DD159824A1 - Spektroskopisches verfahren zur kontrolle und optimierung von plasma-aetzvorgaengen - Google Patents

Abstract

Das spektroskopische Verfahren zur Kontrolle und Optimierung von Plasmaaetzvorgaenge ist anwendbar bei der Struktuierung von Schaltkreisen in der Mikroelektronik.Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, mit einem einfachen, technisch relativ geringen Aufwand erforderten Verfahren die Zusammensetzung des Gases in Plasmaaetzreaktoren kontinuierlich zu kontrollieren und zur Steuerung des Prozesses zu nutzen.Erfindungsgemaess wird die Zusammensetzung des Gases im Reaktor anhand der Infrarot-Absorptionsspekten der Neutralglasmolekuele, anhand einzelner, besonders charakteristischer Einzelbanden oder anhand der Infrarot-Gesamtabsorption kontrolliert. Als Analysengeraete dienen ein dispersives Spektrometer, eine Filteranordnung oder ein nichtdispersiver Analysator. Die gewonnenen Informationen werden fuer Kontrolle des Aetzvorganges und fuer die Ermittlung und das Einegeln deroptimalen Prozessparameter weiter verarbeitet.

Description

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Spektroskopisches Verfahren zur Kontrolle und Optimierung von Plasma-Ätzvorgängen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung sind Pläsmaätz-Vorgänge zur Strukturierung von Schaltkreisen in der Mikroelektronik, bei denen halogenierte Gase oder Gemische halogenierter Gase oder Gemische solcher Gase mit nichthalogenierten Gasen eingesetzt v/erden, und bei denen es notwendig ist, die Zusammensetzung der Gasatmosphäre zeitweilig oder ständig zu kontrollieren, um den Plasmaätzprozeß mit optimalen Parametern fahren zu können.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß organische Substanzen anhand ihrer Infrarot-= Absorptionsspektren identifiziert und Substanzgemische analysier werden können..

Es ist ferner bekannt, daß zur IR-Analyse von Gemischen mit bekannten Komponenten neben den dispersiven Geräten (Prismen-, Gitter-Spektrometer) und Fourierspektrometern nichtdispersive Geräte wie die weit verbreiteten Abgasprüfer sowie Filteranordnungen mit IR-Bandpassfiltern für charakteristische Wellenzahlbereiche benutzt werden können.

Bei der Strukturierung' von mikroelektronischen Schaltkreisen mit Hilfe von. Plasmaätz-Verfahren ist es notwendig; durch Wähl der optimalen Prozeßparameter (Zusammensetzung des Ausgangsgases, Gasdruck, Durchsatz, Entladungsstromstärke, Temperatur) einen über den gesamten-Arbeitsbereich hin homogenen, mit aus-.· ' - · . - 2 -

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reichender Geschwindigkeit verlaufenden, materialselektiven Ätzangriff su erreichen. Der optimale Arbeitspunkt ist durch eine bestimmte Zusammensetzung des Gases im Arbeitsbereich gekennzeichnet. Durch die plasmachemische Umsetzung des Gases mit den zu ätzenden Materialien ist diese Zusammensetzung nicht allein vom Ausgangsgemisch, sondern von der Gesamtheit aller Prozeßparameter abhängig. Ob der optimale Arbeitspunkt erreicht wurde, kann gegenwärtig erst nach Beendigung der Reaktion durch Prüfung der Charge ermittelt werden.

Ein weiteres Problem liegt in der Bestimmung des Endpunktes der Ätzreaktion. Beim Plasmaätzen von SiOp auf' Si ist der Endpunkt dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Ätzprodukts SiF^ im Gasraum stark abnimmt. Andere Schichtsysteme verandern die Gaszusammensetzung nach dem Abtragen einer Schicht ebenfalls in charakteristischer Weise«. .

Zur Lösung der genannten Probleme wurde versucht, spektroskopische Methoden, nämlich die Massenspektroskopie und die Emissionsspektroskopie, einzusetzen. Beide· Methoden haben Nachteile. Die Massenspektroskopie erfordert ein zweites Vakuumsystem bei niedrigeren Drucken als im Ätzreaktor. Im Übe'rfuhrungssystem vom Reaktor zur Ionenquelle können zum. einen mannigfache 1-Tachreaktioneii, Umwandlungen und Entmischungen eintreten, zum ande-. ren verursacht die Ionenquelle Fragmentierungen. Das Massenspektrum wird dadurch kompliziert und gestattet kaum eine Interpretation im Sinne einer quantitativen Analyse. Noch komplizierter sind die Emissionsspektren der zahlreichen im.Plasma vorhandenen Spezies, die Aufnahme der Spektren und die Auswertung erfordern relativ viel Zeit. Ein linearer Zusammenhang zwischen der Intensität des emittierten Lichts eines? bestimmten Wellenlänge und der Konzentration der zu untersuchenden Gaskomponente besteht selten.

Es wurde versucht, die letztgenannte Schwierigkeit dadurch zu umgehen, daß die Intensitäten der zur Analyse herangezogenen Signale (Ionenströme, Emissionslinien oder -banden) auf andere, mit dem eigentlichen Ätzvorgang nicht im Zusammenhang stehende gleichartige Signale bezogen wurden."Damit wurden Reaktionen

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des Ätzsys.tems auf Schwankungen des Totaldrucks ermöglicht (DE-OS 3.019.583).

Ziel der Erfindung . ' .

Ziel der Erfindung ist es, mit einem einfachen, technisch relativ geringen Aufwand erfordernden Verfahren die Optimierung des Plasmaätzvorgangs hinsichtlich der Homogenität; der Selektivität und der Geschwindigkeit des Ätzangriffs vorzunehmen und damit die Effektivität der Ätzreaktoren zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Zusammensetzung des Gases in Piasmaätzreaktoren kontinuierlich und direkt am Reaktionsort zu kontrollieren und die gewonnenen Meßergebnisse zur Steuerung des Prozesses im Interesse einer optimalen Prozeßführung zu nutzen. .

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die Zusammensetzung des Gases im Reaktor anhand der Infrarot-Absorptionsspektre der Neutralgasmoleküle, · anhand einzelner, besonders charakteristischer Einzelbanden oder anhand der Infrarot-Gesamtabsorption kontrolliert wird» Entsprechend dienen als Analysengeräte ein dispersives Spektrometer, eine Filteranordnung oder ein nichtdispersiver Analysator.

Ein an das Analysengerät angeschlossener Prozeßrechner, ein Miki prozessor oder eine andere geeignete elektronische Schaltung ermitteln aus den Meßwerten die Partialdrücke der Komponenten und lösen die erforderlichen Reaktionen des Systems - Bedienung der Ventile, Regelung der. Entladungsleistung usw. - aus.

Zur Bestückung der Apparatur mit einem dispersiven oder nichtdispersiven IR-Analysator ist diese an einem geeigneten Ort vorzugsweise in der Nähe der Arbeitsfläche - mit infrarotdurchlässigen Penstern zu versehen* durch die der IR-Meβstrahl, tritt. Nichtdispersive IR-Analysatoren können, wenn sie kompakt gestaltet werden, direkt im Reaktor angeordnet werden.

•Beim Einsatz eines nichtdispersiven Analysators wird man mit seiner Hilfe vorzugsweise den optimalen Arbeitspunkt halten oder den Endpunkt des Ätzens bestimmen.-Ein dispersives IR-Gerät gestattet es, die Zusammensetzung des Gases im Reaktor mit großer Genauigkeit zu messen.

Bei den in der Plasmatechnik üblichen Werten für die Parameter Brück und Entladungsstromdichte liegen die Geschwindigkeitskonstanten der plasmachemischen Umwandlung von perfluorierten Ver-

3 -1 -1 bindungen im Bereich ICr ..,1Os . Nach kurzen Einlaufzeiten in der Größenordnung ZehntelSekunden wird sich daher in einem. Ätzreaktor mit Durchstrom eine zeitlich konstante Gaszusammensetzung ausbilden. Die Registrierzeit, die man dann zur Aufnahme des Infrarotspektrums tolerieren kann, richtet sich nach den Anforderungen, die an die Regelgenauigkeit des nachgeschalteten Regelsystems zu stellen sind und der Arbeitsgeschwindigkeit des vorhandenen Prozeßrechners. Im Extremfall macht sich der .Einsatz eines Fourierspektrometers notwendig, im einfachsten Falle genügt des Ausfiltern einzelner Banden und die Nutzung der Meßsignale der Detektoren, Organische Fluorverbindungen besitzen hohe Extinktionskoeffizienten ε der Absorptionsbanden im mittleren Infrarot, Sie.liegen für die intensivsten Banden zwischen

¹⁰⁰ clTHoT "** ^einiS^{en lo3} lTHT

Bei den im liiedertemperaturplasma üblichen Drücken von ρ -.10 ... 10^ Pa genügen folglich zur Aufnahme kontrastreicher IR-Absorptionsspektren Durchstrahlungsla'ngen um 15 cm. Die Partial druckanaly se des Gasgemisches wird dadurch ermöglicht, daß infolge inne-rmolekularer Kopplungsverhältnisse und symmetriebedingter Auswahlregeln die verschiedenen Komponenten unterschiedliche Bandenlagen und -Intensitäten besitzen, Überlagerungen von Banden können entweder rechnerisch berücksichtigt oder durch Wahl deutlich getrennter Analysenbanden vermieden werden. Infrarotspektren von Eichsubstanzen liefern die für die Partialdruckberechnung notwendigen Extinktionskoeffizienten, insbesondere deren Abhängigkeit vom Druck. .

— 5 — Ausführungsbeispiele '

Die Erfindung soll nachfolgend an'drei Ausführungsbeispielen näher erläutert v/erden.

Beispiel 1 '

Der Entladungsraum eines Plasmareaktors· ist seitlich mit einem T-förmigen Rohransatz versehen. Der Durchmesser der Rohre ist so groß, daß die Zusammensetzung des Gases im Ansatz stets gleich der im eigentlichen Entladungsraum ist und nicht durch Diffusionseffekte verfälscht wird. Das T-Rohr.ist an den freien Enden mit infrarotdurchlässigen Penstern versehen, die z. B. au hochohmigen, hochglanzpolierten Siliciumscheiben gebildet v/erde; Die Lange der so entstandenen Gasküvette beträgt etwa 15 cm. Si ragt 'in den Probenschacht eines Infrarot-Spektralphotometers hinein und v/ird vom Meßstrahl durchsetzt. Im Vergleichsstrahl befinden sich zwei gleiche "Fenster zur Kompensation der Untergrundabsorption.

Das Spektrometer wird auf die Wellenzahl der Absorptionsbande

-1 des Siliciumtetrafluorides bei 1030 cm fest eingestellt. Das Signal des IR-Detektors ist ein Maß für die Ätzrate des SiIiciums. Der Reaktor, wird mit den zu bearbeitenden Si-Scheiben beschickt, die bereichsweise mit Strukturen aus SiOp bedeckt sind, und danach vom Ätzgas CF, durchströmt. Mit dem Zünden der Entladung stellt sich ein bestimmtes Signal des IR-Detektors ein. Das Ätzen der SiO2-Schicht v/ird beendet, wenn das Signal, d. h. der Partialdruck des SiF, im Reaktorraum, stark abfällt.

Beispiel 2

Die apparative Anordnung entspricht der des· Beispiels 1. Es wir' ^ein Infrarotspektrometer mit Rechnerkopplung eingesetzt. Es ist bekannt, daß ein hinsichtlich Homogenität und Geschwindigkeit des Ätzens optimaler Arbeitspunkt erreicht ist, wenn das Arbeiti gas sich bis'zu einem bestimmten Grade in andere Verbindungen umgesetzt hat.

. - β - . ι j υ a ο D ο

So' ist beim Ätzen mit C₀P/- ein bestimmtes Partialdruckverhältnis zwischen dem Ausgangsgas und dem' Urawandlungsprodukt CF, ein zustellen, wenn im Pianarreaktor üblicher Bauart größtmögliche Homogenität des Ätzangriffs erreicht werden soll. ·

Während des Betriebes der Anlage fährt der Rechner ständig zyklisch die Wellenzahlen der Analysenbanden der interessierenden Verbindungen an. Diese sind im Beispiel des Ätzens mit C₂^g V₁ = 1116 cm (Analysenbande fur GgPg, ε = 0,2 . ΙΟ"³ Pa^-1Cm""¹), V₂- 1283 cm"¹ (Analysenbande für CF., ε = 1,0 .. 10"*·* Patern"¹) und V- =.1032 cm"¹ (Analysenbande für ε = 0,8 . ΙΟ"³ Pa^-1Cm"¹)/

Die Extinktionen v/erden gemessen, die Partialdrücke berechnet, und der Rechner steuert dementsprechend die eingespeiste Entladungsleistung oder die Gaszufuhr. Die Gaszufuhr wird wie im Beispiel 1 unterbrochen und die Entladung' abgeschaltet, wenn die Intensität der SiF«-Bande stark abnimmt.

Beispiel 3

Der optimale Arbeitspunkt wird beim Ätzen mit CpFr mit Hilfe · eines nichtdispersiven Analysators ermittelt, dessen Detektorraum mit CF. gefüllt ist. Bei vorgegebenem Gesamtdruck im Reaktor entspricht eine bestimmte Signalgröße dem angestrebten Partialdruckverhälthis. Mit dem Zünden der Entladung stellt sich ein gev/isseB Meβsignal des Analysators ein. Das Meßsignal wird durch Regelung der Entladungsleistung und des Gasdurchsatzes auf seinen Norrnwert gebracht.

Claims (4)

1. Erfindungsanspruch

   1. Spektroskopisches Verfahren zur Kontrolle und Optimierung von Plasmaätzvorgängen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Gases im Ätzreaktor anhand der Infrarot-Absorp- " tionsspektren der ÜFeutralgas-Molekule oder einzelner charakteristischer Banden oder der Gesamtabsorption mittels eines Infrarot-Spektralphotometers, einer Filteranordnung oder eines nichtdispersiven Anälysators ermittelt wird und die gewonnenen Informationen für die Kontrolle des Ätzvorganges

   _n und für die Ermittlung und das Einregeln der optimalen Prozeß parameter weiter verarbeitet werden.
2. 2. Spektroskopisches Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, -daß die Informationen mit Hilfe eines Prozeß- oder Mikrorechners gewonnen und ausgewertet und die notwendigen Regelvorgänge von diesem Rechner ausgelöst v/erden.
3. 3. Spektroskopisches Verfahren nach· Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als optimal erkannte Gaszusammensetzung durch Einregeln der Partialdrücke einer oder mehrerer Gaskom-

   . ponenten durch Variation der Prozeßparameter ständig aufrechterhalten wird..
4. 4. Spektroskopisches Verfahren nach Punkt 1 bis 3, dadurch gevkennzeichnet, daß die Partialdrücke von Abbauprodukten ständig überwacht und zur Bestimmung des Endpunktes der Ätzreaktion benutzt werden.