Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 (Введение) Роль щелевых структур в изготовлении МОП транзисторов 11
1.1 Процесс изготовления мелкощелевой изоляции 13
1.1.1 Формирование нитридной маски 15
1.1.2 Травление слоев и формирование канавки - 15
1.1.3 Верхние углы канавки и окисление поверхности 17
1.1.4 Заполнение канавки 18
1.1.5 Этап химико-механической полировки 20
1.2 ДМОП-транзисторы с щелелевым затвором 25
1.3 Методы формирования канавок в кремнии 27
1.3.1 Непрерывный процесс травления 28
1.3.2 Bosch процесс 30
1.3.3 Криогенный процесс 34
1.4 Анализ процессов травления Si для пригодности использования в изготовлении ИС 36
1.5 Рассмотрение проблемы и постановка задачи 38
Глава 2 Анализ объемных и гетерогенных процессов в реакторе высокоплотной плазмы при травлении Si 42
2.1 Источник проблемы прекращения травления и определяющие его
факторы 42
2.1.1 Рекомбинация атомов на поверхности 43
2.1.2 Эффект распыления кварцевого окна 51
2.1.3 Влияние состояния стенок камеры 51
2.1.4 Теплопроводность плазмы 52
2.2 Выводы 55
Глава 3 Методика экспериментов 57
3.1 Описание установки травления 57
3.2 Описание экспериментов 60
3.2.1 Исследование плазмы Cl2/02/N2 60
3.2.2 Исследование эффекта прекращения травления кремния 65
3.3 Методика оптимизации процесса травления канавок в Si 70
Глава 4 Определение влияния температуры кварцевого окна на концентрацию активных частиц в плазме CI2/O2/N2 72
4.1 Результаты и обсуждение 72
4.2 2 Влияние стен реактора на концентрацию частиц в плазме 87
4.3 Выводы ..89
Глава 5 Определение условий окисления и образования шероховатости поверхности 91
5.1 Механизм низкотемпературного окисления поверхности кремния в плазме 02 91
5.1.1 Факторы, влияющие на скорость окисления Si 93
5.1.2 Критические условия для роста слоя Si02 96
5.2 Результаты и обсуждение 98
5.2.1 Зависимость размера пятна от потока 02, давления, ВЧ-мощности и температуры пластины 98
5.2.2 Поверхностный анализ области прекращения травления 106
5.2.3 Исследование состава пассивирующего слоя в центре пластины ПО
5.2.4 In-situ анализ температуры и ВЧ напряжения на пластине используя сенсорные пластины PlasmaTemp и Plasma Volt 120
5.3 Выводы 122
Глава 6 Оптимизация процесса травления канавок в Si 124
6.1 Результаты и обсуждение 129
6.1.1 Роль добавки азота в смесь CI2/O2 при реактивно ионно-
плазменном травлении кремния 129
6.1.2 Оптимизированный процесс 135
6.2 Выводы 140
Заключение 143
Основные результаты работы и выводы 143
Основные положения, выносимые на защиту 144
Приложение 145
Список литературы
- Травление слоев и формирование канавки
- Эффект распыления кварцевого окна
- Исследование эффекта прекращения травления кремния
- Факторы, влияющие на скорость окисления Si
Введение к работе
Начиная с конца 1970-х плазмохимическое и реактивно- ионное травление получило широкое распространение в технологии интегральных схем (ИС). Это, в первую очередь, связано с тем, что плазменное травление обладает высокой анизотропией и происходит при достаточно низких температурах. В настоящее время, с развитием нанотехнологии, плазмохимическое травление является практически единственным инструментом для перенесения рисунка ИС в маскирующем слое в материал подложки.
Важным этапом формирования ИС является изготовление изоляции элементов в кремниевой подложке. С момента, как полупроводниковая промышленность достигла критического размера 0.25 мкм для изоляции элементов применяется технология мелкощелевой изоляции (shallow trench isolation (STI)). С каждым годом полупроводниковая промышленность продолжает уменьшать критические размеры интегральных схем и требования к изоляции элементов становятся все более строгими. Например, важными параметрами вытравлимаемых канавок для мелкощелевой изоляции являются такие, как скругление дна и верхних углов канавки, боковые гладкие стенки с углом наклона- 75°-85° и высокая однородность этих параметров по пластине. Одним из факторов, определяющих заданные требования, является воспроизводимость процесса от пластины к пластине, играющая существенную роль в процессе травления. Изменение в состоянии стенок реактора и их влияние на химический состав плазмы было определено как одна из наиболее важных причин изменения параметров процесса, таких как изменение в скорости травления, в профиле структуры, в селективности к маске или однородности по пластине. Было показано, что изменение в состоянии стенок реактора после каждой і пластины происходит из-за осаждения продуктов реакции на внутренние части камеры, что приводит к потерям (или образованию) активных частиц в плазме. Хотя, в настоящее время данная проблема сведена к минимуму путем использования очистки камеры после травления каждой пластины (wafer-less auto clean (WAC)) во фтор- и кислородсодержащей плазме, некоторые вопросы все еще остаются непонятыми до конца и процессы нуждаются в дополнительной оптимизации.
При переходе на пластины большего диаметра многие проблемы, особенно связанные с однородностью, приобретают качественно новый аспект. Некоторые эффекты, которые не проявляются на пластинах меньшего размера, становятся критичными; на пластинах диаметром 300 мм. Например, при травлении STI структур в плазме GI2/O2/N2 в реакторе высоко плотной- плазмы ТЄР 2300 Versys Кіуо фирмы-LAM:Research при определенных условиях;травления, наблюдалось полное- прекращение травления; кремният в центре пластины. При этом параметры процесса (ВЧ- мощность, давление, потоки- газов и; т.д.) были постоянными; для каждой пластины. Реактор 2300 Versys Кіуо на момент выполнения работы являлся последней разработкой;из серии 2300 Versys Кіуо. Он предназначен для травления1 кремния;, поликремния;, нитридов; силицидов и металлов; с критическими размерами;менее 90 нм.
При; фомировании STI структуры в процессе, с использованием- смеси Cl2/02/N2 концентрация- кислорода должна быть близ к; критической чтобы обеспечит эффективную защиту боковых стенок; формируемого- углубления ; пленкош оксида кремния от подтравливания: Однако небольшое увеличение концентрации активных радикалов кислорода может; привезти ю: полному прекращению травления:
Изменение критических условий сильно зависит от размеров пластины І изгза і измененияпрофиля обеднения активных компонентов; плазмы врезультате расхода на реакцию травления, и осложнения; диффузионных; процессов: Также известно;, что изменение отношения! площади поверхности к объему играет важную роль в гетерогенных химических реакциях свободных радикалов, изменяя химический состав газовой; фазы; (плазмы). Поэтому настоящая? работа ориентирована на исследование и оптимизацию процессов; травления канавок дляї мелкощелевой: изоляции, в- кремнии-; на пластинах диаметром 300 мм. Согласно решению правительства Российской,Федерациишереход на технологии с высокой,степенью: интеграции на пластинах диаметром 300 мм является стратегическим; направлением отечественной микроэлектроники. Микрон (Sitronics) является; первой отечественной компанией, осваивающей технологию на пластинах диаметром 300 мм с минимальными размерами меньше 100 нм. На основании согашения между ІМЕСом (Interuniversity Microelectronics Centre) и Микроном, существенная часть экспериментальной работы была выполнена в IMEC. Цели и задачи работы Настоящая работа посвящена детальному изучению механизма прекращения, травления в центре пластины диаметром 300 мм при травлении канавок в Si для мелкощелевой изоляции и оптимизации процесса формирования »канавки. При этом решался весь комплекс связанных с этой проблемой следующих задач:
1. Анализ причин, приводящих к дестабилизации процесса травленш канавок в Si, и выявление вклада различных факторов в изменение условий травления, определяющих, в1 конечном итоге, профиль структуры, однородность травления по пластине, а также воспроизводимость процесса от пластины, к пластине.
2. Установление взаимосвязи между процессами, поисходящими в объеме и на поверхности пластины, с параметрами процесса травления, такими как, состав: газовой смеси, давление, ВЧ-мощность, потенциал смещения на, пластине и- температура пластины.
3. Исследование эффекта образования прекращения! травления- BS центре пластины, определение условий образования пассивирующего слоя и его-химического состава. Исследование образования этого эффекта при различных давлениях, ВЧ-мощностях, потоках газов и температуры пластины.
4. Разработка оптимальных условий процесса травления канавок в Si? для мелкощелевой изоляции размером менее 0,18 мкм на пластинах диаметром 300 мм, обепечивающих требуемый профиль канавки, однородность травления по пластине и воспроизводимость от пластины к пластины.
Научная навизна и достоверность
1. Впервые установлено, что нагрев кварцевого окна верхнего электрода играет существенную роль в полном прекращении травления Si при травлении, канавок на пластинах диаметром 300 мм в газовой смеси С12/С)2 2- Выявлена роль реакций, протекающих на поверхности и в обьеме плазмы в дестабилизации условий процесса травления.
2. Установлено, что прекращение травления происходит из-за увеличения концентрации атомарного кислорода О , несмотря на одновременное увеличение атомарного хлора СІ . Изменение концентрации радикалов связано с температурной зависимостью вероятности рекомбинации радикалов кислорода и хлора на поверхности кварца.
3. Исследовано влияние температуры кварцевого окна верхнего электрода на образование пассивирующего слоя SiOxCly на поверхности пластины при различных потоках С 2, давлениях, ВЧ-мощностях и температурах подложки. Показано, что механизм образования) пассивирующего слоя SiOxCly в смеси-GI2/O2/N2 имеет подобие с механизмом взаимодействия кремния Si с кислородом О в плазме кислорода 02 в так называемых "критических условиях".
4. Изучены закономерности формирования профиля травления канавки в Si, однородности травления по пластине и воспроизводимости процесса от пластины к пластине при целенаправленном изменении параметров травления, таких как, состав газовой среды, давление, ВЧ-мощность, потенциал смещения на пластине и температура платины.
Практическая ценность
1. Проведенные исследования» влияния кварцевого окна верхнего электрода TCP реактора высокоплотной плазмы выявили недостатки конструкции камеры при травлении структур для мелкощелевой изоляции на 300 мм- пластинах и позволили решить проблему, связанную с неоднородностью травления кремния
2. Установлены практические рекомендации по стабилизации температуры кварцевого окна верхнего электрода реактора высокоплотной плазмы, как одной из оновных причин, дестабилизирующих процесс травления кремния.
3. Разработан базовый процесс с оптимальными параметрами, позволяющий исключить влияние температуры кварцевого окна верхнего электрода TCP реактора высокоплотной плазмы.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из предисловия, 6 глав, заключения, одного приложения- и списка литературы, включающего работы автора. Каждая из глав (исключая Главу 3 - методика экспериментов) сопровождается разделом "Выводы", в котором кратко описываются основные из сформулированных в данной главе положений. Кроме того, в конце диссертации основные из полученных результатов изложены в разделе "Заключение".
Диссертация начинается введением (Глава 1\ в котором дается краткое описание применения щелевых структур в изготовлении МОП-транзисторов: для формирования изоляции элементов и для формирования затвора. Также, изложена технология изготовления мелкощелевой изоляции, описаны основные сложности процессов и рассмотрены преимущества и недостатки перед технологией локального окисления кремния (LOCOS). Проводится анализ процессов травления пригодных для формирования канавок в кремнии с заданными характеристиками. Изложена проблема, возникающая при травлении структур для мелкощелевой изоляции транзисторов в ИС. Приведена постановка задачи, в которой определены, основные цели диссертационной работы. .
Во второй главе проводится анализ возможных причин, приводящих к изменению соотношения травящей компоненты к пассивирующей в плазме CI2/O2/N2, что приводит к образованию пассивирующего слоя на поверхности пластины. Было рассмотрено, четыре возможных механизма, объясняющих изменение соотношения концентрации радикалов в плазме в процессе травления и появление прекращения травления: 1) изменение коэффициента рекомбинации атомов на поверхности кварцевого окна, с изменением температуры, 2) распыление кварцевого окна ионной бомбардировкой, что приводит к освобождению атомов О в плазму, 3) загрязнение поверхности боковых стенок камеры, т.е. изменение коэффициента рекомбинации атомов на поверхности и 4) нагрев нейтральных атомов и молекул при соударении их с нагретой поверхностью кварцевого окна, что может приводить к образованию градиента температуры на поверхности пластины, т.е. изменение кинетики поверхностных реакций.
В третьей главе диссертации подробно рассмотрен реактор высокоплотной плазмы LAM 2300 Versys Кіуо, в котором проводились все эксперименты, И платформа LAM 2300, на которой он установлен. Изложена методика проведения экспериментов. Подробно описаны- методики, применяемые в данной работе: оптическая эмиссионная спектроскопия, объединенная с актинометрией, используемая для определения относительных концентраций частиц в плазме, и эллипсометрия, используемая для определения толщины слоя.
Четвертая глава посвящена изучению травящей плазмы Cl2/02/N2. Проводится анализ оптических эмиссионных спектров, записанных в 02/Аг, С12/Аг, N2/Ar, Cl2/02/Ar и Cl2/02/N2/Ar плазмах. Показано, что увеличение температуры кварцевого окна с 47°С до 110°С приводит не только к увеличению концентрации радикалов О , но также к увеличению концентраций радикалов С1 и электронно-возбужденных молекул С12 в плазме более чем на 20%, концентрация радикалов N при этом не изменяется. По результатам проведенных экспериментов делается заключение, что при увеличении температуры кварцевого окна механизм загрязнения боковых поверхностей реактора и механизм распыления кварцевого окна играют не основную роль в увеличении концентрации радикалов О в плазме при травлении канавок в Si для мелкощелевой изоляции и исключаются из рассмотрения.
Пятая глава посвящена детальному изучению механизма образования пятна на поверхности пластины во время травления Si. Рассмотрен механизм окисления поверхности Si и факторы, влияющие на скорость окисления. Проанализированы результаты экспериментов, позволяющих определить условия и состав формируемого слоя оксида кремния в центре пластины, препятствующего травлению. Исследованы зависимости размера области прекращения травления от температуры кварцевого окна при разных потоках 02, давлениях, ВЧ-мощностях и температурах пластины. Результаты экспериментов, проведенных с использованием сенсорных пластин PlasmaTemp и PlasmaVolt фирмы KLA Тепсог показывают, что температура кварцевого окна не влияет на температуру подложки во время процесса, а градиент концентрации частиц в плазме присутствует изначально. Данные эксперименты позволили исключить из рассмотрения механизм теплопроводности плазмы, доказывая, что только изменение коэффициента рекомбинации атомов на кварцевом окне приводит к изменению состава плазмы. Показано, что механизм образования оксида в центре пластины имеет сходство с взаимодействием Si с радикалами О в так называемых "критических условиях".
Глава шесть посвящена оптимизации процесса травления канавок в Si в смеси Cl2/02/N2 для формирования мелкощелевой изоляции в ИС. Приведен подробный анализ проблемы возникновения прекращения травления в центре пластины. Рассмотрены результаты экспериментов, проведенных для определения роли азота в исследуемой смеси. Показано, что добавка азота способствует увеличению концентрации радикалов О в плазме и приводит к образованию более гладких поверхностей канавки. Показано, что замена азота на аргон не дает образования повышенной шероховатости поверхности Si на краю пятна и, также как и азот, не значительно влияет на потребление нитридной маски. Приведен анализ влияния параметров процесса (таких как потоки газов, давление, ВЧ-мощность и смещение на пластине) на профиль и селективность травления. По итогам проведенных исследований удалось подобрать оптимальные параметры процесса, позволившие исключить появление остановки травления при нагреве кварцевого окна.
Травление слоев и формирование канавки
Схема последовательности формирования мелкощелевой изоляции показана на Рис. 2. Первым этапом является очистка пластины перед формированием защитных слоев: поднитридного оксида (pad oxide) толщиной 6-8нм и нитрида толщиной 50-200нм. Следующий этап литография - нанесение антиотражающего покрытия (АОП) и формирование фоторезистивной маски с заданными критическими размерами. После того как маска сформирована, следует травление. Преимущественно для травления структур для мелкощелевой изоляции используются реакторы» высоко плотной плазмы. Травление осуществляется в одном реакторе за один цикл, т.е. первым травится слой АОП, далее Si3N4, затем Si02 и в конце формируется канавка с наклонными боковыми стенками. Для травления каждого слоя используют разный состав газовой смеси. Оставшийся фоторезист удаляют в- кислородной плазме. Далее поверхность канавки окисляют для формирования тонкого слоя» оксида (liner oxide) толщиной 30-40нм. После этого канавка заполняется оксидом методом химического газофазного осаждения (Chemical vapor deposition (CVD)). Далее лишний.оксид нужно удалить и для этого применяют химико-механическую полировку (ХМП). Слой нитрида играет роль стоп слоя1 в процессе ХМП. После полировки слой нитрида удаляется в горячей ортофосфорной кислоте (Н3Р04). Финальным этапом формирования мелкощелевой изоляции является планаризация поверхности, т.е. уменьшение высоты оставшейся ступеньки оксида между активной- областью и областью изоляции до 10-20нм. Жидкостное травление оксида применяется для подготовки кремниевой поверхности к формированию подзатворного диэлектрика и поликремневого затвора. Каждый из этих процессов по-своему сложен и имеет множество проблем в осуществлении, для решения которых в технологии изготовления КМОП-транзисторов используются различные способы. Качество последующего процесса зависит от предыдущего, т.е., например, качество заполнения, канавки оксидом зависит от качества профиля канавки (шероховатость и угол наклона боковых стен, степень закругления дна и верхних углов). Рассмотрим подробнее все тонкости этапов процесса формирования изоляции. очистка поверхности формирование оксида 6-8нм осаждение нитрида 50-200НМ нанесение АОП формирование фоторезистивной маски удаление нитрида в НЗР04 планаризация поверхности в HF удаление фоторезиста и АОП окисление поверхностей канавки газофазное осаждение оксида
Нитридная маска влияет на планарность, допуски ХМП процесса и литографию. Толстый слой нитрида на Рис. 2 увеличивает разницу в высоте над активной и изоляционной областью (активная область - область кремния под нитридом, изоляционная область - область, заполненная диэлектриком). Максимальная толщина нитрида определяется предельно допустимой разницей. Нулевая разница (что желательно для последующей литографии) требует очень тонкого слоя нитрида. Однако, если слой нитрида очень тонкий, то его будет недостаточно для использования в ХМП процессе в качестве стоп слоя. Оптимизация толщины нитрида также необходима для обеспечения защиты активных областей во время ХМП процесса. Толщина нитридной маски задается так, чтобы после ХМП процесса оксид над областью изоляции возвышался на достаточную высоту над активной областью кремния. Это делается для предотвращения оголения верхних углов канавки при последующем удалении поднитридного оксида с активной области перед выращиванием подзатворного окисла (Рис. 3(a)). В случае оголения углов поликремневый затвор покрывает их. Это приводит к увеличению субпороговых утечек на краях транзистора.6
Проблемы, возникающие при формировании мелкощелевой изоляции: (а) образование оголенных углов после очистки в HF, (б) образование микроканавок при перетравли вании, (в) образование пустоты при заполнении. Травление слоев и формирование канавки
Как упоминалось выше, процесс травления осуществляется в одном реакторе за один цикл. Для травления АОП используется плазма CF4, для нитрида - смеси CF4/CH2F2/O2, SF6/02/N25 и др. Вертикальное травление нитрида оптимизировано для получения наибольшей чувствительности к моменту окончания процесса (end point detection) и селективности к оксиду. Если вовремя не остановить травление, то стравится поднитридный оксид и в кремнии образуются микро канавки у края нитрида (Рис. 3(6)). При этом верхний угол канавки становится прямым, что делает структуру склонной к утечкам на краях. Далее следует удаление фоторезистивной маски в кислородной плазме. Но после этого необходимо удалить образовавшийся окисел на поверхности кремния, препятствующий дальнейшему травлению. Для этого используют плазму CF4, удаляющую сразу и слой АОП. При травлении канавок в кремнии используются различные газовые смеси на основе С12, такие как С12/02, С12/НВг , Cl2/HBr/N2 и др. Причиной этому является то, что хлор химически не травит образующийся Si02 и более совместим с технологиями микроэлектроники, т.к. молекулы SiClx хорошо летучи в присутствии ионной бомбардировки. Это способствует быстрому удалению хлора с поверхности термическим отжигом, что делает невозможным дальнейшее появление коррозии металлов. Соотношение газов и параметры процесса подбираются так, чтобы процесс проходил на границе между травлением и пассивацией, для получения наклонных стенок. В процессе травления канавок высокие требования предъявляются к профилю. Профиль влияет на дальнейшее заполнение канавки оксидом методом CVD. Травление кремния выполняется таким образом, чтобы угол наклона боковых стен канавки был 75- 85 и углы на верху и на дне канавки были скругленные. На Рис. 4 показан снимок канавок шириной 180 нм. Скругленный верх препятствует образованию острых углов во время окисления поверхности канавки, а наклонные боковые стенки препятствуют образованию шва или, еще хуже, пустоты в центре канавки во время заполнения ее оксидом (Рис. 3(B)). Скругленное дно предотвращает образование напряжений в оксиде. На Рис. 5 показана зависимость глубины канавки и угла наклона боковых стен от ширины щели, показанная авторами в работе [9]. Чем уже канавка, тем глубина ее меньше, а стенки имеют меньший наклон. В настоящее время оптимизация процесса на современном оборудовании позволяет добиться аспектно-независимого травления Si.
Эффект распыления кварцевого окна
Влияние стенок камеры на изменение состава плазмы в разрядах высокой плотности, применяемых для плазменных процессов, остается одним из наименее понимаемых аспектов взаимодействий плазмы со стенками камеры. Для различных атомов и радикалов, производимых в высоко плотных плазмах при низком давлении, скорость химических реакций в газовой фазе обычно на много меньше, чем скорость их диффузии к стенам камеры. Таким образом, химические процессы, происходящие на стенах реактора, в объединении с реакциями диссоциации в» газовой фазе, вызванных электронным ударом, контролируют компонентный-состав и химиюплазмы.36 52
Отклонение процесса во время травления пластин было- изучено многими авторами.36 37 51 52 53 54 55 Например, в [51] рассмотрели влияние чистой поверхности боковых стен (анодированный алюминий) и поверхности загрязненной слоем SiOxCly на состав газовой фазы в плазме С12 в ICP ректоре LAM 9400. Авторы показали, что поверхность камеры, находящаяся в плазме С12 в течение 20 минут, покрывается слоем SiOxCly 32А, а ее обработка в плазме SF6/02 полностью отчищает поверхность камеры, до исходного состояния;, т.е.. до анодированного алюминия.. В; работе [54] авторы изучали влияние поверхностей камеры на. пространственное распределение концентрации радикалов: Є1 и на. однородность скорости травления поли-Si- в. плазме С12 в реакторе LAM 9400. Они наблюдали увеличение средней скорости травления: с увеличением толщины слоя? SiQxCly на: поверхности камеры, и; улучшение однородности травления на пластине при; толщинеслоя 9А.и ухудшение при дальнейшем; увеличении толщины слоя: Было также показано; что средняя скоростьтравленияш однородностьна пластине могут быть возвращены к исходным значениям после удаления слоя оксихлорида кремния.;в плазме: SFe- В работе [ ] изучали влияние условий:стенок камеры,на: изменение: параметров? процесса при; травлении поли-Si: затворов: в. плазме ЄІг/НВг/02. В работе [55] показано, что поверхность камеры, покрытая-, углеродом, позволяет улучшить травление различных слоев при: формировании/ затвора; в; плазмах содержащих С12, 02, HBr,. GH2F2 и ВЄІз. Авторами было предположено добавить дополнительный- шаг в: процесс плазменной очистки камеры; между пластинами, который; осаждает слой;, богатый углеродом,, на. внутренние поверхности реактора; Во всех этих работах авторы одинаково объясняют явление изменения параметров» процесса; при? загрязнении! внутренних поверхностей камеры:, изменение коэффициента, рекомбинации атомов на поверхности,, т.е. изменение химического состава плазмы.
Теплопроводность плазмы
Известно, что- исследование теплопроводности плазмы: является чувствительным средством для того, .чтобы с обнаружить малейшие изменения -в его состоянии.. Основными- параметрами; характеризующими плазму, являются плотности составляющих ее частиц - электронов;, ионов; и нейтралов; и их температуры. При низкихдавлениях (К йї где 1- длина свободного пробега; ad? размер; камеры) тепловое: равновесие устанавливатьсяs не успевает. Так,, в плазме (тлеющем газовом разряде) мы имеем дело с. "горячими" электронами: и "холодными" ионами. Электроны быстро ускоряются электрическим полем и почти не теряют энергии при соударении с тяжелыми ионами и атомами газа; а также при столкновении со стенками камеры. Наоборот, ионы быстро отдают полученную от поля энергию нейтральным атомам газа и атомам стенок, поскольку массы их близки. В результате реализуются условия, при которых электроны характеризуются одной - более высокой, а ионы - другой, более низкой температурой. Ионы, передавая свою энергию атомам поверхности, нагревают ее. В нашем случае стенки реактора охлаждаются и имеют постоянную температуру 60С, т.е. нагревается только кварцевое окно, не имеющее системы охлаждения. В таком случае, возможен механизм нагрева нейтральных атомов и молекул при соударении их с нагретой поверхностью (Рис. 25). Необходимо рассматривать два типа нейтральных частиц, ударившихся о поверхность: 1) задержавшиеся на поверхности в течение времени т и 2) сразу отскочившие от поверхности. Тогда такой механизм можно описать неравенством Е_ т т, =r0expRT , (28) где Tj - время, проведенное на поверхности частицы второго типа, Т-о 10" с -время одного колебания на поверхности.
Обычно принимают во внимание, что твердое тело имеет так много степеней свободы, что эффект адсорбционного взаимодействия не нарушает теплового распределения независимо от величины адсорбционного взаимодействия. Наиболее эффективным в релаксации колебаний адсорбированных частиц является фононный механизм обмена энергии высокочастотных колебаний на низкочастотные. Простейшим вариантом служит однофононный механизм релаксации, когда частота колебаний адсорбированной частицы попадает в диапазон частот колебаний атомов твердого тела. Скорости однофононных процессов зависят от соотношения масс и частот колебаний адсорбированных частиц и атомов твердого тела и обычно лежат в диапазоне 102-1013 с"1.
Исследование эффекта прекращения травления кремния
Интенсивность оптической эмиссии отражает плотность возбужденных состояний, которая часто бывает мала и- изменчива по отношению к плотности основных состояний. Хотя эта неопределенность не влияет на использование ОЭС в качестве мониторинга в реальном времени, она влияет на пригодность ОЭС данных для понимания процесса. Исследованию связи ОЭС данных с плотностью частиц было посвящено несколько работ.61
Актинометрия это метод, используемый для получения плотностей основных состояний из ОЭС данных.58 5 ,б1 При использовании актинометрии в разряд добавляется небольшое, но контролируемое количество не взаимодействующего газа X (актинометр), чтобы определить количество частиц А в основном разряде. Если X и А образуются с близкими энергиями возбуждения по одной реакции (см. реакцию (34)) и излучают при возвращении в, основное состояние, и, если они в процессе формируют похожие зависимости поперечных сечений и пороговые энергии, можно ожидать, что NA=CMNJ±A, (38) \2х) где N x концентрации частиц А и X в разряде, С АХ константа и 1А ОЭ интенсивность от возбужденных частиц. Чтобы быть уверенным, что Nx пространственно однородна, в качестве актинометра используют инертные газы. Константу САХ можно определить как д KD{X)Q,CXA КВ(ЛУ СЛ.А где KD константа детектора, QA T квантовый выход для фотонной эмиссии из возбужденного состояния (0 2л г 1)и Си, я т константа пропорциональности. Актинометрию можно не использовать, если есть другие доступные методы оптической спектроскопии, такие как абсорбция и индуцированная лазером флуоресценция, но она проще и дешевле, чем эти методы. Актинометрия применима ко всем типам плазменной обработки, не только для травления.
Исследование эффекта прекращения травления кремния
Для изучения эффекта прекращения травления Si, скорость травления была измерена на пластинах поли-8і(200нм)/8іО2(60нм)/8і и использовали размер пятна в середине пластины, как показатель этого явления. Скорость травления поли-Si измерялась в зависимости от потока 02, давления, ВЧ-мощности и температуры подложки. Потоки С12 100 см3/мин был постоянным для всех случаев. Поток N2 менялся при изменении потока 02, чтобы держать постоянным суммарный поток 02+N2 28 см3/мин. Для всех этих экспериментов использовался исходный рецепт, указанный в таблице 5. Например, при измерении скорости травления при разных потоках 02, меняли только поток 02, остальные параметры были постоянными. В случае давления - изменяли только давление, остальные параметры были такими же, как в исходном рецепте и так далее. Процесс проводился для семи разных температур кварцевого окна в диапазоне 50-110С.
Для измерения скорости травления Si02 были использованы пластины со слоем термического Si02 толщиной 600 нм на Si. При травлении слоя Si02 использовали также исходный рецепт. Процесс проводился при разных давлениях (20, 40 и 60 мТорр) и ВЧ-мощностях (700, 1000 и 1300 Вт). Чистые Si1 пластины использовались для определения толщины слоя оксида в центре пластины, формируемого при травлении Si - в плазме GI2/O2/N2. Эксперимент проводили со смещением на подложку и без него; Состав слоя осажденного оксида исследовался времяпролетной масс-спектрометрией вторичных ионов (TOFSIMS).
Температура и ВН напряжение. на поверхности пластиньъ были измерены in situ с помощью сенсорной пластиньїРІаБтаТетр и PlasmaVolt от К-Т promesys (КЬА Tencor) соответственно.. Єенсорнаяшластина PlasmaTemp имеет 42 датчика, расположенных на подложке-носителе 300 мм; Она позволяет записывать данные с частотой!- Гц и обеспечивает беспроводную передачу данных после эксперимента. PlasmaVolt имеет похожие характеристики и только 7 датчиков: на пластине. Поверхность пластин покрыта защитным;слоем полимера. Методика эксперимента: была построена таким образом;; чтобы- минимизировать расход защитного полимера: при погружении- сенсорной; пластины в плазму. Температура поверхности" пластины сначала была записана в неагрессивной- Не плазме (поток: Не 200 см /мин).на.протяженииівременирнагреваікварцевого окна. Времякнагрева; составило около 30? мин.: Показания температуры, пластины записывались с интервалом; в 10 секунд.. Далее, сенсорную пластину погрузили в агрессивную плазму GI2/O2/N2 и записывали;показания:температуры;44 секунды, каквіреальном процессе травления. Показаниям записывались с. интервалом в 1 секунду при ТКО1 50С и 110С. ВЧ напряжениебылозаписано в плазме,Gl2/02/N2такжев течении44 секунд при ТКО50Є и 100С.
Эксперимент с пластиной: PlasmaVolt был также проведен в реакторе емкостно-связанной плазмы (CGP) LAM 2300Exelan Flax,, чтобы; сравнить, с результатами, полученными BpeaKTope:EAM 2300VersysKiyo. Одним изосновных отличий реакторов СЄР от ТЄР является шаличие кварцевого окна. ВЧшапряжение было измерено в плазме. GH2F2/G4F6/Ar/02/GO при температурах; верхнего электрода; 80?Сш120?С.
Толщины поли-Si и Si02 измерялись- на эллипсометреБОСАТепсог SGDlOO-и SENTEG№80r.
Для полного понимания процедуры изучения прекращения; травления на пластине необходимо рассмотреть методику времяпролетной масс-спектрометрии вторичных ионов и эллипсометрию. 3.2.2.1 Времяпролетная масс-спектрометрия вторичных ионов (TOFSIMS) TOFSIMS представляет собой бомбардировку поверхности образца ионами (первичные ионы) и регистрацию выбитых ионов из образца (вторичные ионы). Выбитые ионы анализируются масс-спектрометром. Распыление используется для разрушения поверхности и, таким образом, получения информации о частицах находящихся в глубине слоя. К сожалению, распыление вызывает много помех таких, как имплантация и, собственно, само распыление. Характеристика метода определяется самим масс-спектрометром: им измеряется время полета иона от источника ионов (поверхность образца) до детектора в зависимости от массы иона.
Несмотря на сложности, связанные с количественным анализом, TOFSIMS является необходимым методом для определения степени загрязнения и профиля концентрации частиц по глубине.
Факторы, влияющие на скорость окисления Si
При рабочем давлении 40 мТорр и ВЧ-мощности 1000 Вт интенсивности пиков излучения, а значит и концентрации (согласно актинометрии), радикалов С1 и О увеличиваются более чем на 20% с увеличением ТКО с 47С до 110С. Следовательно, можно предположить, что появление пятна в центре пластины происходит из-за увеличения концентрации радикалов О в плазме, несмотря на наблюдаемое увеличение концентрации радикалов О тоже.
На Рис. 37-Рис. 39 показаны спектры, записанные в плазме С12/Аг, при ТКО 60С для давлений 20, 40 и 60 мТорр.1У Из литературы известно, что при постоянной мощности вводимой в плазму с увеличением давления диссоциация молекул С12 уменьшается, результатом этого является уменьшение плотности электронов и электронной температуры.63,64 65 66 Это хорошо согласуется с нашими результатами (Рис. 37): интенсивность полосы С12(255нм) увеличивается с увеличением давления, а интенсивность линии С1(837нм) уменьшается. Этот эффект можно объяснить так: при низкой плотности средняя энергия электронов» должна увеличиваться, чтобы поддерживать ионизацию, вызванную электронным ударом. К сожалению, полосы 02 в записываемом спектральном диапазоне (200 нм - 900 нм) не видно, но можно заметить, что интенсивность линии 0(777 нм) уменьшается с уменьшением давления, что соответствует выше описанному механизму для хлорной плазмы. В N2/Ar плазме с увеличением .давления уменьшаются интенсивности как полосы N2(336 нм), так и линии N(746 нм). В1 плазме смеси С12/02/Аг зависимость интенсивности молекулярного хлора от давления отличается от С12 плазмы: интенсивность лини С12(255 нм) при 20 мТорр больше, чем при 60 мТорр, а в С12/Аг плазме наблюдается увеличение интенсивности молекулярного хлора с увеличением давления. Очевидно, что кислород взаимодействует с хлором, что и приводит к несоответствию с описанным выше механизмом. Хотя, в работе [67] авторы утверждают, что в плазме С12/02 взаимодействие между радикалами С1 и О очень слабое, т.к. оба газа, являются электроотрицательными. В Cl2/02/N2/Ar плазме из рассматриваемых линий и полос видно только полосу С12(255 нм) и линии С1(837 нм), и N2(336 нм), из-за слабой концентрации потоков 02 и N2 в смеси остальные линии перекрываются более интенсивными пиками хлора.1У Поведение видимых линий и полос с увеличением давления идентично поведению в С12 и N2 плазмах. Можно предположить, что исследуемые типыплазм адекватно отражают поведение частиц в плазме смеси Cl2/02/N2.
На Рис. 41 показаны спектры, записанные в С12/Аг плазме при ТКО 60С для ВЧ-мощностей 700, 1000 и 1300BT.1V ВО всех исследуемых плазмах наблюдается, увеличение интенсивности с увеличением ВЧ-мощности. Мощность,, по даваемая в плазму, нагревает нейтральные частицы, в газе, которые передают полученное тепло стенкам реактора и пластине. Это увеличение температуры газа приводит к уменьшению плотности нейтралов. Снижение плотности газа способствует увеличению температуры, и плотности электронов, таким образом, повышая вероятность возбуждения при электронном ударе.68 69 70 В дополнении к снижению численной плотности, обусловленной нагревом- газа при высоких мощностях, происходит уменьшение концентрации молекул С12, образование атомов. С1, и увеличение ионизационного потенциала, что приводит к увеличению электронной температуры для поддержания.ионизационного процесса.
На Рис. 44 показана зависимость отношения интенсивностей С12/С1 от давления и ВЧ-мощности в Gl2/Ar плазме. Из этих зависимостей видно, что отношение молекулярных частиц к атомарным уменьшается с увеличением ВЧ-мощности и увеличивается с увеличением давления. Состав плазмы,формируется благодаря- балансу между объемной1 диссоциацией и- поверхностной рекомбинацией. С уменьшением давления температура электронов увеличивается, приводя к увеличению коэффициента скорости диссоциации. Хотя диффузия атомов О к стенам реактора для рекомбинации также становится более быстрой при низком давлении. С увеличением мощности подаваемой в плазму электронная плотность увеличивается и диссоциация молекул С12 линейно возрастает с увеличением электронной плотности. Температура нейтралов также увеличивается с увеличением ВЧ-мощности, их плотность уменьшается. Это приводит к более быстрой диффузии атомов О на стены реактора для рекомбинации. Однако температура стенок увеличивается с увеличением ВЧ-мощности, но это менее важно, по сравнению с увеличением электронной плотности. Травление кремния в высокоплотной плазме при низком давлении очень чувствительно к отклонениям процесса. При низком давлении взаимодействия плазма-стенки реактора играют существенную роль в химии разряда. Отклонения процесса - это признак изменения условий стенок камеры. В порядке ограничения изменений условий стенок камеры и создания стабильной и воспроизводимой среды для процесса, общепринятым в полупроводниковой технологии является, приспособление реактора к такого рода изменениям. Однако фундаментальное понимание важнейших механизмов работы в оптимизации процесса не полностью изучено. Было замечено, что если реактор долго не использовать (более 4-х часов), то концентрация частиц, в плазме1 при травлении первой- пластины значительно меньше по сравнению с абсолютно такими же условиями процесса, но в непрерывном режиме работы.
На Рис. 45 показаны спектры, записанные в плазме Ог/Аг при давлении 40 мТорр и ВЧ-мощности 1000 Вт. Несмотря на одинаковые параметры процесса на рисунке видна разница в интенсивности линии 0(777нм). Спектры записывались в разное время: 1) сразу после длительного простоя камеры (при ТКО 55С) и 2) после обработки одной пластины (при ТКО 52С). Разница в температуре не существенная, поэтому фактор влияния температуры кварцевого окна можно опустить. В первом случае интенсивность 0(777нм) значительно меньше, чем во втором. Интенсивность линии Аг(750нм) остается практически постоянной доказывая, что никаких изменений в параметрах плазмы нет. Изменения в концентрации радикалов О происходит, из-за изменения скорости потерь атомов О (радикалов О ) на стенах реактора. Тот факт, что очистка камеры возвращает процесс в исходное состояние, говорит о том, что отклонение в концентрациях связано с изменениями, происходящими на стенках реактора
