Лекция 23. Применения эллипсометрии: литографический мониторинг

Высокие технологии определяют динамику развития современного обще-ства. Высокие технологии с позиций синергетики – системно построенная и иерархически организованная совокупность наукоёмких действий и струк-турных образований. Основу высоких технологий нашего времени составля-ет микро- и наноэлектроника как область электроники, связанная с созда-нием приборов и устройств в миниатюрном исполнении. В микроэлектро-нике имеют дело с характерными линейными размерами элементов на уровне 1,0–0,5 мкм; при размерах 0,5–0,1 мкм говорят о субмикронной электронике, при размерах 0,1–0,05 мкм – о глубокой субмикронной электронике, с раз-мерами на уровне 10–1 нм имеет дело уже наноэлектроника. . . В микро- и наноэлектронике используют различные физико-химические свойства твёрдых тел и, прежде всего, полупроводников, в частности, крем-ния. Типичными устройствами являются микропроцессоры, запоминающие устройства (ЗУ), интерфейсы и др. На их основе создаются компьютеры, сис-темы автоматизации и управления, контрольно-измерительные и медицин-ские приборы, средства связи и передачи информации и т. п. Основными твёрдотельными приборами на базе примесных полупроводников являются транзисторы. Интегральные схемы как элементная база микроэлектроники создаются с помощью планарных технологий на монокристаллах кремния и являют собой матрицу однотипных элементов, например, транзисторов, спо-собную выполнять определённую логическую операцию любой функцио-нальной сложности. В микро- и наноэлектронике применяют планарно-эпи-таксиальные технологии, фотолитографию с различными интегральными уровнями градации такими, как микронная, субмикронная, глубоко субмик-ронная литография и наноэлектронная фотолитография, ионно-лучевая обра-ботка на основе внедрения ионов в поверхностный слой обрабатываемых тел, травление и окисление, нанесение металлических и диэлектрических плёнок, например, особо прочных алмазоподобных плёнок и тонких слоёв. . . Эпитаксия как физическое основание планарно-эпитаксиальной техно-логии в микроэлектронике, а также различных высоких технологий в кванто-вой электронике, интегральной оптике, вычислительной технике понимается как ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого крис-талла, играющего роль подложки. Реализация эпитаксии зависит от условий сопряжения кристаллических решёток нарастающего кристалла и подложки, при этом легче всего сопрягаются кристаллы с одинаковыми или близкими структурами. Иначе, когда различие периодов кристаллических решёток веществ больше 10%, сопрягаются плотноупакованные кристаллические плоскости, и часто плоскости одной решётки не имеют продолжения в дру-гой решётке, наблюдаются дислокации, образующие пространственную сетку. Меняя пространственный период одной из решёток и добавляя при-меси, управляют количеством дислокаций в эпитаксиально растущем слое и, стало быть, управляют процессом роста слоистой структуры с заданными функциональными свойствами. Самым эффективным средством управления свойствами планарных полупроводниковых структур стало ионно-лучевое внедрение (ионное легирование, ионная имплантация) – введение посторон-них для вещества атомов внутрь твёрдого тела бомбардировкой поверхности тела пучком ускоренных ионов. Впервые ионно-лучевая обработка матери-алов как технологический процесс появилась в микроэлектронике в конце 60-х годов ХХ в., когда освоили ионно-лучевое травление материалов пучками ионов аргона. Типично для производства интегральных схем определение концовки травления, что актуально в случае схем с субмикронными и нано-метрическими размерами, для которых требуются очень малые допуски. Неповторяемость характеристик образцов и условий обработки не позволяет с должной точностью определять момент завершения по времени процесса обработки. Это ставит задачу разработки и применения методов контроля с целью определения момента оперативного вмешательства в ход процесса, использующего, как правило, низкотемпературную плазму. . . В настоящее время наибольшее распространение получили такие методы контроля момента окончания плазменно-технологических процессов, как эмиссионно-спектральные, масс-спектрометрические, контактные и бескон-тактные оптические (прежде всего эллипсометрические). . . Эмиссионно-спектральный метод основан на регистрации изменения ин-тенсивности собственного излучения исходных компонент плазмы или про-дуктов реакций. Но он, отличаясь высокой информативностью о процесссах травления, непригоден, если травление происходит вне области плазмы, а также при давлениях больше 1 Па, когда трудно регистрировать характерное излучение удаляемого слоя на фоне свечения газоразрядной плазмы. . . Масс-спектрометрические методы контроля основаны на регистрации продуктов реакции, ионов пучка, отражаемых от обрабатываемой поверхно-сти, и частиц, выбитых с поверхности. Контроль ведётся как по массовым пи-кам продуктов реакции, так и по изменению интенсивности массовых пиков, присутствующих при травлении соседних слоёв покрытия. Но такие методы контроля требуют тщательной настройки и квалификационной эксплуатации масс-спектрометра, их применение осложнено сопряжением камеры масс-спектрометра с плазмохимическим реактором и высокой стоимостью. . . Эллипсометрические методы контроля концовки плазмохимического технологического процесса травления основаны на измерении изменений в состоянии поляризации отражаемого от поверхности образца поляризован-ного света. Несмотря на ряд сложностей конструктивного плана, оптические методы контроля являются прямыми, бесконтактными и невозмущающими процесс травления, обладают надёжностью, повторяемостью и позволяют полностью автоматизировать контроль окончания технологического процесс-са. Недостатком оптических методов является нестабильность, обязанная по-мутнению оптических окошек при их взаимодействии с реагентами плазмы и загрязняющими продуктами процесса травления. . . Современный уровень состояния технологии нанесения оптических, опто-электронных, износостойких и прочих функциональных покрытий требует формирования тонкоплёночных многокомпонентных структур с высокой скоростью осаждения и высокими эксплуатационными характеристиками. Для управления электрофизическими, оптическими и механическими свойст-вами плёнок нужно контролировать структуру и стехиометрию наносимых покрытий путём измерений как параметров состояния подложки, так и энер-гии, интенсивности и состава потока частиц, конденсирующихся на поверх-ности осаждения. При росте плёнки величина энергии, приходящейся на осаждаемый атом, может быть на уровне 100 эВ, что позволяет получать тон-кие слои с уникальными свойствами. Тенденции в развитии методов реактив-ного ионно-лучевого синтеза и травления тонких слоёв требуют роста произ-водительности процессов травления тонких слоёв и плёнок. . . Для используемых сейчас технологий обработки материалов, применяе-мых в электронике микронного, субмикронного и нанометрового уровней ин-теграции, основными проблемами оказываются (1) воспроизводимость про-граммируемых свойств, (2) низкий процент выхода изделий с заданными свойствами, (3) слабая эффективность управления процессом, (4) наличие не- контролируемых включений. Все эти отмеченные нами проблемные недо-статки высоких технологий в микроэлектронике обусловлены, прежде всего, недостатками самого подхода к контролю свойств и параметров интеграль-ных систем, опирающегося на конечный продукт. Он игнорирует очевидное (для синергетики как теории самоорганизации сложных систем) несо-ответствие всего набора управляющих воздействий на синтез (воздействий, заданных программой управления технологическим процессом на основе критериев по конечному продукту) внутренним динамически меняющимся свойствам получаемого вещества. Не ставится и сама задача развивать спосо-бы оценки состояния локального объёма вещества на границе раздела фаз, являющейся пространственным фронтом синтеза интегральной системы. Не учитывалось и то, что процессы синтеза в подавляющем своём большинстве есть процессы самоорганизации, процессы образования новых коллективных свойств продукта, которых не было у исходных объектов в силу исходной их неупорядоченности, неорганизованности. Эта систематическая погрешность, обязанная игнорированию квантово-синергетической природы синтеза, когда пространственный фронт синтеза интегральной системы ведёт себя как си-нергетическая структура, присуща практически всем теориям, которые зани-маются проблемами синтеза новых материалов. И актуальной для современ-ных высоких технологий, связанных с синтезом новых материалов и их обра-боткой, становится разработка, развитие и освоение диагностики кинетиче-ских процессов при синтезе специальных материалов. . . С позиций нашего подхода, решению этой актуальной проблемы служит в узком плане развитие мониторинга – контроля в режиме in situ – простран-ственного фронта процесса синтеза, идущего на границе раздела упорядочен-ной и неупорядоченной фаз вещества. В широком плане – это разработка томохимии – аналитической химии распределения в реальном масштабе пространства и времени многокомпонентных химических веществ. Задаче контроля распределения в пространстве оптических параметров слоистых структур отвечает развитие метода томоэллипсометрии. Сюда же в область приложений результатов развития мониторинга как способа актуального по месту и времени контроля за технологическим процессом включается как микро- и наноэлектроника, так и биотехнология как направление, пред-ставляющее собой (1) прикладную микробиологию и биохимию, (2) исполь-зование биологических процессов в промышленности и (3) генную инжене-рию, а также химическая кинетика при синтезе новых материалов. В монито-ринге, ориентированном на создание планарных структур субмикронного и наноэлектронного уровня интеграции и понимаемом как совокупность взаи-мосогласованных методов контроля кинетических процессов в реальном вре-мени, «возрастающую роль приобретают методы неразрушающей оптиче-ской диагностики физико-технических параметров полупроводниковых и диэлектрических материалов, плёнок, покрытий и границ раздела, форми-руемых в многостадийных технологических процессах, в частности, на этапах промежуточной и финишной очистки, травления, имплантации и эпитаксии». Для электроники это литографический мониторинг обработки полупроводниковых пластин на основе эллипсометрии in situ. . . Понимание формирования многослойной планарной структуры как про-цесса самоорганизации сложной нелинейной динамической структуры с по-зиций синергетики открывает, как нам представляется, продуктивный подход к организации литографического мониторинга. В синергетике удалось найти модельное описание процессов самоорганизации с помощью системы нели-нейных дифференциальных уравнений типа катастрофы сборки. Состояние реальной динамической системы, состоящей из макроскопически большого числа элементов системы, задано огромным числом переменных. Но среди них имеется одна переменная, определяющая в наибольшей мере неустой-чивость системы. Эта неустойчивая переменная или параметр порядка в сложных системах подчиняет своему поведению все остальные переменные, которые можно считать стабильными и исключить из анализа. Параметр по-рядка следует нелинейному дифуру, получающемуся исключением стабиль-ных параметров и определяющему все свойства системы. . . Синтез планарных интегральных структур в микроэлектронике при всём многообразии технологий – это последовательное во времени наращивание или, наоборот, снятие тонкого слоя на кристаллической подложке в жидко-фазной или газообразной окружающей среде. И задача реализации литогра-фического мониторинга практически есть задача организации эллипсометра, позволяющего определять параллельно весь массив необходимых характе-ристических оптических параметров планарной структуры, которая представ-ляет собой структуру из одного или, в крайнем случае, двух тонкоплёночных анизотропных в общем случае слоёв на поверхности подложки, контакти-рующей с внешней средой, при этом оптические характеристики как подлож-ки, так и внешней среды могут быть определены предварительно, а состоя-ние самой подложки в ходе синтеза или стравливания контролируемого поверхностного слоя определяются и, стало быть, учитываются на основе данных текущего контроля в режиме реального времени. . . Важным технологическим параметром микроэлектронных планарных структур субмикронного уровня интеграции является их толщина . Контроль за технологическим процессом производства таких структур ведут обычно по глубине проявления её элементов при травлении резиста – слабопоглощаю-щего полимерного материала – на основе измерения его толщины. Большое значение на самом производстве придают, с точки зрения выхода качест-венной продукции, и моменту окончания (или концовки) процесса, когда сле-дует изделие снимать с производственной линии. . . Измерения толщины тонких слоёв и плёнок на подложке проводят раз-личными способами. Однако они в большинстве случаев не удовлетворяют жёстким требованиям контроля in situ и плохо совмещаются с технологиче-скими линиями по производству микроэлектронных планарных структур. Видимо, одно из интересных для практики исключений составляют оптиче-ские методы контроля толщины тонких слоёв и определения момента окон-чания технологического процесса в силу их дистанционности и автоном-ности. И в ряде зарубежных работ для контроля толщины резиста были при-менены известные в оптике интерференционные методы. В этих упомянутых работах, инициированных задачами практики, использовалась оптическая схема отражательного многолучевого интерферометра Фабри-Перо в геомет-рии нормального падения плоского потока волн на слой резиста. Резист размещался на подложке в жидкой среде химического травителя, действие которого сводилось к регулярному во времени изменению толщины резиста. В ходе обработки толщина закономерно уменьшалась, вызывая интерферен-ционное поведение сигнала на фотоприёмнике. При мониторинге толщины резиста в одной из этих работ применялась одновременная регистрация от-дельными фотоприёмниками интерференционных картин для нескольких гармонических компонент потока излучения от широкополосного источника света. Такие гармонические компоненты выделялись в области оптической прозрачности резиста селективными светофильтрами, помещаемыми на пути потока света. Параллельно по ходу процесса травления резиста проводилась по разработанному алгоритму непрерывная обработка интерференционных сигналов от всех используемых фотоприёмников, регистрирующих выделен-ные гармонические компоненты. Одновременная регистрация интерферен-ционных сигналов для различных спектральных компонент потока света и обработка этих сигналов на основе численного алгоритма обеспечивает мо-ниторинг толщины резиста и всего технологического процесса. . . Признавая такой подход целесообразным, мы отметили погрешности, до-пущенные в упомянутой работе и существенные, с нашей точки зрения, для успешной реализации мониторинга толщины резиста, и предложили другой численный алгоритм, адекватный условиям наблюдаемого технологического процесса травления плёнки резиста. Наше внимание было обращено на изме-рение относительной скорости изменения [(dR/dt)R^–1] коэффициента отраже-ния R светового потока от поверхности резиста в зависимости от времени t в моменты физического финиша травления резиста. Наш подход оказался чув-ствительным к финишу травления и, что важно, вполне нечувствительным к неоднородностям в распределении линейных размеров элементов системы. . . Относительная скорость изменения [(dR/dt)R^–1]_ коэффициента нормаль-ного отражения R_ следует из формулы Друде–Эйри и формул Френеля для амплитудных коэффициентов отражения ^_01p(s) и ^_12p(s) плоской световой волны на границах раздела изотропных сред (0 и 1) и (1 и 2) в слоистой системе (внешняя среда – резист – подложка из кремния) в виде: . . [(dR/dt)R^–1]_ = {(4σ)[(n₂² – n₁²)/(n₂² – 1)]}²v(d_o – vt) (23.1). где σ – волновое число ИК излучения, n₂ и n₁ – действительные части

показателей преломления кремния и резиста, v – скорость травления резиста (обычно v ≈ 100 – 800 Ǻ/с), d_o – стартовая толщина резиста (d_o ≈ 0,2 мкм). . . Используя конкретные данные для оптических параметров n₂ и n₁ для слоистой структуры вакуум – резист – подложка кремния и для параметров технологического процесса v и d_o, имеем соответственно: .

. {[(dR/dt)R^–1]_}_1 = 0,640 [1 – (0,01– 0,08)t] (с^–1) (23.21). . {[(dR/dt)R^–1]_}_2 = 0,285 [1 – (0,01– 0,08)t] (с^–1) (23.2-2).

для различных соответственно длин волн ₁ = 1,0 мкм и ₂ = 1,5 мкм. . . Экспериментально находимые холоэллипсометрические параметры r_pэ(σ) и r_sэ(σ) комплексных амплитудных коэффициентов отражения r^*_pэ(σ) и r^*_sэ(σ) для линейно поляризованных р- и s-компонент потока световых волн с вол-новым числом σ можно представить как произведения коэффициента а₁(σ) амплитудного ослабления потока волн в среде иммерсионной химически ак-тивной жидкости, вызывающей травление резиста и закономерное изменение его толщины x₁(t) со временем t процесса, и модулей отражения r_p(σ) и r_s(σ) для слоя резиста 1, описываемых формулами Друде-Эйри для ссответствен-ной слоистой ППС: . . а₁(σ) = exp[– 8σk_ox₀cos_o] (23.3). . r_p(σ) = r_p [φ_1σ(t); α_1σ(t);n_o, k_o; n₁,k₁; n₂, k₂; σ,_o] (23.4). . r_s(σ) = r_s [φ_1σ(t); α_1σ(t);n_o, k_o; n₁,k₁; n₂, k₂; σ,_o] (23.5).

.и параметром : (σ) = [φ_1σ(t); α_1σ(t); n_o, k_o; n₁,k₁; n₂, k₂; σ,_o] (23.6).

. В эллипсометрии in situ как методе литографического мониторинга такой простейшей, но практически чрезвычайно важной для наносистем слоистой структуры угол падения _о во внешней среде 0 выбирается равным углу Брюстера _Б, для которого в пределе ультратонкой плёнки при d₁ ≈ 0, как известно, комплексный амплитудный коэффициент отражения r*_p слоистой структуры (0,1,2) с тонким слоем 1 для линейно поляризованной р-компоненты равен нулю и, следовательно, выполняется соотношение: . . ^*_01р + ^*_12р = 0 (23.7). и соотношение: tg_Б = (n₂/n₀) (23.8).

где ^*_01р и ^*_12р – комплексные амплитудные коэффициенты отражения Френеля для границ раздела (0, 1) и (1, 2); n₂ и n₀ – действительные части комплексных показателей преломления n^*₂ и n^*₀ ИК волн в средах 2 и 0. . . Зависимость эллипсометрических параметров а₁(σ), r_p(σ), r_s(σ) и (σ) от времени t задана при измерениях in situ при мониторинге толщины x₁(t) фазовым запаздыванием φ_1σ(t) волн в резисте и показателем α_1σ(t) экспоненты для амплитуды волн в слое резиста 1: . . φ_1σ(t) = 4σn_1σx₁(t) (23.9). . . α_1σ(t) = 4σk_1σx₁(t) (23.10).

. Возьмём частные производные по волновому числу σ и времени t от эллип-сометрических параметров r_p(σ), r_s(σ) и (σ) с учётом временной зависимо-сти x₁(t) толщины слоя 1 и, проведя соответственные математические опера-ции, приходим, во-первых, к общему дифференциальному соотношению вида: . [(dx₁/dt)x₁^–1] = g_σq(t) ( q = 1, 2, 3) (23.11).

и, во-вторых, к общему алгоритму в интегральной форме вида: .

. x₁(t) = x₁₀exp [∫₀^t g_σq()d] (23.12).

где номерные индексы q = 1, 2, 3 выделяют холоэллипсометрические пара-метры r_p(σ, t), r_s(σ, t) и (σ, t). . . Производящая функция g_σq(t) в интегральном соотношении (23.12) определена как: g_σp,s(t) = {[(∂r_p,sσ /∂t)/r_p,sσ] – 8σk_0σv_x1}: . . :{[(σ/r_p,sσ)(∂r_p,sσ/∂σ)]_t + 8σk_0σ(x_oo + x₁₀ – v_x1t)} (23.13). . g_σ(t) = {[∂(σ)/∂t]/}: [(σ/)(∂_σ/∂σ)] (23.14). при этом вторым слагаемым в числителе и знаменателе соотношения (23.13) можно пренебречь в силу малости мнимой части k_0σ комплексного показателя преломления иммерсионной жидкости, а с другой стороны производящая ал-горитм мониторинга функция g_σ(t) для фазового параметра (σ,t) от характе-ристик иммерсионной жидкости во временном отношении не зависит. . . И соотношения для производящей функции g_σp,s(t) для холоэллипсометри-ческих параметров r_p(σ,t), r_s(σ,t) существенно упрощаютс:. g_σp,s(t) = {[(∂r_p,sσ /∂t)/r_p,sσ]}:[(σ/r_p,sσ)(∂r_p,sσ/∂σ)]_t (23.15).

. Достоинство алгоритма мониторинга толщины x₁(t) толщины слоя резиста в процессе его литографической обработки, опирающийся на регистрацию во времени холоэллипсометрических параметров на основе фурье-спектрохоло-эллипсометра состоит в том, что соотношения, формулирующие численный алгоритм мониторинга, задаются прямо измеряемыми во времени данными для массива холоэллипсометрических параметров r_p(σ, t), r_s(σ, t) и (σ, t). Имеющаяся при этом некоторая избыточность экспериментальной информа-ции проявляется для оптически изотропных материалов, служа хорошей основой оценки точности метода. Для оптически анизотропных материалов эти соотношения вполне достаточны для мониторинга толщины оптически анизотропных поглощающих материалов. . . В условиях настройки оптической системы холоэллипсометра на падение потока волн под углом Брюстера во внешней среде 0 для комплексного ам-плитудного коэффициента отражения r^*_pσ(t) тонкослойной структуры имеем: . r^*_pσ(t) = – iβ₁^*[₀₁^*/(1 – ₀₁^*2)]_σ (23.16).

. Откуда находим соотношение, позволяющее обеспечить контроль in situ относительной скорости фазовой задержки потока волн в среде резиста: . [(∂β₁/∂t)/β₁] = (dℓn β₁/dt) = {[dr_p(σ,t)/dt]/r_p(σ,t)} (23.17). и получить алгоритм для мониторинга толщины x₁(t) слоя резиста в виде: . x₁(t) = x₁₀ exp[∫_o^t {[dr_p(σ,t)/dt] /r_p(σ,t)}dt] (23.18).

. В случае брюстеровской геометрии организации холоэллипсометра мони-торинг толщины x₁(t) слабопоглощающего изотропного слоя 1 резиста на твёрдотельной подложке кремния можно вести в режиме in situ, не привлекая конкретные значения оптических параметров n₁(σ) и k₁(σ) контролируемого in situ слоя. Этот результат существенен для решения актуальной проблемы литографического мониторинга в микро- и наноэлектронике. Для литографи-ческой обработки резиста важно установление момента времени t_к, когда резист стравливается и изделие можно снять с производственной линии. Этот момент времени t_к точно и надёжно можно установить, если строить в ходе процесса графики зависимостей приведённой характеристики u_σ(t) = [g_σp(t)^–1] от времени t для некоторых близких спектрально разрешаемых волновых чисел σ₁, σ₂, σ₃, .., σ_N. При брюстеровской геометрии организации холоэллип-сометра это равноценно графикам зависимости модуля r_pσ(t) комплексного амплитудного коэффициента отражения r^*_pσ(t) линейно поляризованной р-компоненты потока ИК волн для упомянутого набора волновых чисел σ₁, σ₂, σ₃, .., σ_N. В этом случае для определяемого в ходе контроля in situ момента t_к толщина слоя резиста x₁(t) аппроксимируется линейным законом: . x₁( t_к) = x₁₀ – [dx₁(t)/dt]_t = x₁₀ – v_1xt_к (23.19). где v_1x – скорость травления толщины резиста, представляемая в нм/сек. . .Эти функциональные зависимости u_σ(t) и r_pσ(t) показаны соответственно на рис. 23-1а и 23-1б. . ,

Рисунок 23-1. Определение момента t_к концовки травления резиста.

. При производстве микроэлектронных систем литографическая практика удовлетворялась временами ≈ 40 с для процесса в целом при времени обработки резиста ≈ 25 мс и скорости его травления ≈ 1080 (нм/с) при погрешности момента окончания процесса ≈ 1 сек . Точность определения момента t_к концовки литографического процесса травления резиста данным методом лежит в пределах точности выборки интервалов отсчётов на уровне миллисекунд, что существенно лучше обычного разброса ≈ 1 сек.