Разработки : Физико-технологический институт Российской академии наук

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЗАДЕЛ В ОБЛАСТИ ИСТОЧНИКОВ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ, ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ, ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

(Лаборатория микроструктурирования и субмикронных приборов,
Зав.лабораторией академик А.А.Орликовский)

Плазменные процессы в технологии кремниевых ИС, исследуемые в лабораториях ФТИАН

Травление кремния, кремнийсодержащих диэлектриков, металлов и т.д.

Низкотемпературное нанесение диэлектриков

Снятие фоторезиста (стриппинг)

Стабилизация резиста

Очистка поверхности пластин от органических загрязнений и атомов тяжелых металлов

Частичная планаризация

Ионная имплантация

Широкоапертурный источник плотной плазмы
ХАРАКТЕРИСТИКИ:

Тип разряда: ВЧ-индуктивный с магнитным удержанием плазмы

Генератор:13,56 МГц, до 3 кВт

Диапазон рабочих давлений: 1x10-4 – 1x10-2 Торр

Рабочие газы: H₂, He, Ar, C_xF_y, SF₆, O₂, BF₃

Плотность плазмы (разряд в аргоне):3x10¹² см^-3 при 3x10^-3 торр

Температура электронов 4,25 эВ

Возможность масштабирования

Конструкция реактора, фото на рисунке, включает ВЧ источник плазмы и держатель, предназначенный для размещения на нем пластины Ø 150 мм. Рабочая камера источника представляет собой цилиндр Ø 300 мм и высотой 200 мм, выполненный из нержавеющей стали. Магнитная система ВЧ источника ИВП построена с применением постоянных магнитов, изготовленных из сплава Nd-Fe-B.
В источнике достигнута высокая плотность плазмы и высокая радиальная однородность, низкая температура электронов, что иллюстрируется на рисунках, приведенных ниже.

Радиальные зависимости концентраций положительных ионов и электронов, электронной температуры в плазме BF₃

Давление в камере 2,5 мторр, мощность 600Вт

Травление кремния и других материалов на установке с широкоапертурным источником плотной плазмы

Тренчи в кремнии шириной 0,5 мкм

Щель в двуокиси кремния 40 нм

Щель в двуокиси кремния 82,6 нм

Установка травления

Плазменно-иммерсионная ионная имплантация (ПИИИ) Традиционные методы ионной имплантации становятся малопроизводительными в диапазоне энергий ионов ниже 5 кэВ, что связано с неизбежным падением тока пучка, формируемого ионной оптикой. Использование оксидных и резистивных масок для дополнительного торможения высокоэнергетичных ионов при ультрамелком легировании поверхностных областей кремния существенно усложняет технологию.
Альтернативным способом ультрамелкого легирования, позволяющим разрешить эту проблему, является метод широкоапертурной плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИ₃). В отличие от традиционных имплантеров, иммерсионный режим дает сокращение времени набора дозы в десятки раз с возможностью прецизионной регулировки энергии ионов в суб-1кэВ диапазоне. В то же время, отсутствие сепарации ионов по массам предъявляет повышенные требования к разработке конкретных процессов имплантации. Преимущества ПИИИ сводятся к следущим:

Возможность создания р-n переходов с глубиной залегания 10-100 нм

Возможность увеличения производительности процесса в десятки раз по отношению к традиционным имплантерам

Стоимостные и массогабаритные показатели ПИИИ на порядок превосходят традиционные имплантеры

Во ФТИАН разработан плазменно-иммерсионный ионный имплантер Со следующими характеристиками:

Диаметр обрабатываемых пластин: 150-200 мм

Плотность ионов в плазме (BF3): 5х10¹⁰-5х10¹¹см^-3

Плотность ионного тока: 1-5 мА/см²

Неоднородность плотности ионов на диаметре 150 мм: <2%

Режим имплантации: импульсно-периодический

Параметры импульсов смещения: длительность 1–20 мкс, частота 0.5–5 кГц,

Амплитуда: -(0.2–5) кВ

Время набора дозы: <1 мин.

Особенности плазмоиммерсионной имплантации (BF₃)

Влияние состава плазмы на профиль концентрации имплантированного бора
Распределения концентрации бора в зависимости от процентного содержания ионов BF₂⁺ в общем потоке ионов: 50% - красн., 70% – зелен., 90% - синяя линии (расчет). Эксперименту соответствует зеленая линия.

Влияние плазмохимического травления поверхности крения на результат имплантации
Одновременно с процессом имплантации в плазме BF₃ радикалы фтора травят приповерхностный слой, что с увеличением дозы приводит к насыщению результирующей дозы.

Формирование суб-100 нм р-n переходов

Концентрационный профиль бора в кремнии (100)
(после отжига Т=850°С, t=15 мин)
Предаморфизация в плазме Хе, Р=1,1*10^-1 Па, W=1250 Вт
U_см=-3,75кВ, f=1 кГц, I_ср=0,3 А, t=30 с.
Имплантация в плазме BF₃, Р=2,7*10^-2 Па, W=1250 Вт
U_см=-3,75кВ, f=1 кГц, I_ср=0,14 А, t=10 с.

Оценка дозы D=55*10^-6 К/см²

Интервал изолиний – 0,5% Rav

Установка для плазмостимулированного осаждения диэлектриков
Состав прототипа установки, разработанной ФТИАН:

Плазменный источник с индуктивным возбуждением плазмы и магнитной системой для повышения плотности и однородности плазмы;

Держатель с механическим прижимом пластины с подачей газообразного гелия под пластину для выравнивания радиального распределения температуры по пластине и улучшения ее теплового контакта с держателем;

Вакуумная система (система откачки);

Система газонапуска;

ВЧ генератор с устройством согласования с индуктором возбуждения плазмы;

ВЧ генератор с устройством согласования для подачи смещения на держатель пластины;

Система контроля и поддержания температуры пластины;

Шлюзовая камера для ручной загрузки пластин;

Система мониторинга процесса осаждения методом многоканальной элипсометрии;

Автоматизированная спектроскопическая система мониторинга компонентного состава плазмы;

Система автоматического управления процессом осаждения и вспомогательными операциями (управление системой загрузки-выгрузки пластин, вакуумной системой, газовой системой, системой поддержания температуры пластины; генераторами мощности и смещения и остановка процесса);

Стойка ручного управления.

   Установка удовлетворяет следующим техническим требованиям:
   Диаметр плазменного источника: не более 350 мм
   Высота источника: не более 300 мм
   Диаметр обрабатываемой пластины: 100 мм
   Неоднородность плотности ионов на диаметре 100 мм: <±1%
   Плотность ионного тока на пластине: 0,1–20 мА/см²
   Рабочее давление:10^-4–10^-2 Topp
   Остаточное давление:2x10^-6 Topp
   Тип высоковакуумного насоса, его производительность: Турбомолекулярный, не менее 750 л/с
   Тип форвакуумного насоса, его производительность: Механический, не мене 14 л/мин
   Рабочие газы: SiH₄, O₂, Не, гексаметилдисилозан тетраэтоксисилан, Аг и др.
   Способ подачи газов: Газораспределительное кольцо
   Количество каналов газонапуска и тип регуляторов расхода газа: 4, стандартный (РРГ - 6 или РРГ-3)
   Магнитная система: Постоянные магниты из сплава Nd-Fe-B

   Способ возбуждения плазмы: Безэлектродный разряд с ВЧ индуктивным возбуждением плазмы
   Диапазон автоматического поддержания температуры пластины: 80-500°С
   Точность поддержания температуры: Не хуже ±10°С
   Разброс значений температуры по площади пластины на диаметре 90 мм в процессе осаждения: ±3%
   Прижим пластины: Механический
   Время загрузки (выгрузки) пластины: Не более 60 с.
   Способ измерения толщины растущей пленки, тип прибора и его паспортное разрешение по толщине: Многоканальная элипсометрия; ЕК-70, 0.1нм
   Диапазон спектрометра: 300-800 нм
   Спектральное разрешение: 0,15-0,35 нм
   Максимальная скорость роста двуокиси кремния: Не менее 0,2 мкм/мин.
   Смещение, подаваемое на держатель пластин: ВЧ-13,56МГц, 0-500 Вт, возникающее при этом постоянное смещение должно лежать в диапазоне +20 + - 400 В
   Конструкционные материалы вакуумного объема: Нержавеющая сталь, сверхчистая керамика, кварц, витон, медь
   Масса: Не более 800 кг

Плазмостимулированное осаждение SiO₂ в тренчи (0,5х2 мкм) и частичная планаризация рельефа
Осаждение SiO₂ окислением (CH3)₆Si₂O
W=1,5 кВт, Р=2х10^-3 Торр, Ts=300K; O/Si=1,95-1,99;
Eпор=10⁶ В/см;
Iут<10-10 A/см²; n=1,45±0,01
Неравномерность на 200 мм < 2%

   Тренчи шириной 0,5 мкм и глубиной 1,5 мкм заполнялись диоксидом кремния, получаемым из процесса плазмохимического разложения гексаметилдисилоксана (ГМДС) с последующим окислением продуктов реакции на поверхности пластины.

Скорость заполнения при высоких аспектных соотношениях не превышала 0,1мкм/мин. Продемонстрировано сглаживание рельефа после заполнения тренчей и возможность планаризации поверхности после заполнения тренчей с высоким аспектным соотношением.

Мониторинг плазменных технологических процессов Известны:

Спектральные диагностические методы.

Масс-спектрометрия in situ.

Зондовые методы диагностики процессов травления.

СВЧ-диагностика плазмы в качестве end-point детектора.

Интерферометрические и эллипсометрические методы.

Термометрия поверхности в диагностике плазменных процессов.

Новое поколение быстродействующих акусто-оптических спектрометров (ВНИИФТРИ)

Спектральный диапазон: 400-800 (300-855) нм

Число независимых спектральных каналов: 1-4

Спектральное разрешение: 0,15 – 0,3 нм

Частицы в плазме, регистрация которых возможна использованием АОС

Реактивные частицы: Cl*,Cl+, F*, Br*,Br+, O*, O₂+, CF, CCl, H-продукты реакции:SiF*, CN*, CO, Al, Si, С₂- газы-актинометры: N₂, He, Ne, Ar, Kr, Xe

Мониторинг процесса формирования затвора МОП-транзистора методом АО-актинометрии

Мониторинг травления структуры Si₃N₄(0.15мкм)/SiO₂(0.3мкм)/Si методом АО-актинометрии

Увеличение чувствительности спектральных методов для определения момента окончания процесса

   Разностная схема для геликонных и ЭЦР –источников плазмы фазового детектирования для ICP/TCP – источников плазмы
   В основе предложенного нами метода спектрального синхронного детектирования лежит тот факт, что полезный сигнал эмиссии ХАЧ неизбежно оказывается модулирован частотами, присутствующими в генераторе плазмы. В НЧ-генераторах плазмы глубина модуляция оптической эмиссии достигает 100 %. Используя частоту модуляции генератора плазмы как опорную для фазового детектора, входной измеренный сигнал оптической эмиссии, пришедший в фазе с опорным, демодулируется по отношению к этой частоте. Все сигналы некогерентные с опорным, резко ослабляются. Поэтому проверка гипотезы о положительном эффекте синхронного детектирования спектрального сигнала проводилась на НЧ-реакторе, имеющем максимальную глубину модуляции разряда. Блок-схема модифицированной установки спектрального мониторинга с фазовым детектированием показана на рисунке. Она включает в себя спектрометр, систему выделения сигнала и саму установку ПХТ.
   Спектральный анализ эмиссионного сигнала плазмы проводился скоростным акустооптическим спектрометром "Кварц-4М", состоящим из фотоприемной головки и электронного блока обработки сигнала, совмещенного с управляющим компьютером. Для выделения из шумов преобразованного фотоголовкой сигнала эмиссионных линий плазмы применен фазовый детектор “Unipan 232B” с предварительной фильтрацией исследуемого сигнала полосовым фильтром “Unipan 233”. Подключение фазового детектора к используемому спектрометру, с целью сохранения режимов работы электронных блоков последнего, осуществлялось через разработанное устройство согласования.
   Для распространенных в настоящее время ВЧ- (13,56 МГц) и СВЧ- (2.45 ГГц) плазменных реакторов необходимо вводить низкочастотную модуляцию генераторов, сигнал которой и будет опорным для синхронного детектирования.

Диагностика плазмы в широкоапертурных источниках Автоматизированный диагностический комплекс:

автоматизированная оптическая эмиссионная спектрометрия для определения состава плазмы

автоматизированные измерения плотности плазмы, температуры электронов и равномерности потока ионов с пространственным разрешением

Томография источников плазмы на основе ОЭС (2D-распределения реактивных частиц, ионов) Синхронный двухканальный спектрометр для регистрации эмиссионного излучения активных радикалов и ионов во F-, Cl-и Br-содержащей плазме по двум независимым каналам,Система автоматизированного сканирования оптических детекторов по двум координатам,Комплект программного обеспечения управления томографом, Пакет специализированных программ компьютерной томографии

Продольное распределение плотности частиц в плазме вдоль поверхности пластины является критическим для плазменных процессов на стадии производства интегральных схем, и должно быть оптимизировано на этапе разработки процесса. Оптическая эмиссионная томография плазмы является многообещающим методом для этой цели.

Плазмохимические модули в микроэлектронных производствах

Резюме    Разработаны масштабируемые широкоапертурные источники плотной плазмы и конструкции плазменных установок на их основе, разработаны плазменные глубоко субмикронные процессы травления, осаждения, частичной планаризации, имплантации, стабилизации и удаления резиста, очистки поверхности пластин и др.
   Разработаны методы мониторинга плазменных процессов и аттестации источников плазмы применением только отечественных диагностических средств: оптических эмиссионных спектрометров (ВНИИФТРИ) и спектроэллипсометров (ИРЭ РАН)
   На основе выполненных разработок возможно создание промышленного оборудования как кластерного, так и модульного типов для отечественных глубоко субмикронных производств.