны. Более того, технологическая плазма, как правило, является неравновесной, неоднородной, неизотропной, часто хими-
чески активной средой, что ограничивает применимость стандартных зондовых методик.
Анализ научно-технической литературы показывает, что применение зондов в ПТП с методической точки зрения почти не изучено. Этим была вызвана необходимость провести дополнительные теоретические и экспериментальные исследования особенностей зондовых измерений в различных условиях. Рассмотрим основные результаты этих исследований.
1.1. Электрический зонд в ионно-пучковой плазме
В настоящее время ионные пучки (ИП) широко используются как в фундаментальных научных исследованиях, так и в разнообразных технологических приложениях. Область их применения весьма обширна, причем в последние годы происходит быстрое смещение приоритетов в применении ИП в сторону промышленных технологий (нанесение функциональных покрытий, ионно-лучевое и ионно-химическое травление, ионная имплантация, стерилизация и т.п.).
Известно, что в пространстве транспортировки ИП при параметрах, характерных для технологии микроэлектроники, всегда появляется специфическое квазинейтральное плазменно-пучковое образование, получившее название “ионно-пучковая плазма” (ИПП) [19—22] — совокупность заряженных частиц, которые возникают при взаимодействии пучка ионов с остаточным газом в пространстве массопереноса и с поверхностями камеры и образца. ИПП является активной средой, непосредственно из которой на обрабатываемую поверхность попадают заряженные, возбужденные, химически активные частицы и электромагнитное излучение. Таким образом, физические процессы, происходящие в ионно-пучковой плазме, существенно влияют как на работу источника ионов [6], так и на результат технологической операции [7], и для рациональной организации и контроля технологического процесса необходимо понимание механизмов формирования параметров ИПП. Особый интерес для нас представляет чувствительность этих параметров к граничным условиям, которая позволяет создавать эффективные методики оперативного контроля ионно-пучковых технологических процессов [23].
В работах [24, 27-29] проведен анализ специфических особенностей применения электрических зондов в ИПП, который показал, что ИПП является довольно сложным образованием. Оно состоит [24] из четырех компонент с принципиально различными свойствами: ионы пучка; у -электроны, выбитые из мишени вследствие ион-электронной эмиссии; медленные ионы, рожденные в результате ионизации и резонансной перезарядки; запертые в потенциальной яме низкоэнергетичные электроны. Этот факт заметно усложняет определение параметров ИПП. Так, в отличие от обычного случая, знания плотности одной из компонент недостаточно для определения плотностей остальных, даже с учетом квазинейтральности. Различные компоненты по отношению к зонду ведут себя по-разному. Например, небольшие (несколько вольт) отрицательные относительно плазмы потенциалы зонда для медленных ионов являются достаточными для того, чтобы любой из них, пересекший поверхность призондового слоя, был обязательно притянут на зонд, тогда как ионы пучка,
РИ, 1999, № 1
33
имеющие энергию в сотни электрон-вольт, могут пролетать в непосредственной близости от зонда, “не замечая” его.
Наличие зонда в ИПП может приводить к возмущению плазмы не только в его окрестности, но и во всем объеме. Это связано с тем, что электронный ток на зонд оказывает влияние на баланс электронов и, следовательно, на самосогласованный потенциал плазмы фрі. Поэтому для измерений без возмущения ИПП необходим зонд как можно меньших размеров. Однако уменьшению размеров зонда препятствует относительное увеличение доли ионов в токе на зонд, что делает невозможным точное выделение электронной составляющей из полного зондового тока. При уменьшении размеров зонда электронный ток уменьшается пропорционально площади его поверхности, тогда как ионная ветвь зондовой ВАХ остается практически неизменной.
В типичных для ионно-пучковой технологии травления условиях радиус ионного слоя, оцененный из закона “степени трех вторых” [25], уже при потенциалах зонда на несколько вольт ниже плазменного, превышает радиус одиночного цилиндрического зонда на 1-2 порядка. При этом характерные величины ионных токов одного порядка с электронными, и выделение электронной составляющей зондового тока превращается в сложную задачу. Этот эффект не позволяет измерить функцию распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) для энергий,
превышающих (2^3) кТе, как раз и представляющих наибольший интерес.
С целью уменьшить влияние ионного тока при нахождении ФРЭЭ можно использовать плоский зонд с размерами, превосходящими толщину ионного слоя [27]. Чтобы достоверно измерить ФРЭЭ во всем диапазоне энергий, нужно регистрировать электронные токи весьма небольших величин. Для этого необходимо полностью избавиться от фона ионного тока, чего можно достичь только при использовании многосеточного энергоанализатора [28].
Таким образом, для измерения параметров ИПП (в особенности ФРЭЭ) необходим комплекс методик, причем методики эти зачастую требуют дополнительного методического обоснования для применения в специфических условиях ионно-пучковой плазмы. Объем и тематическая направленность настоящего обзора не позволяют подробно изложить результаты работ в этом направлении. Наиболее полно они представлены в [24,27], здесь же мы ограничимся обсуждением особенностей применения классического зонда Ленгмюра в ИПП.
Нахождение электронной плотности пе и температуры Те, а также функции распределения электронов требует выделения из полного зондового тока электронной составляющей. Для этого необходимо выяснение зависимости ионного тока (он складывается из токов ионов пучка и медленных ионов) от потенциала зонда Фр , поскольку, как отмечено выше, ионная часть тока на зонд в нашем случае обычно достаточно велика, чтобы маскировать электронную.
В литературе вопросу зависимости ионного тока от потенциала зонда уделяется большое внимание [18,25]. По результатам этих работ для сильно
неизотермической плазмы при высоких потенциалах зонда радиус ионного слоя и ионный ток определяются законом “степени трех вторых”. Однако при наличии ионного пучка с достаточно высокой энергией Еь << фр этот закон нарушается. В литературе
отсутствуют сведения, позволяющие интерпретировать ВАХ зонда в этом случае, в связи с чем возникает необходимость найти выражение для ионного тока на зонд с учетом влияния ИП.
Влияние пучка проявляется, во-первых, в появлении постоянной, не зависящей от Фр добавки ионного тока, во-вторых — в изменении характера радиальной зависимости ионной плотности вблизи зонда, что приводит к изменению зависимости тока
медленных ионов от фр . На ионы пучка практически не действует небольшая разность потенциалов между зондом и плазмой, в связи с чем ионная плотность остается постоянной во всем пространстве, что вызывает отклонение от закона “степени трех вторых” и уменьшение толщины ионного слоя (в плазме без пучка ионная плотность падает в направлении к зонду). Нахождение зависимости ионного тока от фр важно как при выделении электронного тока, так и при вычислении плотности ионов.
Задача об ионном токе на зонд при наличии фонового объемного заряда подробно рассмотрена в [24,27]. Были получены выражения, связывающие
радиус ионного слоя Rs около зонда с пространственной плотностью ионов пучка пь и радиусом зонда Rp:
Фр = -nenbRsP
Rs
RP
V р
, цилиндрический случай, где
м 2 In м 2 ' -1
lRPJ lRPJ lRPJ
+ 1
Ф р =
2 R 2 - - TCnbRpa
(R А
RP
V р
, сферический случай, где
ґ \ Ґ \ і Ґ \
Rs = 2 Rs -3 RS
Rn Rn Rn
V pj { P) V P)
Ток медленных ионов на зонд можно вычислить по найденной площади слоя при помощи классической формулы Бома [25]. В работе [24] рассмотрен случай Rs >> Rp, поэтому ионный ток в цилиндрическом случае примерно пропорционален ф|/2 (площадь слоя пропорциональна Rs). Нахождение точного вида этой зависимости затруднено вследствие сложной геометрии слоя.
Справедливость приведенных формул ограничивается случаем пь >> nj, где щ — плотность медленных ионов. В противоположном предельном случае (nj >> nb) форма ионной ветви зондовой ВАХ определяется законом “степени 3/2”. Промежуточный
34
РИ, 1999, № 1
случай, когда плотности быстрых и медленных ионов сопоставимы, может быть описан только с использованием численных методов.
Сравнение ионных ветвей ВАХ одиночного цилиндрического зонда, рассчитанных для двух предельных случаев (рис. 1), показывает, что ионный ток в отсутствие пучка существенно выше вследствие большего радиуса слоя. Отсюда следует, что значения ионной плотности, найденные при помощи стандартной процедуры [25], оказываются заниженными в сравнении с тем, что дают приведенные формулы.
ФргФр’ В
Рис. 1. Рассчитанные ионные ветви ВАХ одиночного цилиндрического зонда в зависимости от потенциала зонда для классического случая отсутствия пучка (1) и для случая “плотного”
пучка nb >> n; (2). Расчет выполнен для следующих параметров: пь =108 см_3; щ =107 см_3;
Те = 0,5 эВ ; Rp = 5 ■ 10_3 см, L = 0,5 см (длина
зонда). Поведение радиуса призондового слоя повторяет кривые 1, 2
1.2. Электрический зонд в плазме ВЧ разряда
В стационарной плазме, например, в разряде постоянного тока, потенциал плазмы можно достаточно точно определить путем измерения плавающего потенциала одиночного зонда, а также температуры электронов по его ВАХ. В случае, если зонд не вносит заметных возмущений в распределение параметров плазмы, плавающий потенциал будет меньше
плазменного на несколько величин кТе /е .
Однако это соотношение может существенно нарушаться в условиях ВЧ-разряда [29,30]. В этом случае зонд играет роль также и промежуточного ВЧ электрода, соединенного с землей через импеданс паразитных емкостей и индуктивностей ввода зонда и его соединений с измерительными приборами. В плазме, окружающей зонд, формируется слой положительного пространственного заряда, вызванный обеднением этой области электронами, вследствие их падения на зонд при колебаниях в ВЧ поле у его поверхности. Природа призондового слоя совершенно аналогична в этом случае диодным слоям у поверхности потенциальных ВЧ электродов. ВЧ электронный ток детектируется в призондовом слое, вызывая стационарный электронный ток в цепи
зонда и отрицательное падение потенциала на сопро -тивлении цепи зонда постоянному току. Это явление приводит к автосмещению потенциала зонда в отрицательную область. Необходимо отметить, что в отсутствие специальных средств подавления ВЧ тока в цепи зонда величина его автосмещения относительно постоянного потенциала плазмы может составлять сотни вольт, что существенно больше температуры электронов. Кроме того, в этих условиях измеряемый плавающий потенциал зонда определяется в основном амплитудой ВЧ колебаний потенциала плазмы, а не его постоянной составляющей, которая и представляет, как будет показано ниже, наибольший интерес для контроля ПТП. Таким образом, наличие ВЧ тока в цепи одиночного зонда приводит к существенному возмущению формы его ВАХ и к значительным погрешностям в оценках параметров плазмы [32].
Отрицательное автосмещение зонда определяется напряженностью ВЧ поля в призондовом слое. Эта величина, в свою очередь, зависит от соотношения импедансов слоя и зондовой цепи, а также от амплитуды ВЧ колебаний потенциала плазмы в точке установки зонда. С ростом импеданса цепи зонда уменьшается доля падения ВЧ потенциала на импедансе призондового слоя, а значит, и напряженность ВЧ поля в нем. Следовательно, для корректных зондовых измерений в ВЧ плазме импеданс зондовой цепи должен существенно превышать импеданс призондового слоя. В этом случае падение ВЧ потенциала в слое стремится к нулю, а детектированный электронный ток и отрицательное автосмещение потенциала зонда становятся пренебрежимо малы.
Анализ, проведенный в посвященных этому вопросу работах [31-33], показывает, что допустимая величина падения ВЧ потенциала на призондовом
слое не должна превышать значения Те в вольтах. Необходимое для этого сопротивление цепи зонда переменному току для типичных условий технологических процессов должно составлять не менее 50 кОм [31]. Использование для этой цели блокировочных дросселей не позволяет достичь цели из-за низкой их добротности и паразитной емкости, тем более, что их включение не исключает влияния паразитной емкости ввода зонда, составляющей, как правило, единицы пикофарад и обладающей сопротивлением ~10 кОм в области промышленных частот 5,76 и 13,56 МГц. Предложенные в [31] средства подавления ВЧ тока зонда исходят из предположения о невозможности устранить влияние емкости ввода зонда и требуют достаточно сложного конструктивного исполнения зондов с минимальной емкостью, что неприемлемо в условиях производства.
Однако устранить влияние паразитной емкости ввода и существенно повысить импеданс зонда можно путем включения этой емкости в резонансный контур высокой добротности, настроенный на основную гармонику ВЧ напряжения [34]. На рис. 2 приведена схема такого включения. При индуктивности L, равной 40 мкГн, с добротностью 250 устройство позволяет на частоте 5,76 МГц получить сопротивление ВЧ току вывода зонда, контактирующего с плазмой ~200 кОм, что вполне достаточно при отсутствии старших гармоник большой амплитуды в спектре ВЧ напряжения генератора.
РИ, 1999, № 1
35
Рис. 2. Схема включения зонда для измерения плавающего потенциала в ВЧ плазме
2. Устройства для зондового контроля ПТП
Рассматриваемые в настоящем обзоре результаты относятся, в основном, к контролю наиболее распространенных методов травления: ионно-лучевого (ИЛТ), реактивного ионно-лучевого (РИЛТ) и плазмохимического (ПХТ) при параметрах, типичных для технологии микроэлектроники (плотность тока ионов 1-10 мА/см2, энергия 0,1-2 кэВ). Процессы ИЛТ и РИЛТ проводились при помощи источника ионов холловского типа “Радикал-М” [35,37], источника Кауфмана [38], источника на основе ВЧ индукционно-емкостного разряда [39]. Для ПХТ применялись плазмо-химические ректоры на базе ВЧ емкостного разряда (рабочая частота 13,56 МГц) с использованием фтор- и хлорсодержащих газов. Подчеркнем, что эффективное применение даже самых надежных методов контроля ПТП существенно зависит от технологического совершенства систем плазменной обработки, которое определяется главным образом такими параметрами, как селективность и одно -родность травления, воспроизводимость процесса. Поэтому отработка описанных ниже методик контроля проводилась на серийных промышленных установках производства НИИ ТМ (г. Зеленоград), НИИ полупроводникового машиностроения (г. Воронеж), “Xenon” (Австрия), Alcatel (Франция), “Контур-01” - “Контур-04” (ОНИЛ ДПТП ХГУ, г. Харьков) в реальных технологических процессах производства интегральных микросхем.
На основании результатов исследований, проведенных в ОНИЛ ДПТП ХГУ, была разработана серия приборов контроля ПТП, позволяющих повысить чувствительность зондовых методик, исключить влияние флуктуационных процессов и автоматизировать процесс травления. Различные приборы серии ” Контроль” отличаются типом ПТП, типом зондовых датчиков, алгоритмом обработки контрольного сигнала, а также конструктивным вариантом исполнения (стоечный, настольный). В рамках настоящего обзора невозможно привести подробное описание всех разработанных методик и приборов для контроля ПТП, поэтому основное внимание здесь уделяется устройствам для контроля промышленных технологических процессов. Ниже дано краткое описание двух из них, на примере которых можно получить общее представление о приборах этой серии.
Устройство “Контроль-01” предназначено для фиксации окончания процессов ИЛТ и РИЛТ тонких функциональных металлических, диэлектрических, полупроводниковых слоев, многослойных
покрытий, структур со сложной топологией при изготовлении интегральных микросхем.
Принцип действия устройства основан на измерении отношения токов двух зондов, один из которых расположен в приповерхностном слое у мишени с образцом, а второй контролирует ток пучка. По заданной величине этого отношения фиксируется момент стравливания слоя. Метод сравнения, положенный в электрическую схему устройства, позволяет компенсировать линейные флуктуации зондовых сигналов, которые связаны с нестабильностями тока пучка ионов, давления в вакуумно-реакционной камере, анодного напряжения в ионном источнике, и выделить полезный сигнал, характеризующий именно сам процесс травления.
Устройство работает следующим образом. Сигналы с измерительных зондов подаются на входной блок, который производит согласование уровней зондовых сигналов с электрической схемой прибора. Далее сигнал поступает на блок сравнения, который формирует напряжение, пропорциональное частному входных напряжений. Это позволяет избавиться от синхронных флуктуаций входных сигналов с измерительных электродов. С выхода блока сравнения аналоговый сигнал поступает на контрольный вольтметр, позволяющий судить о величине сигнала. Прибор снабжен также аналоговым выходом (0-10 В) для совместной работы с ЭВМ. С блока сравнения сигнал поступает также на компаратор с регулируемым по конкретному процессу порогом срабатывания. Далее сигнал с компаратора поступает на блок сигнализации окончания процесса травления. Этот блок выдает цифровой сигнал в уровнях ТТЛ, который отключает установку по окончании процесса травления.
Устройство универсально по отношению к типу стравливаемого материала, имеет небольшие габаритные размеры. Применение оригинальной схемы компенсации обеспечило высокую чувствительность и надежность контроля ПТП в самых различных условиях. Относительная простота конструкции в сочетании с большими возможностями обеспечивает высокую эффективность эксплуатации прибора “Контроль-01 ” в составе обширного класса промышленных плазменно-технологических систем.
Вместе с тем, применение этого прибора в составе автоматизированных систем управления ограничивается тем, что его аналитическая часть, ответственная за определение “момента выключения”, представляет собой простое пороговое устройство, что может приводить к ложным срабатываниям. На основании опыта контроля разнообразных ПТП были разработаны более совершенные принципы обработки контрольного сигнала. Эти принципы были положены в основу устройства “Контроль-09”. блок-схема которого изображена на рис. 3
Анализ большого количества измерений, проведенных для различных технологических процессов в разных условиях, показывает, что несмотря на определенные количественные отличия, временные зависимости контрольного сигнала обладают рядом характерных повторяющихся признаков, по которым с достаточно высокой точностью можно определить момент стравливания слоя. Действительно, в зависимости от типов установки и параметров технологического режима контролируемый ток может состав-
36
РИ, 1999, № 1
лять ІмкА^ІОО мА, напряжение — 0,1^500 В, а длительность процесса 20сэ- 15 мин. Однако выбором величины усиления входного согласующего блока и регулировкой “Уровень” можно установить некое номинальное значение напряжения на выходе усилителя У (например 5 В), а период импульсов тактового генератора ГТИ выбрать равным, например, 1% от времени процесса (причем здесь достаточно грубой оценки). В этом случае независимо от абсолютных измерений (в вольтах и секундах) контрольного сигнала кривым одинаковой формы будут соответствовать одинаковые напряжения на входе логической схемы. Кроме того, все кривые травления (исключая их начальный участок) имеют общее свойство: переходу от слоя к слою соответствует существенное изменение уровня сигнала, причем на протяжении установившегося травления фиксированного слоя сигнал остается примерно постоянным. Следует отметить, что эта особенность характерна и для других методов, что позволило создать более универсальный прибор “Контроль-09”, который можно использовать не только совместно с такими зондовыми методами, как контроль по плавающему потенциалу, метод отраженных ионов или контроль по току эмиссии катода-нейтрализатора, но также и с незондовыми методами, например, с эмиссионноспектральным или масс-спектрометрическим.
В приборе применена гальваническая развязка входной цепи прибора с корпусом при помощи реле, управляемого генератором тактовых импульсов ГТИ. Поскольку основную информацию о протекании процесса травления несут перепады уровня контрольного сигнала, а не его фоновое абсолютное значение, установившееся после стабилизации разряда, можно вычесть из сигнала его фоновое значение и выделить сигнал, связанный только с перепадами уровня, т.е. с травлением и установить его номинальный уровень соответствующим выбором усиления. Кроме того, учитывая, что начальные участки кривых не обладают набором характерных, повторяющихся признаков и могут привести к преждевременному срабатыванию логической схемы уже при включении разряда, необходимо исключить их попадание в логическую часть прибора и обработку для предотвращения сбоев. Для предотвращения попадания начального участка кривой в логическую схему и компенсации “фонового” сигнала служит одновибратор О, регулируемый потенциометром “За-
держка” и запускаемый кнопкой “ Пуск” при включении разряда. Управляющий импульс напряжения, генерируемый одновибратором, производит сброс логической схемы прибора в исходное состояние, блокирует вход усилителя У и включает схему компенсации СК. В момент окончания управляющего импульса схема компенсации запоминает текущее значение напряжения входного сигнала, которое затем вычитается из входного сигнала до следующего запуска одновибратора.
Введение безразмерных характеристик кривой травления позволяет построить универсальную логическую обработку сигнала с фиксированным алгоритмом, обеспечивающим автоматическую регистрацию момента окончания процесса травления. Приведение кривых травления к единому масштабу по амплитуде и длительности дает возможность ввести в логическую схему фиксированные значения пороговых напряжений и длительностей для выделения и индикации основных принципиальных признаков травления и избавиться, таким образом, от сложной перестройки этой части прибора при переходе, например, к другому технологическому процессу с другими абсолютными измерениями кривой зондо-вого сигнала.
Рассмотрим типичную кривую травления, обозначенную цифрой 1 на рис.4.
Рис. 4. Типичная кривая травления: 1 — временная зависимость входного сигнала; 2 — обезразме-
ренная скомпенсированная кривая травления
Точке t = 0 соответствует момент включения разряда; участок t0A — время стабилизации разряда после включения и установления фонового значения иф; tAB — начало травления; tgc — время установившегося травления; U J — уровень сигнала, соответствующий установившемуся травлению; участок CD-“дотрав”, т.е. исчезновение с поверхности образца остатков данного слоя и обнажение поверхности
следующего; U2 — величина сигнала, соответствующая следующему (или промежуточному) слою покрытия. Ход временной зависимости входного сигнала на участке t0A после включения разряда в источнике может быть совершенно произвольным для различных технологических процессов и не несет полезной информации о протекании процесса травления. Полное время травления tg^ зависит от
РИ, 1999, № 1
37
режима обработки и толщины слоя; величина перепада U2 -Uj = AU зависит от площади обрабатываемой поверхности и падает с ее уменьшением; величина tQ) связана с неравномерностью травления по поверхности образца и увеличивается с ее ростом.
Для пластин из одной партии при неизменных
условиях обработки величины , ди , а
также форма кривой на участках ВС и CD могут незначительно отличаться, что является отражением “индивидуальности”, т.е. неодинаковости образцов.
Сказанное выше показывает, что времена tgc ,
tQj ,величину и наклон перепада ди можно считать объективными характеристиками процесса травления конкретного образца.
Рассмотрим скомпенсированную и приведенную к единому масштабу кривую травления 2 на рис.4. Основным признаком участка C'D' ’ кривой, соответствующего окончанию процесса травления, является наличие отличного от нуля наклона, т.е. производной по времени от сигнала на ди за время .
При каждом опросе входной цепи с периодом Т величина напряжения на входе возрастает на ди / К —
вольт, где К = tQ) /Т — безразмерное время участка
CD . Следовательно, величина ди/ К представляет собой среднее значение производной, приведенной к единому масштабу кривой травления на участке CD .
Для индикации отличной от нуля производной в устройстве выбран пороговый уровень величиной 50 мВ, что обеспечивается даже в случае кривой, соответствующей 100% неравномерности травления по поверхности (кривая А'В'С' на рис.4). Это видно из сравнения наклонов отрезков b'D' и NE’, т.е. действительно: Ди • T/tB >5В/100 = 50мВ. Дальнейшее увеличение чувствительности устройства к величине производной не имеет смысла, поскольку случаю 100 % неравномерности травления по технологическим причинам уже соответствует брак. Для выделения величины производной в устройстве применен дифференциатор Д, вырабатывающий разность двух последовательных значений напряжения с выхода усилителя У, через время, равное периоду повторения тактовых импульсов. С выхода дифференциатора напряжение производной поступает на пороговое устройство ПУ, которое вырабатывает сигнал логической единицы, если напряжение производной превышает 50 мВ, и сигнал логического нуля, если уровень производной меньше 50 мВ. Эти сигналы используются логической частью прибора контроля для определения момента окончания процесса травления.
Наличие отличной от нуля производной (т.е. > 50 мВ) не является достаточным признаком участка CD кривой, поскольку оно может иметь место и при флуктуациях контрольного сигнала. Это требует введения еще двух дополнительных характерных признаков: наличия перепада уровня сигнала величиной DU вольт и следующего за ним участка с нулевой производной DE. В алгоритме логической схемы устройства эти признаки реализованы следующим образом.
Для выработки сигнала наличия перепада уровня сигнала величиной ди вольт служит интегратор И, включающийся только при индикации, отличной от нуля производной. Определение наличия перепада осуществляет компаратор напряжений К, на один вход которого подается напряжение с выхода интегратора, а на другой — пороговое напряжение Un , устанавливаемое потенциометром “Порог”. Наличие плато DE определяется по обращению производной в ноль на время не менее 4Т, при этом происходит принудительное зануление напряжения интегратора И. Для сброса напряжения интегратора при условии, что в течение четырех периодов тактовых импульсов производная сигнала равнялась нулю, служит реле
сброса, управляемое микросхемами Dj и D2.
Микросхема Dj представляет собой четырехзразряд-ный регистр сдвига, на вход которого поступает логический сигнал от порогового устройства ПУ. Запись входного состояния и сдвиг в следущий разряд регистра осуществляется тактовыми импульсами, поступающими на синхронизирующий вход. Если в течение четырех последовательных тактовых
импульсов на вход регистра Dj поступал уровень логического нуля, то он будет записан во всех 4-х разрядах. При совпадении четырех логических нулей
на входах логической схемы D 2 вырабатывается управляющий сигнал логической единицы, по которому срабатывает реле сброса интегратора И. Этот же сигнал вместе с сигналом логической единицы, вырабатываемым компаратором К, поступают на
схему совпадений D3 , что приводит к появлению на ее выходе импульса, свидетельствующего об окончании процесса травления. При помощи регистра
сдвига D4 производится счет от этих импульсов. Подключая исполнительное реле ИР с помощью переключателя П, можно определить его срабатывание после стравливания необходимого числа слоев.
В настоящем обзоре проведено систематическое изложение фундаментальных и прикладных аспектов применения электрических зондов для диагностики процессов ионно-плазменного травления материалов, начиная с физических основ зондовых измерений в плазме различных типов технологических установок и заканчивая описанием конкретных устройств контроля ПТП. Показано, что зондовые измерения в ионно-пучковой плазме и ВЧ разряде в широком диапазоне давлений обладают рядом особенностей и требуют доработки стандартных зондовых методик. Представлены практические способы контроля ИЛТ, РИЛТ, ПХТ. Описана серия приборов “Контроль”, предназначенных для контроля ПТП с использованием специально разработанных схем компенсации и обработки зондового сигнала, а также оригинальных алгоритмов анализа кривых травления. Приборы позволяют производить надежную регистрацию момента окончания процессов травления различных функциональных многослойных покрытий, рельефных структур в технологии микроэлектронной промышленности при ИЛТ, РИЛТ и ПХТ, и могут быть легко интегрированы в цепочку технологических операций с возможностью их полной автоматизации. Работоспособность приборов
38
РИ, 1999, № 1
была испытана в различных ПТП на промышленных установках на предприятиях. Отмечена высокая точность контроля по толщине стравливаемого слоя (не хуже 5%), хорошее разрешение по площади стравливаемой поверхности (менее 1%), практически отсутствие запаздывания сигнала об окончании про -цесса по времени.
Литература: 1. Плазменные технологии в производстве СБИС/ Под ред. Н. Айнспрука и Д. Брауна. М.: Мир. 1987. 472с. 2. Данилин Б. С., КиреевВ.Е. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. М.: Энергоатомиздат. 1987. 204 с. 3. Lieberman M.A. and Lichtenberg A.J. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. New York: Wiley (1995).4. Митрофанов E.A., Маишев Ю.П. Масс-спектрометрические методы контроля технологических процессов травления и формирования пленок// Вакуумная техника и технология. 1992. Т.2, № 4. С.59-68. 5. Патент США №4358338, 1982. 6. Зыков А.В., МаишевЮ.П., Фареник В.И. Влияние условий в пространстве транспортировки на характеристики источника ионов с анодным слоем// Тез. докл. 3й Всесоюзной конференции по физике газового разряда. К. 1986.4. 2. С.221-223. 7. Петров В.И., Ивановский Г.Ф., Маишев Ю.П. Влияние степени зарядовой нейтрализации на электрофизические параметры // ПТП. Серия “Микроэлектроника”, 1975. Т.3, №1 (41). С. 66-71. 8. Зыков А.В., Качанов Ю.А., Дмитриев Ю.А. Методы контроля процессов ионного травления // Республиканская НТК. Тез. докл.: 4.1, Минск. 1983. C.82. 9. Зыков А.В., Марущенко Н.Б., Лукинов В.А. Особенности контроля поверхности при обработке ее компенсированным ионным пучком средних энергий // Всесоюзное совещание-семинар молодых ученых “Диагностика поверхности ионными пучками“. Тез. докл. Ужгород. 1985. C. 106-107.
10. Зыков А.В. и др. Токовые методы контроля состояния поверхности при обработке пучком ионов средних энергий // Тез. докл. Всесоюзного совещания “Диагностика поверхности ионными пучками”, Ужгород. 1985. C.104.
11. Патент США №4201579, 1980. 12. Патент США №4356055, 1982. 13. Патент США №4362596, 1982. 14. Данилин Б. С., Киреев В.Ю., Каплин В.А., Врублевский Э.М. Контроль процессов травления материалов в низкотемпературной плазме // ПТЭ. 1982, №1. С.19. 15. Ершов А.П., Исаев К.Ш., Калинин А.В. и др. Проблемы субмикронной технологии: Тр. ФТИ РАН. 1993. №6. С. 17. 16. А.П. Ершов, А.В. Калинин, Я.Н. Суханов и др. Применение зонда Ленгмюра для определения момента окончания процесса травления SiO2 на кремнии// Вестник МГУ. Серия 3. Физика, астрономия, 1995, Т. 36, №6. 17. Чан П, Тэлбот Л., Турян К. Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме. М.: Мир. 1978. 201 с. 18. Алексеев Б.В., Котельников В.А. Зондовый метод диагностики плазмы. М.: Энергоатомиздат. 1988. 240 с. 19. Габович М.Д. Ионно-пучковая плазма и распространение компенсированных ионных пучков // УФН. 1977. Т.121, №2. С.259-284. 20. Dudin S.V., Zykov A.V, Farenik V.I.. Transport and Neutralization of Low Energy Ion Beams in Technological Systems. Proceedings of International Conference “Physics in Ukraine”. Kiev. 1993. Р. 86. 21. Dudin S.V., Zykov A.V., Farenik V.I. Neutralization of Low Energy Broad Ion Beam. 21st IEEE International Conference on Plasma Science. Conference Record-Abstracts. 1994. Santa Fe, USA. Р. 156. 22. Дудин С.В., ЗыковА.В., Фареник
В.И. Особенности зарядовой и токовой нейтрализации ионных пучков низких энергий // В сб. Тез. докл. II межотраслевого научно-технич. семинара “Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектронике”. Харьков. 1991. C. 34-35. 23. Зыков А.В., Марущенко Н.Б., КачановЮ.А., Фареник В.И., Юнаков Н.Н. Способ обработки диэлектрических мишеней в вакууме. Патент РФ №1580852 от 28.06.93. 24. Дудин С.В. Исследование ионно-пучковой плазмы, создаваемой широким потоком ионов низкой энергии. Дис. на соискание уч. ст. канд. физ.-мат. наук. Харьков, 1994. ФТФ ХГУ, 161 с. 25. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1989. 290 с. 26. Чен Ф. Электрические зонды // В кн. Диагностика плазмы / Под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда. М.: Мир, 1967. 27. Дудин С.В., Зыков А.В., Фареник В.И. Экспериментальное исследование ионно-пучковой плазмы. Препринт НФТЦ. 1993. Харьков. 26 с. 28. Дудин С.В., Зыков А.В., Фареник В.И. Особенности зондовых измерений в ионно-пучковой плазме// В сб. Тез. докл. II межотраслевого научно-технич. семинара “Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектронике”. Харьков. 1991. C. 32 - 33. 29. Dudin S. V. Probe Measurements in Ion-Beam Plasma. 21st IEEE International Conference on Plasma Science. Conference Record-Abstracts. 1994. Santa Fe, USA. Р. 179-180. 30. Будянский А.М., Середа Н.Д., Фареник В.И. Особенности зондового контроля ПХТ в диодном В4 разряде // В сб. Тез. докл. межотраслевого научно-технич. семинара “Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектронике”. М.: ЦНИИТИ. 1989. С.226-227. 31. Годяк В.А., Попов О.А. О зондовой диагностике В4-плазмы // ЖТФ, 1977. Т.47, №4. С.768. 32. Cantin A., Gagne R. The behavior and correcct use of electrostatic probes in rf plasmas. Third International Conf. on Gas Discharges. London, 1974. P.625. 33. Cantin A., Gagne R. Investigation of an rf plasma with symmetrical and asymmetrical electrostatic probes // J. Appl. Phys. 1972. Vol.43, No.6, P.2639. 34. Будянский А.М. и др. А.С. №1428167 (СССР), 1988. 35. Маишев Ю.П. Ионные и ионно-плазменные системы и пути их развития для задач микроэлектроники // Микроэлектроника, 1977. Т.3, №2 (81). С.21-39. 36. KaufmanH.R Technology of Ion-Beam Sources in Sputtering // J. Vac. Sci. Technol., 1979. Vol.15, No.2, P.272-276. 37. Фареник В.И. Источник ионов. А.С. №1144548 (СССР), 1984. 38. Будянский А.М., Зыков А.В., Фареник В.И. Высокочастотный источник ионов. А.С. №1570549 (СССР), 1989.
Поступила в редколлегию 16.03.99
Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Падалка В. Г.
Фареник Владимир Иванович, канд. физ.-мат. наук, доцент, заведующий кафедрой физических технологий Харьковского государственного университета, директор Научного физико-технологического центра Министерства образования и НАН Украины. Научные интересы: физика плазмы, вакуумно-плзменные технологии и оборудование. Адрес: Украина, 310145, Харьков, ул. Новгородская 1, тел/факс: (0572) 321031.
РИ, 1999, № 1
39
