RU2535228C1 - Method of determining duration of plasma-chemical etching of surface of semiconductor plates for submicron technology - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to microelectronics. The method of determining duration of plasma-chemical etching of the surface of semiconductor plates for removing films from unmasked surfaces and obtaining a clean surface includes etching multiple plates for different durations, determining the amount of residual and contaminating impurities on the surface of the plates and determining the duration of etching from the time of etching with the minimum amount of impurities on the surface, wherein the amount of residual and contaminating impurities on the surface of the plates is determined by probing the surfaces with helium and neon ion beams with energy of 1-5 keV, beam current density of less than 100 mcA/cm² and recording the energy spectrum of reflected ions at a scattering angle of more than 90° and the type and amount of impurities are determined from the energies and values of maxima in the spectrum, respectively.

EFFECT: high reliability of determining the type and amount of impurities on the surface of semiconductor plates after plasma-chemical etching and determining the optimum duration of etching.

1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области нано- и микроэлектроники и аналитического приборостроения и может быть использовано при определении режимов технологических операций плазмохимического травления и других технологических операций обработки полупроводниковых пластин в производстве изделий микро- и наноэлектроники, а также в производстве чистых материалов и технологических сред.The present invention relates to the field of nano- and microelectronics and analytical instrumentation and can be used to determine the modes of technological operations of plasma-chemical etching and other technological operations of processing semiconductor wafers in the manufacture of micro- and nanoelectronics, as well as in the production of pure materials and technological environments.

Известен способ определения длительности времени плазмохимического травления поверхности полупроводниковых пластин для получения чистой поверхности, заключающийся в травлении пластин и в определении длительности времени травления по наибольшему проценту выхода годных изделий и по возможно более длительному времени травления пластины [Технология СБИС: В 2-кн. Кн. 1. Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986. 404 с].There is a method of determining the length of time for plasma-chemical etching of the surface of semiconductor wafers to obtain a clean surface, which consists in etching the wafers and in determining the duration of the etching time by the highest percentage of suitable products and the longest possible time of etching the plate [VLSI technology: 2-kn. Prince 1. Trans. from English / Ed. S. Zee. - M .: Mir, 1986. 404 s].

Длительность времени плазмохимического травленияPlasma chemical etching time

полупроводниковых пластин в технологии производства изделий микроэлектроники определяют по времени распыления слоя немаскированного резиста, или диэлектрика и металлической пленки, или определенного слоя полупроводника (например, оксида кремния, нитрида кремния), предположительно содержащего загрязнения, затем по выходу годных изделий корректируют это время в сторону его увеличения или уменьшения. При этом предполагается, что с увеличением времени травления количество поверхностных загрязнений уменьшается. При удалении металлических, диэлектрических пленок или слоя фоторезиста необходимо их удалять по всей поверхности немаскированных площадок. Так как при режимах распыления пленки полупроводник не распыляется, то длительность распыления в сторону увеличения времени должно обеспечивать лучшее качество удаления пленки. Недостатком известного способа является отсутствие прямых контролируемых параметров, характеризующих чистоту поверхности пластины. Процент выхода годных изделий, используемый в качестве критерия правильности выбираемого режима, зависит от большого числа других режимов и однозначно не характеризует качество удаления пленок.semiconductor wafers in the technology of manufacturing microelectronics products are determined by the time of spraying of a layer of unmasked resist, or a dielectric and a metal film, or a certain layer of a semiconductor (for example, silicon oxide, silicon nitride), presumably containing contaminants, then this time is corrected by the output of suitable products towards it increase or decrease. It is assumed that with an increase in the etching time, the amount of surface contamination decreases. When removing metal, dielectric films or a photoresist layer, they must be removed over the entire surface of unmasked sites. Since the semiconductor is not atomized in the film spraying modes, the duration of spraying in the direction of increasing time should provide the best quality of film removal. The disadvantage of this method is the lack of direct controlled parameters characterizing the cleanliness of the surface of the plate. The percentage of suitable products used as a criterion for the correctness of the selected mode depends on a large number of other modes and does not unambiguously characterize the quality of film removal.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения длительности времени плазмохимического травления поверхности полупроводниковых пластин для удаления пленок с немаскированных поверхностей и получения чистой поверхности, заключающийся в травлении пластин, в определении типа и количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхности пластин и в определении длительности времени травления (Технология СБИС: В 2-кн. Кн. 2. Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986. 453 с.(Могаб К., Фрейзер Д., Фичтнер У., Паррильо Л., Маркус Л., Стейдел К., Бертрем У.)Closest to the proposed invention is a method for determining the duration of plasma-chemical etching of the surface of semiconductor wafers to remove films from unmasked surfaces and to obtain a clean surface, which consists in etching the wafers, in determining the type and amount of residual and contaminants on the wafer surface and in determining the duration of the etching time ( VLSI technology: In the 2nd book of Prince 2. Translated from English / Edited by S. Z. - M .: Mir, 1986. 453 pp. (Mogab K., Fraser D., Fichtner W., Parrillo L., Marcus L., Steidel K., Bertrem W.)

Известный способ осуществляется с использованием оже-электронного спектрометра для определения элементного состава поверхности и количества загрязняющих примесей на поверхности пластин. Недостатком известного способа является недостаточная чувствительность метода оже-спектроскопии к загрязнениям во внешнем моноатомном слое поверхности пластин. При сведениях в литературе о толщине анализируемого слоя 3-5 Å реальная глубина выхода оже-электронов в полупроводниках превышает 10 Å. При этом из-за энергетической зависимости сечения ионизации атомов вероятность возбуждения атомов первого слоя меньше, чем нижележащих слоев. В целом, чувствительность (предел обнаружения) загрязняющих примесей метода оже-спектроскопии оказывется недостаточной для контроля чистоты операции плазмохимического травления.The known method is carried out using an Auger electronic spectrometer to determine the elemental composition of the surface and the amount of contaminants on the surface of the plates. The disadvantage of this method is the lack of sensitivity of the Auger spectroscopy method to contamination in the outer monoatomic layer of the wafer surface. When information in the literature on the thickness of the analyzed layer is 3-5 Å, the actual depth of the exit of Auger electrons in semiconductors exceeds 10 Å. Moreover, due to the energy dependence of the ionization cross section of atoms, the probability of excitation of the atoms of the first layer is less than that of the underlying layers. In general, the sensitivity (detection limit) of contaminants of the Auger spectroscopy method is insufficient to control the purity of the plasma-chemical etching operation.

Технический результат направлен на повышение достоверности определения типа и количества загрязняющих примесей на поверхности полупроводниковых пластин после плазмохимического травления и определения оптимального значения длительности времени травления.The technical result is aimed at increasing the reliability of determining the type and amount of contaminants on the surface of semiconductor wafers after plasma-chemical etching and determining the optimal value of the etching time.

Технический результат достигается тем, что в способе определения длительности времени плазмохимического травления поверхности полупроводниковых пластин для удаления пленок с немаскированных поверхностей и получения чистой поверхности, заключающемся в травлении пластин, в определении типа и количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхности пластин и в определении длительности времени травления, при этом осуществляется травление нескольких пластин в течение разных длительностей времени, определяются количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхностях пластин и определяется длительность времени травления по времени травления пластины с минимальным количеством загрязняющих примесей на поверхности, при этом определение количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхностях пластин производится зондированием поверхностей ионными пучками гелия и неона с энергиями 1-5 кэВ, плотностью тока пучка менее 100 мкА/см² и регистрацией энергетического спектра отраженных ионов под углом рассеяния более 90° и по энергиям и величинам максимумов в спектре определяется соответственно тип и количество загрязняющих примесей.The technical result is achieved by the fact that in the method for determining the duration of plasma-chemical etching of the surface of semiconductor wafers to remove films from unmasked surfaces and to obtain a clean surface consisting in etching of the wafers, in determining the type and amount of residual and contaminants on the wafer surface and in determining the duration of the etching time in this case, several plates are etched for different durations of time, the amount of residual is determined contaminants and impurities on the surfaces of the wafers and the etching time is determined by the etching time of the wafer with a minimum amount of contaminants on the surface, while the amount of residual and contaminants on the wafer surfaces is determined by probing the surfaces with ion beams of helium and neon with energies of 1-5 keV, with a beam current density of less than 100 μA / cm ² and recording the energy spectrum of the reflected ions at a scattering angle of more than 90 ° and the energies and maximums in c The type and amount of contaminants is determined accordingly.

На рисунке приведены структура пленок на поверхности кремниевой пластины (а) и спектры рассеянных ионов (б) поверхности пленок на кремнии после операции плазмохимического травления (1) и после удаления монослойной пленки атомов фтора (2).The figure shows the structure of the films on the surface of the silicon wafer (a) and the spectra of scattered ions (b) of the surface of the films on silicon after plasma-chemical etching (1) and after removal of the monolayer film of fluorine atoms (2).

Сущность предлагаемого способа определения длительности времени плазмохимического травления поверхности полупроводниковых пластин для получения чистой поверхности заключается в обнаружении неизвестного ранее процесса накопления технологических загрязнений на поверхности обрабатываемых пластин на финишной стадии травления, когда появляются чистые участки поверхности подложки. Экспериментальными исследованиями на промышленных технологических операциях травления показано, что в процессе травления плазма загрязняется технологическими загрязнениями, в частности атомами деталей, окружающих обрабатываемую пластину. Эти и другие технологические загрязнения адсорбируются на поверхности пластины. Загрязнения с поверхности пленки (например, резиста) удаляются вместе с резистом. На очищенной поверхности подложки, в частности кремния, загрязняющие примеси адсорбируются с большой энергией связи и плазмой удаляются плохо. В зависимости от чистоты технологического оборудования и сред скорость распыления может оказаться меньше скорости адсорбции, и загрязняющие примеси после очистки поверхности подложки от пленки (резиста) будут накапливаться на поверхности пластины. Так как плазма положку не распыляет, то при чистом оборудовании время травления не ограничивается - чем дольше производится травление, тем меньше остаточных загрязнений от удаляемой пленки. Однако любое технологическое оборудование имеет некоторый уровень фоновых загрязнений, которые могут селективно накапливаться на поверхности очищенной пластины. Это предположение было подтверждено экспериментально. Поэтому существует оптимум времени травления, при котором суммарное количество поверхностных загрязнений минимально. Оно соответствует времени травления, при котором количество накапливающиеся технологических загрязнений не превышает количество остаточные загрязнения от удаляемой пленки.The essence of the proposed method for determining the duration of plasma-chemical etching of the surface of semiconductor wafers to obtain a clean surface consists in detecting a previously unknown process of accumulation of technological impurities on the surface of the wafers being processed at the final etching stage, when clean areas of the substrate surface appear. Experimental studies on industrial technological etching operations have shown that during etching, the plasma is contaminated with technological impurities, in particular the atoms of the parts surrounding the wafer. These and other technological contaminants are adsorbed on the surface of the plate. Contaminants from the surface of the film (e.g., resist) are removed along with the resist. On a cleaned surface of the substrate, in particular silicon, contaminants are adsorbed with high binding energy and the plasma is poorly removed. Depending on the purity of the process equipment and media, the spraying rate may be lower than the adsorption rate, and contaminants after cleaning the surface of the substrate from the film (resist) will accumulate on the surface of the plate. Since the plasma does not spray the positive, then with clean equipment the etching time is not limited - the longer the etching takes place, the less residual contamination from the removed film. However, any technological equipment has a certain level of background pollution, which can selectively accumulate on the surface of the cleaned plate. This assumption was confirmed experimentally. Therefore, there is an optimum etching time at which the total amount of surface contamination is minimal. It corresponds to the etching time at which the amount of accumulated technological pollution does not exceed the amount of residual pollution from the removed film.

С уменьшением топологической нормы, особенно меньше 2 мкм, и при переходе на наноразмерные структуры существенно повысились требования к минимальной концентрации загрязнений в целом. Поэтому суммарное количество поверхностных загрязнений должно удовлетворять еще этому требованию, которое можно определять в оптимуме времени травления.With a decrease in the topological norm, especially less than 2 μm, and with the transition to nanoscale structures, the requirements for the minimum concentration of contaminants as a whole increased significantly. Therefore, the total amount of surface contamination must also satisfy this requirement, which can be determined at the optimum etching time.

Тип и количество поверхностных загрязнений определяется методом спектроскопии обратно рассеянных ионов низких энергий, позволяющим анализировать элементный состав одного внешнего моноатомного слоя поверхности. Такой спектрометр разработан с участием авторов предлагаемого изобретения. Аналитические возможности спектрометра: диапазон анализируемых элементов - все (кроме H и He); толщина анализируемого слоя 1 монослой атомов; диаметр зондирующего ионного пучка - 0.1-1 мм; предел обнаружения - 10⁺¹¹ ат/см². Экспериментально установлено, что режимы анализа состава внешнего монослоя применительно к реализации ока пучка менее 100 мкА/см² и регистрацией энергетического спектра отраженных ионов под углом рассеяния более 90°.The type and amount of surface contamination is determined by spectroscopy of backscattered low-energy ions, which allows one to analyze the elemental composition of one external monoatomic layer of the surface. Such a spectrometer was developed with the participation of the authors of the invention. Analytical capabilities of the spectrometer: range of analyzed elements - all (except for H and He); the thickness of the analyzed layer 1 monolayer of atoms; the diameter of the probe ion beam is 0.1-1 mm; detection limit - 10 ^{+ 11} at / cm ² . It was experimentally established that the analysis modes of the composition of the outer monolayer as applied to the realization of an eye beam of less than 100 μA / cm ² and registration of the energy spectrum of reflected ions at a scattering angle of more than 90 °.

Так как прямой анализ поверхности вскрытых окон на операциях с литографией невозможен из-за большого диаметра зондирующего пучка спектрометра, то контрольно-измерительные операции производятся на тест-площадках, имеющихся или специально создаваемых на поверхности обрабатываемой пластины. Для демонстрации аналитических возможностей спектрометра на рисунке приведены структура пленок на поверхности кремниевой пластины (а) и спектры поверхности до и после ионной бомбардировки. На поверхности кремниевой пластины нанесена пленка окиси кремния SiO₂, на которую нанесена пленка нитрида кремния S₃N₄. Для получения заданного рисунка на поверхность S₃N₄ была нанесена пленка фоторезиста. После плазмохимического травления фоторезиста с пленкой S₃N₄ необходимо получить чистую поверхность окиси кремния. Анализ поверхности кремниевых пластин показал, что после плазмохимического травления в HF₆ с целью создания заданной топологии внешний монослой на поверхности SiO₂ полностью состоит из атомов фтора. После удаления пленки атомов фтора ионной бомбардировкой пучком ионов неона плотностью тока 10^-4 А/см² в течение 100 сек на поверхности кремния обнаружились загрязняющие примеси углерода. График спектра 1 демонстрирует монослойную чувствительность на примере пленки фтора. Под пленкой фтора элементы не видны, а второй и третий слои фтора не могут присутствовать из-за малой энергии связи - газовые атомы одного типа не образуют полиатомные пленки. В результате исследований определены режимы регистрации спектров. Зондирование анализируемой поверхности производится ионными пучками гелия и неона с энергиями 1-5 кэВ с плотностью тока пучка менее 100 мкА/см². Энергетический спектр отраженных от анализируемой поверхности ионов регистрируется под углом рассеяния более 90^о.Since direct analysis of the surface of open windows in lithography operations is impossible due to the large diameter of the probe beam of the spectrometer, control and measurement operations are performed on test sites that are available or specially created on the surface of the processed plate. To demonstrate the analytical capabilities of the spectrometer, the figure shows the structure of the films on the surface of the silicon wafer (a) and the spectra of the surface before and after ion bombardment. A silicon oxide film SiO ₂ is deposited on the surface of the silicon wafer, onto which a silicon nitride film S ₃ N _{4 is} deposited. To obtain a given pattern, a photoresist film was deposited on the surface of S ₃ N ₄ . After plasma-chemical etching of a photoresist with a S ₃ N ₄ film, it is necessary to obtain a clean surface of silicon oxide. Analysis of the surface of silicon wafers showed that after plasma chemical etching in HF ₆ in order to create a given topology, the external monolayer on the surface of SiO ₂ completely consists of fluorine atoms. After removing the film of fluorine atoms by ion bombardment with a neon-ion beam with a current density of 10 ^-4 A / cm ² for 100 sec, carbon contaminants were found on the silicon surface. The plot of spectrum 1 shows a monolayer sensitivity using fluorine as an example. Under the fluorine film, elements are not visible, and the second and third layers of fluorine cannot be present due to the low binding energy - gas atoms of the same type do not form polyatomic films. As a result of the research, the regimes for recording spectra were determined. Sounding of the analyzed surface is carried out by ion beams of helium and neon with energies of 1-5 keV with a beam current density of less than 100 μA / cm ² . The energy spectrum of ions reflected from the analyzed surface is recorded at a scattering angle of more than 90 ^about .

Сопоставительный анализ с прототипом и экспериментальные исследования показали, что на поверхности пластин после снятия резиста (пленки) происходит накопление технологических примесей на поверхности и существует оптимальное время травления для получения наиболее чистой поверхности пластины. Для анализа поверхностных загрязнений наиболее чувствительным является спектрометр обратно рассеянных ионов низких энергий с толщиной анализируемого слоя в 1 монослой, что осуществляется при зондировании поверхностей ионными пучками гелия и неона с энергиями 1-5 кэВ с плотностью тока пучка менее 100 мкА/см² и регистрацией энергетического спектра отраженных ионов под углом рассеяния более 90°. В сравнении с прототипом вводится оптимум времени травления, что предотвращает бесконтрольное загрязнение поверхности подложки после снятия резиста (пленки). Чувствительность контрольного оборудования в сравнении с прототипом лучше более чем на порядок.Comparative analysis with the prototype and experimental studies showed that on the surface of the plates after removing the resist (film), technological impurities accumulate on the surface and there is an optimal etching time to obtain the cleanest surface of the plate. For the analysis of surface contaminants, the most sensitive is a back-scattered low-energy ion spectrometer with an analyte layer thickness of 1 monolayer, which is carried out when probing surfaces with helium and neon ion beams with energies of 1-5 keV with a beam current density of less than 100 μA / cm ² and energy spectrum of reflected ions at a scattering angle of more than 90 °. In comparison with the prototype, an optimum etching time is introduced, which prevents uncontrolled contamination of the substrate surface after removing the resist (film). The sensitivity of the control equipment in comparison with the prototype is better than more than an order of magnitude.

Claims (1)

Способ определения длительности времени плазмохимического травления поверхности полупроводниковых пластин для удаления пленок с немаскированных поверхностей и получения чистой поверхности, заключающийся в травлении пластин, в определении типа и количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхности пластин и в определении длительности времени травления, отличающийся тем, что осуществляется травление нескольких пластин в течение разных длительностей времени, определяются количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхностях пластин и определяется длительность времени травления по времени травления пластины с минимальным количеством загрязняющих примесей на поверхности, при этом определение количества остаточных и загрязняющих примесей на поверхностях пластин производится зондированием поверхностей ионными пучками гелия и неона с энергиями 1-5 кэВ, плотностью тока пучка менее 100 мкА/см² и регистрацией энергетического спектра отраженных ионов под углом рассеяния более 90^о и по энергиям и величинам максимумов в спектре определяется соответственно тип и количество загрязняющих примесей. A method for determining the duration of plasma-chemical etching of the surface of semiconductor wafers to remove films from unmasked surfaces and to obtain a clean surface, which consists in etching the wafers, in determining the type and amount of residual and contaminants on the wafer surface and in determining the length of the etching time, characterized in that the etching is carried out several plates over different time durations, the amounts of residual and contaminants are determined by on the surfaces of the wafers, the etching time is determined by the etching time of the wafer with the minimum amount of contaminants on the surface, while the amount of residual and contaminants on the wafer surfaces is determined by probing the surfaces with helium and neon ion beams with energies of 1-5 keV and a beam current density of less than 100 μA / cm ² and registration of the energy spectrum of the reflected ions at a scattering angle of more than 90 ^about and the energy and maximum values in the spectrum is determined respectively but the type and amount of contaminants.

Images