способ определения длительности времени плазмохимического травления поверхности полупроводниковых пластин для субмикронных технологий

Формула изобретения

Способ определения длительности времени плазмохимического травления поверхности полупроводниковых пластин для удаления пленок с немаскированных поверхностей и получения чистой поверхности, заключающийся в травлении пластин, в определении типа и количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхности пластин и в определении длительности времени травления, отличающийся тем, что осуществляется травление нескольких пластин в течение разных длительностей времени, определяются количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхностях пластин и определяется длительность времени травления по времени травления пластины с минимальным количеством загрязняющих примесей на поверхности, при этом определение количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхностях пластин производится зондированием поверхностей ионными пучками гелия и неона с энергиями 1-5 кэВ, плотностью тока пучка менее 100 мкА/см² и регистрацией энергетического спектра отраженных ионов под углом рассеяния более 90^о и по энергиям и величинам максимумов в спектре определяется соответственно тип и количество загрязняющих примесей.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области нано- и микроэлектроники и аналитического приборостроения и может быть использовано при определении режимов технологических операций плазмохимического травления и других технологических операций обработки полупроводниковых пластин в производстве изделий микро- и наноэлектроники, а также в производстве чистых материалов и технологических сред.

Известен способ определения длительности времени плазмохимического травления поверхности полупроводниковых пластин для получения чистой поверхности, заключающийся в травлении пластин и в определении длительности времени травления по наибольшему проценту выхода годных изделий и по возможно более длительному времени травления пластины [Технология СБИС: В 2-кн. Кн. 1. Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986. 404 с].

Длительность времени плазмохимического травления

полупроводниковых пластин в технологии производства изделий микроэлектроники определяют по времени распыления слоя немаскированного резиста, или диэлектрика и металлической пленки, или определенного слоя полупроводника (например, оксида кремния, нитрида кремния), предположительно содержащего загрязнения, затем по выходу годных изделий корректируют это время в сторону его увеличения или уменьшения. При этом предполагается, что с увеличением времени травления количество поверхностных загрязнений уменьшается. При удалении металлических, диэлектрических пленок или слоя фоторезиста необходимо их удалять по всей поверхности немаскированных площадок. Так как при режимах распыления пленки полупроводник не распыляется, то длительность распыления в сторону увеличения времени должно обеспечивать лучшее качество удаления пленки. Недостатком известного способа является отсутствие прямых контролируемых параметров, характеризующих чистоту поверхности пластины. Процент выхода годных изделий, используемый в качестве критерия правильности выбираемого режима, зависит от большого числа других режимов и однозначно не характеризует качество удаления пленок.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения длительности времени плазмохимического травления поверхности полупроводниковых пластин для удаления пленок с немаскированных поверхностей и получения чистой поверхности, заключающийся в травлении пластин, в определении типа и количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхности пластин и в определении длительности времени травления (Технология СБИС: В 2-кн. Кн. 2. Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986. 453 с.(Могаб К., Фрейзер Д., Фичтнер У., Паррильо Л., Маркус Л., Стейдел К., Бертрем У.)

Известный способ осуществляется с использованием оже-электронного спектрометра для определения элементного состава поверхности и количества загрязняющих примесей на поверхности пластин. Недостатком известного способа является недостаточная чувствительность метода оже-спектроскопии к загрязнениям во внешнем моноатомном слое поверхности пластин. При сведениях в литературе о толщине анализируемого слоя 3-5 Å реальная глубина выхода оже-электронов в полупроводниках превышает 10 Å. При этом из-за энергетической зависимости сечения ионизации атомов вероятность возбуждения атомов первого слоя меньше, чем нижележащих слоев. В целом, чувствительность (предел обнаружения) загрязняющих примесей метода оже-спектроскопии оказывется недостаточной для контроля чистоты операции плазмохимического травления.

Технический результат направлен на повышение достоверности определения типа и количества загрязняющих примесей на поверхности полупроводниковых пластин после плазмохимического травления и определения оптимального значения длительности времени травления.

Технический результат достигается тем, что в способе определения длительности времени плазмохимического травления поверхности полупроводниковых пластин для удаления пленок с немаскированных поверхностей и получения чистой поверхности, заключающемся в травлении пластин, в определении типа и количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхности пластин и в определении длительности времени травления, при этом осуществляется травление нескольких пластин в течение разных длительностей времени, определяются количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхностях пластин и определяется длительность времени травления по времени травления пластины с минимальным количеством загрязняющих примесей на поверхности, при этом определение количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхностях пластин производится зондированием поверхностей ионными пучками гелия и неона с энергиями 1-5 кэВ, плотностью тока пучка менее 100 мкА/см² и регистрацией энергетического спектра отраженных ионов под углом рассеяния более 90° и по энергиям и величинам максимумов в спектре определяется соответственно тип и количество загрязняющих примесей.

На рисунке приведены структура пленок на поверхности кремниевой пластины (а) и спектры рассеянных ионов (б) поверхности пленок на кремнии после операции плазмохимического травления (1) и после удаления монослойной пленки атомов фтора (2).

Сущность предлагаемого способа определения длительности времени плазмохимического травления поверхности полупроводниковых пластин для получения чистой поверхности заключается в обнаружении неизвестного ранее процесса накопления технологических загрязнений на поверхности обрабатываемых пластин на финишной стадии травления, когда появляются чистые участки поверхности подложки. Экспериментальными исследованиями на промышленных технологических операциях травления показано, что в процессе травления плазма загрязняется технологическими загрязнениями, в частности атомами деталей, окружающих обрабатываемую пластину. Эти и другие технологические загрязнения адсорбируются на поверхности пластины. Загрязнения с поверхности пленки (например, резиста) удаляются вместе с резистом. На очищенной поверхности подложки, в частности кремния, загрязняющие примеси адсорбируются с большой энергией связи и плазмой удаляются плохо. В зависимости от чистоты технологического оборудования и сред скорость распыления может оказаться меньше скорости адсорбции, и загрязняющие примеси после очистки поверхности подложки от пленки (резиста) будут накапливаться на поверхности пластины. Так как плазма положку не распыляет, то при чистом оборудовании время травления не ограничивается - чем дольше производится травление, тем меньше остаточных загрязнений от удаляемой пленки. Однако любое технологическое оборудование имеет некоторый уровень фоновых загрязнений, которые могут селективно накапливаться на поверхности очищенной пластины. Это предположение было подтверждено экспериментально. Поэтому существует оптимум времени травления, при котором суммарное количество поверхностных загрязнений минимально. Оно соответствует времени травления, при котором количество накапливающиеся технологических загрязнений не превышает количество остаточные загрязнения от удаляемой пленки.

С уменьшением топологической нормы, особенно меньше 2 мкм, и при переходе на наноразмерные структуры существенно повысились требования к минимальной концентрации загрязнений в целом. Поэтому суммарное количество поверхностных загрязнений должно удовлетворять еще этому требованию, которое можно определять в оптимуме времени травления.

Тип и количество поверхностных загрязнений определяется методом спектроскопии обратно рассеянных ионов низких энергий, позволяющим анализировать элементный состав одного внешнего моноатомного слоя поверхности. Такой спектрометр разработан с участием авторов предлагаемого изобретения. Аналитические возможности спектрометра: диапазон анализируемых элементов - все (кроме H и He); толщина анализируемого слоя 1 монослой атомов; диаметр зондирующего ионного пучка - 0.1-1 мм; предел обнаружения - 10⁺¹¹ ат/см² . Экспериментально установлено, что режимы анализа состава внешнего монослоя применительно к реализации ока пучка менее 100 мкА/см ² и регистрацией энергетического спектра отраженных ионов под углом рассеяния более 90°.

Так как прямой анализ поверхности вскрытых окон на операциях с литографией невозможен из-за большого диаметра зондирующего пучка спектрометра, то контрольно-измерительные операции производятся на тест-площадках, имеющихся или специально создаваемых на поверхности обрабатываемой пластины. Для демонстрации аналитических возможностей спектрометра на рисунке приведены структура пленок на поверхности кремниевой пластины (а) и спектры поверхности до и после ионной бомбардировки. На поверхности кремниевой пластины нанесена пленка окиси кремния SiO₂, на которую нанесена пленка нитрида кремния S₃N₄. Для получения заданного рисунка на поверхность S₃N ₄ была нанесена пленка фоторезиста. После плазмохимического травления фоторезиста с пленкой S₃N₄ необходимо получить чистую поверхность окиси кремния. Анализ поверхности кремниевых пластин показал, что после плазмохимического травления в HF₆ с целью создания заданной топологии внешний монослой на поверхности SiO₂ полностью состоит из атомов фтора. После удаления пленки атомов фтора ионной бомбардировкой пучком ионов неона плотностью тока 10^-4 А/см² в течение 100 сек на поверхности кремния обнаружились загрязняющие примеси углерода. График спектра 1 демонстрирует монослойную чувствительность на примере пленки фтора. Под пленкой фтора элементы не видны, а второй и третий слои фтора не могут присутствовать из-за малой энергии связи - газовые атомы одного типа не образуют полиатомные пленки. В результате исследований определены режимы регистрации спектров. Зондирование анализируемой поверхности производится ионными пучками гелия и неона с энергиями 1-5 кэВ с плотностью тока пучка менее 100 мкА/см². Энергетический спектр отраженных от анализируемой поверхности ионов регистрируется под углом рассеяния более 90^о.

Сопоставительный анализ с прототипом и экспериментальные исследования показали, что на поверхности пластин после снятия резиста (пленки) происходит накопление технологических примесей на поверхности и существует оптимальное время травления для получения наиболее чистой поверхности пластины. Для анализа поверхностных загрязнений наиболее чувствительным является спектрометр обратно рассеянных ионов низких энергий с толщиной анализируемого слоя в 1 монослой, что осуществляется при зондировании поверхностей ионными пучками гелия и неона с энергиями 1-5 кэВ с плотностью тока пучка менее 100 мкА/см ² и регистрацией энергетического спектра отраженных ионов под углом рассеяния более 90°. В сравнении с прототипом вводится оптимум времени травления, что предотвращает бесконтрольное загрязнение поверхности подложки после снятия резиста (пленки). Чувствительность контрольного оборудования в сравнении с прототипом лучше более чем на порядок.