способ контроля момента окончания травления в плазме вч- и свч-разряда в технологии изготовления полупроводниковых приборов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ контроля момента окончания травления в плазме ВЧ- и СВЧ-разряда в технологии изготовления полупроводниковых приборов, включающий измерение и обработку модулированного сигнала оптической эмиссии плазмы на характеристической длине волны частицы-реагента поверхностной реакции, интенсивность которого изменяется в момент окончания травления удаляемого слоя в пределах площади открытых окон в литографической маске, отличающийся тем, что применяются принудительная амплитудная НЧ-модуляция несущей ВЧ- или СВЧ-частоты плазмообразующего генератора, обеспечивающая модуляцию оптической эмиссии плазмы, и последующая регистрация интенсивности эмиссии компонента плазмы, являющегося реагентом в поверхностной реакции, с использованием метода фазового (синхронного) детектирования, где опорным сигналом служит сигнал принудительной НЧ-модуляции плазмообразующего генератора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве объекта регистрации используется сигнал эмиссии характеристической длины волны частицы-продукта поверхностной реакции, интенсивность которого изменяется в момент окончания травления удаляемого слоя в пределах площади открытых окон в литографической маске.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения момента окончания процесса травления в качестве объекта регистрации используются сигналы оптической эмиссии характеристических длин волн частицы-реагента и частицы-продукта поверхностной реакции одновременно.

4. Устройство для контроля момента окончания травления в плазме ВЧ- и СВЧ-разряда в технологии изготовления полупроводниковых приборов, включающее волоконно-оптический приемник оптической эмиссии плазмы, монохроматор, обеспечивающий выделение характеристических длин волн из спектра оптической эмиссии, быстродействующий фотоэлектрический преобразователь, тракт обработки сигнала методом фазового (синхронного) детектирования, блок амплитудной НЧ-модуляции генератора плазмы и блок вывода информации о моменте окончания травления, отличающееся тем, что в предлагаемом устройстве применен внешний модулятор амплитуды плазмообразующего ВЧ- либо СВЧ-генератора низкочастотным сигналом в диапазоне от 10 кГц до 1 МГц синусоидальной или прямоугольной формы, обеспечивающий амплитудную модуляцию оптической эмиссии плазмы и одновременно формирующий опорный сигнал для фазового (синхронного) детектора в тракте обработки регистрируемого эмиссионного сигнала.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в нем используется монохроматор с возможностью одновременного измерения интенсивности характеристических эмиссионных линий как частицы-реагента, так и частицы-продукта реакции, а в тракте обработки сигнала используется двухканальный фазовый (синхронный) детектор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники и может быть использовано при производстве как полупроводниковых приборов и интегральных схем, так и приборов функциональной микроэлектроники: оптоэлектроники, акустоэлектроники, ПЗС и др.

Широко известен способ контроля момента окончания плазмохимического травления слоев микроэлектронных структур, основанный на измерении уровня эмиссии реагирующих компонентов и продуктов поверхностных реакций из объема плазмы в камере реактора, причем момент окончания травления слоя сопровождается ступенчатым изменением уровня эмиссии реагентов и продуктов реакции в ходе процесса [1, 2].

Существенным недостатком этого способа является уменьшение величины ступенчатого изменения полезного сигнала по мере уменьшения площади окон в литографической маске, открытых для травления, по отношению к общей площади пластины. Для операций изготовления современных УБИС, где площади окон травления могут составлять менее 1-3% площади пластины, данный способ неприменим, так как уровень изменения полезного эмиссионного сигнала становится сравнимым с уровнем шумов оптической эмиссии плазмы, вызванных физической природой разряда и работой автоматических систем стабилизации давления и газовых потоков плазменного реактора.

Известен способ контроля сухого травления и устройство на его основе с использованием возбуждения поверхности структуры, подвергнутой плазмохимическому травлению, дополнительным источником УФ-излучения и последующей регистрацией эмитированных фотоэлектронов вторичным электронным умножителем, помещенным в камеру реактора [3].

Недостатки этого способа - усложнение конструкции за счет введения дополнительного источника оптического излучения УФ-диапазона, а также необходимость внесения элементов измерительного оборудования непосредственно в камеру плазмохимического реактора, что отрицательно сказывается как на уровне загрязнения камеры при его контакте с химически активной плазмой, так и на степени надежности предложенного устройства. Кроме этого, в патенте [3] нет данных о работоспособности данного устройства в условиях плазмохимического травления при малых площадях окон в литографической маске для травления.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ и устройство определения момента окончания плазмохимических процессов травления в производстве полупроводниковых приборов, основанный на измерении уровня оптической эмиссии химически активных реагентов и продуктов реакции из объема плазмы и использующий естественную амплитудную модуляцию оптической эмиссии плазмы несущей частотой плазмообразующего генератора для увеличения отношения сигнал/шум путем фазового детектирования модулированного сигнала [4].

Недостаток этого способа заключаются в том, что естественная амплитудная модуляция оптической эмиссии плазмы на несущей частоте плазмообразующего генератора и его гармониках ограничена по диапазону частот сверху кинетикой процессов ионизации в плазме. Временной масштаб установления стационарных значений электронной и ионной плотности и энергетического спектра электронов в электрическом разряде составляет 1-50 мкс (в зависимости от давления). Если период несущей частоты генератора и соответственно электрического поля в разряде существенно меньше этой величины, то энергетический спектр электронов не реагирует на осцилляции поля [5]. В этом случае модуляция интенсивности возбуждаемых электронами электрически нейтральных химически активных радикалов в плазме отсутствует. Следовательно, явление естественной модуляции оптической эмиссии плазмы несущей частотой генератора и его гармониками может быть использовано только в установках с частотами плазмообразующего генератора менее 5-10 МГц. Таким образом, применение данного способа ограничено использованием в реакторах с емкостным и индуктивным типами разрядов, относящихся по современной классификации к низкочастотным.

Этот способ неприменим к современным промышленным реакторам плазмохимического травления с источниками плотной плазмы, использующим индустриальные диапазоны частот генераторов 13,56 МГц и более, а также 2,45 ГГц.

Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности определения момента окончания плазмохимического травления микроэлектронных структур с малой площадью окон травления в установках с источниками плотной плазмы при использовании плазмообразующих генераторов в ВЧ-диапазоне частот (13,56 МГц и более) и СВЧ-диапазоне частот (2,45 ГГц).

Поставленная цель достигается тем, что выделение полезного сигнала окончания момента травления удаляемого слоя из шумов оптической эмиссии плазмы производится с применением метода фазового детектирования сигнала оптической эмиссии, модулированного по амплитуде. Принудительная модуляция оптической эмиссии плазмы в ВЧ- и СВЧ-разряде достигается за счет использования внешнего низкочастотного модулятора, обеспечивающего амплитудную модуляцию плазмообразующего генератора синусоидальным или прямоугольным сигналом в частотном диапазоне 10 кГц - 1МГц. Сигнал модулятора одновременно является источником опорной фазы в схеме фазового детектирования сигнала оптической эмиссии плазмы. Частота сигнала модуляции, форма сигнала модуляции и глубина модуляции плазмообразующего генератора выбираются исходя из условия получения максимального отношения сигнал/шум преобразованного сигнала эмиссионных спектральных линий частиц реагентов и продуктов поверхностной плазмохимической реакции травления.

На фиг.1 представлены предлагаемые способ и устройство для определения момента окончания травления удаляемого слоя в ВЧ- и СВЧ-плазме при малой площади окон травления. Здесь показаны камера плазмохимического реактора 1 с обрабатываемой в плазме пластиной и окном для вывода оптической эмиссии плазмы, ВЧ- или СВЧ-генератор мощности 2, обеспечивающий генерацию плазмы в камере реактора, волоконно-оптический приемник оптической эмиссии плазмы 3, монохроматор 4, быстродействующий фотоэлектрический преобразователь 5, имеющий полосу пропускания сигнала не менее двойной частоты модулятора (например ФЭУ), тракт обработки сигнала с использованием метода фазового (синхронного) детектирования 6, блок амплитудной НЧ-модуляции генератора плазмы 7 и блок вывода информации о моменте окончания травления 8, в качестве которого может использоваться компьютер, одновременно обеспечивающий управление всеми остальными составляющими устройства.

Пример. Проводили плазмохимическое травление структуры со слоями поли-Si(500 нм)/SiO ₂(20 нм)/Si(подложка) в плазме газа SF₆ в камере 1 в установке сухого травления с индуктивно связанным ВЧ-источником плотной плазмы (ICP) с частотой плазмообразующего генератора 2, равной 13,56 МГц. В ходе процесса травления регистрировали интенсивность эмиссионной линии атомарного фтора (=703,7 нм), являющегося реагентом в поверхностной реакции травления. Регистрацию осуществляли быстродействующим акустооптическим спектрометром “Кварц-4М”, объединяющим функции монохроматора 4 и фотоэлектрического преобразователя 5. По ступенчатому изменению интенсивности оптической эмиссии фтора в момент прохождения границ слоев поли-Si/SiO ₂ и SiO₂/Si в ходе травления определялись моменты окончания травления слоев. Без использования блока модуляции 7 площадь окон травления в литографической маске, при которой величина полезного ступенчатого изменения сигнала эмиссии фтора равна амплитуде шумов (размах от пика до пика), составила 5,4% от площади пластины.

Использование предлагаемого способа контроля момента окончания травления в плазме ВЧ- и СВЧ-разряда и устройства для его осуществления обеспечило следующие преимущества: введение НЧ-модуляции мощности плазмообразующего генератора 2 синусоидальным сигналом с частотой 30 кГц от модулятора 7 и фазового детектора в тракт обработки сигнала оптической эмиссии 6 увеличило в 12,3 раза отношение сигнал/шум для сигнала интенсивности оптической эмиссии фтора на длине волны =703,7 нм. Это позволило регистрировать моменты окончания плазмохимического травления слоев на структуре поли-Si(500 нм)/SiO₂(20 нм)/Si(подложка) при площади окон, открытых для травления, равной 0,8% от общей площади пластины диаметром 150 мм, а также увеличило надежность контроля момента окончания процесса травления при большей площади окон травления.

Введение контроля момента окончания травления в реальном времени при травлении структур с малыми площадями открытых для травления окон в литографической маске по предложенному способу позволяет увеличить выход годных полупроводниковых приборов при их изготовлении, снизить затраты и себестоимость проведения технологических процессов.

Источники информации

1. А.А.Орликовский, К.В.Руденко. ДИАГНОСТИКА IN SITU ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И БЛИЖАЙШИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ. ЧАСТЬ I. Микроэлектроника, т.30, № 2, с.85-105 (2001).

2. Патент США № 6258497, кл. 430/30, 2001 (PRECISE END POINT DETECTION FOR ETCHING PROCESSES, Kropp et al.).

3. Патент Российской Федерации № 2091905, кл. Н 01 L 21/66, 1995 (УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОКОНЧАНИЯ ПРОЦЕССА СУХОГО ТРАВЛЕНИЯ, Дехтяр Ю.Д. и др.).

4. Патент США № 5989928, кл. 438/7, 1999 (METHOD AND DEVICE FOR DETECTING END POINT OF PLASMA TREATMENT, METHOD AND DEVICE FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE, AND SEMICONDUCTOR DEVICE, Nakata T. et al.).

5. Райзер Ю.П. и др. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ЕМКОСТНОЙ РАЗРЯД. М., Наука, 1995.