УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА СУХОГО ТРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРООБРАЗУЮЩЕГО СЛОЯ МИКРОСХЕМЫ
DEVICE FOR CONTROLLING PROCESS OF DRY ETCHING STRUCTURE-FORMING LAYER OF MICROCHIP

Изобретение относится к микро- и нанотехнологии и может быть использовано при нанесении и исследовании тонкопленочных структур, в особенности в производстве и контроле полупроводниковых микросхем методом сухого травления. Наиболее эффективно его использовать при исследовании топологии микросхем путем последовательного удаления структурообразующих слоев.
Известно устройство для контроля процесса сухого травления путем масс-спектрометрического анализа отходящих газов, содержащее квадрупольный масс-анализатор, квадрупольный масс-спектрометр, вакуумную систему и системы возбуждения и регистрации сигнала (см., например, IBM Res. Devel., 1979, 23, 1, 33-41).
Данное устройство позволяет контролировать процессы травления как прозрачных, так и непрозрачных структурообразующих слоев. Однако оно обладает низкими точностью и надежностью при высокой стоимости.
Другое направление проектирования устройств рассматриваемого назначения заключается в их оснащении последовательно расположенными лазером, системой формирования луча с фокусирующими и юстировочными элементами, приемником и преобразователем излучения (US 4732473, G01N 21/88). Для повышения чувствительности и разрешающей способности на выходе лазера дополнительно размещены четвертьволновая пластина и поляризатор, а перед приемником излучения последовательно расположены селективный фильтр и анализатор (RU 2006985, H01L 21/66, 1994).
Известно также устройство для контроля процесса сухого травления структурообразующего слоя микросхемы в вакуумной камере, содержащее источник УФ-излучения, систему формирования светового луча и системы приема и регистрации информативного сигнала, где система регистрации информативного сигнала представляет собой вторичный электронный умножитель (ВЭУ), в непосредственной близости которого расположена заслонка, установленный не далее чем в 40 мм от объекта контроля под углом 45° к оси пучка активных частиц и подключенный через промежуточный усилитель (ПУ) к блоку регистрации, причем ВЭУ, ПУ, источник УФ-излучения и система формирования светового луча расположены в вакуумной камере установки сухого травления (RU 2091905, H01L 21/66).
Однако данные устройства обладают низкой разрешающей способностью и не позволяют контролировать процесс травления сложной микроструктуры с размерами топологических элементов менее 10 мкм из-за отсутствия возможности выбора характерных точек контроля. Кроме того, прототипное устройство неудобно в эксплуатации, так как при проведении измерений требуется прерывание процесса сухого травления для исключения влияния заряженных частиц плазмы на вход ВЭУ, поскольку здесь сигнал помехи превышает информативный сигнал на несколько порядков.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для контроля процесса сухого травления структурообразующего слоя микросхемы в вакуумной камере, содержащее источник светового излучения видимой части спектра и систему формирования светового луча и приема информативного сигнала, выполненную на базе оптического микроскопа отраженного света, оснащенного цветной цифровой видеокамерой высокого разрешения, подключенной к компьютеру, и установленного снаружи вакуумной камеры с возможностью нормального освещения участка поверхности вытравливаемого слоя и приема лучей отраженного света объективом микроскопа через оптическое окно, встроенное в вакуумную камеру (RU 37875, H01L 21/66, 2004).
Достоинствами данного технического решения являются обеспечение непрерывности (мониторинга) контролируемого процесса и возможность выбора характерного микроучастка контролируемого изделия для проведения измерений.
Однако данное устройство обладает низкими точностью и надежностью контроля процесса в отношении скорости и глубины травления структурообразующего слоя микросхемы. Оно не позволяет также на начальном этапе определить исходную толщину вытравливаемого слоя.
Технической задачей изобретения является повышение точности и надежности текущего контроля скорости и глубины травления, а также остаточной толщины обрабатываемого слоя.
Решение указанной технической задачи заключается в том, что в устройство для контроля процесса сухого травления структурообразующего слоя микросхемы в вакуумной камере, содержащее источник светового излучения и систему формирования светового луча, выполненные на базе оптического микроскопа отраженного света, оснащенного цифровой видеокамерой высокого разрешения, подключенной к компьютеру, при этом оптический микроскоп установлен снаружи вакуумной камеры с возможностью нормального освещения участка поверхности вытравливаемого слоя и приема лучей отраженного света его объективом через оптическое окно, встроенное в вакуумную камеру, вносятся следующие изменения:
1) устройство дополнительно содержит микроконтроллер и светодиодный драйвер;
2) цифровая видеокамера выполнена монохромной;
3) источник светового излучения представляет собой импульсный осветитель, выполненный на базе многоцветного светодиода;
4) многоцветный светодиод импульсного осветителя подключен к управляющему выходу микроконтроллера через светодиодный драйвер;
5) управляющий вход микроконтроллера соединен с выходом кадровых синхроимпульсов видеокамеры.
н
н
Причинно-следственная связь между внесенными изменениями и достигнутым техническим результатом заключается в следующем. Функционирование предлагаемого устройства, равно как и его прототипа, заключается в мониторинге сигналов изменения интенсивностей отраженного излучения (в процессе травления) от выбранных характерных микрообластей обрабатываемой микроструктуры в окрестности двух или более длин волн оптической части спектра для расчета глубины и скорости травления, а также остаточной толщины вытравливаемого слоя по информации о разности фаз любых двух из указанных сигналов. Очевидно, что точность измерений здесь определяется, в первую очередь, шириной полосы сформированного освещения на используемых частотах. В прототипе эта полоса формируется соответствующими светофильтрами, встроенными в цветной видеокамере перед каждой элементарной ячейкой фотоэлектрического преобразователя. Авторами установлено, что полосы пропускания светофильтров цветной видеокамеры, помимо номинальной длины волны пропускания λ, имеют дополнительные окна прозрачности на других волнах, существенно (на 0,2÷0,8λ) отстоящих от номинального значения. Это обуславливает появление биений частоты регистрируемых сигналов, что приводит к погрешности измерений, вплоть до невозможности обработки результатов некоторых периодов травления на соответствующих длинах волн, что проиллюстрировано прилагаемыми кривыми мониторинга.
Для устранения указанной причины в предлагаемом техническом решении использован прием инверсии, применительно к решаемой технической задаче заключающийся в том, что используют не цветную, а монохромную видеокамеру высокого разрешения, чувствительную, как известно, в широком диапазоне оптической части спектра. При этом разделение по длинам волн осуществляют не с помощью светофильтров, а путем переключения используемого импульсного осветителя, выполненного на основе многоцветного светодиода (в прототипе установлен широкополосный осветитель на основе лампы накаливания). Таким путем из конструкции исключен блок светофильтров как элемент, вносящий погрешность и снижающий надежность работы устройства по рассматриваемому назначению (используемая видеокамера выполнена монохромной).
Другая пара причинно-следственных связей заключается в том, что в импульсном многоцветном светодиоде p-n-переходы, обеспечивающие различную цветность излучения, имеют малые размеры (доли миллиметра), расположены на близком расстоянии друг к другу (в 20÷50 раз меньше фокусного расстояния конденсорной линзы микроскопа), вследствие чего многоцветный светодиод здесь является точечным источником излучения. Это позволяет избежать усложнения оптической системы формирования светового луча, упростить ее юстировку, а также предотвратить ослабление освещенности образца, что имело бы место при обычном проектировании с использованием нескольких источников монохроматического освещения.
Остальные новые элементы (контроллер и светодиодный драйвер), а также новые связи обеспечивают техническое осуществление вышеуказанного принципа действия.
Для упрощения воспроизводства цветного изображения в компьютере целесообразно использовать многоцветный светодиод RGB типа. При этом оптимальной является настройка микроконтроллера из расчета равной длительности последовательного включения красного, зеленого и синего каналов данного светодиода.
Информационный вход микроконтроллера может быть связан с информационным выходом компьютера для образования цепи обратной связи настроечных параметров многоцветного светодиода (последовательность и длительность включения каналов, яркость и т.п.) с обработанным изображением или оперативного управления пользователем. Эта возможность наиболее актуальна при использовании светодиода с четырьмя и более каналами излучения.
Для повышения помехозащищенности и предотвращения рассинхронизации формирования изображения и цветности луча информационный выход микроконтроллера подключен к телеметрическому входу видеокамеры.
Для технического осуществления предлагаемого устройства может быть использован общеупотребительный оптический микроскоп, например, типа МЕТАМ Р-1 (ЛОМО, Санкт-Петербург), в котором демонтирован предметный столик, а по месту оптического окуляра установлена монохромная видеокамера высокого разрешения, например, типа BR-1340LM-U (Es-experts, Санкт-Петербург). Для возможности контроля объектов, удаленных от объектива на расстояние, превышающее регламентированное технической характеристикой используемого микроскопа, последний оснащают объективом с увеличенным рабочим отрезком. Наиболее целесообразно использовать объективы типа ПЛАН-АПО (ЛОМО) с фокусным расстоянием 12,5 или 25 мм, позволяющие наблюдать обрабатываемую микросхему на расстоянии 32÷45 мм от объектива. В качестве многоцветного светодиода в импульсном осветителе целесообразно использовать трехцветный RGB-светодиод, например, типа HPL-H99SL3CO (High Power Lighting Соmр., Taiwan), светодиодный драйвер - DD313 (Siti, Taiwan) и микроконтроллер AT91SAM7S64 (Atmel Corp.).
Следует иметь в виду, что выбор конкретных длин волн многоцветного светодиода определяется материалом структурообразующих слоев исследуемой микросхемы.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства (пунктирными линиями показаны новые информационные связи, заявленные в пп.3 и 4 формулы); на фиг.2 изображена схема обрабатываемой микросхемы; на фиг.3 и 4 приведены графики изменения интенсивности отраженного света при контроле образцов микросхем с использованием предлагаемого и прототипного устройств соответственно.
Устройство (фиг.1) для контроля процесса сухого травления структурообразующего слоя микросхемы 1 в вакуумной камере 2 содержит источник 3 светового излучения, систему формирования светового луча, включающую последовательно расположенные конденсор 4, полупрозрачное зеркало 5 и объектив 6. Источник 3 светового излучения и система формирования светового луча выполнены на базе оптического микроскопа 7 отраженного света, оснащенного цифровой монохромной видеокамерой 8 высокого разрешения, установленной по месту окуляра микроскопа 7 и подключенной к компьютеру 9. Микроскоп 7 установлен снаружи вакуумной камеры 2 с возможностью нормального освещения участка поверхности вытравливаемого слоя микросхемы 1 и приема лучей отраженного света объективом 6 микроскопа 7 через оптическое окно 10, встроенное в вакуумную камеру 2. Устройство дополнительно содержит микроконтроллер 11 и светодиодный драйвер 12. Источник 3 светового излучения представляет собой импульсный осветитель, выполненный на базе многоцветного светодиода, подключенного к управляющему выходу микроконтроллера 11 через светодиодный драйвер 12, при этом управляющий вход микроконтроллера 11 соединен с выходом кадровых синхроимпульсов видеокамеры 8.
Микросхема 1 расположена в заземленной вакуумной камере 2 на внутреннем электроде 13, подключенном к ВЧ-генератору 14 возбуждения плазмы. Другим электродом является заземленный корпус вакуумной камеры 2.
В данном варианте исполнения штатный осветитель микроскопа 7 демонтирован. Вместо него установлен источник 3 светового излучения, представляющий собой импульсный осветитель на основе многоцветного светодиода RGB типа. При этом микроконтроллер 11 настроен из расчета равной длительности последовательного включения красного, зеленого и синего каналов данного светодиода.
Кроме того, в данном варианте исполнения информационный вход микроконтроллера 11 связан с информационным выходом компьютера 9, а информационный выход микроконтроллера 11 подключен к телеметрическому входу видеокамеры 8 (пунктирные линии на фиг.1).
Устройство работает следующим образом.
Излучение от импульсного осветителя 3 через конденсор 4, полупрозрачное зеркало 5, объектив 6 и оптическое окно 10 нормально падает на обрабатываемую микросхему 1, помещенную на внутренний электрод 13 вакуумной камеры 2 напротив оптического окна 10 на расстоянии от объектива 6 из расчета возможности его фокусировки. Положение микросхемы 1 при ее установке контролируют с помощью микроскопа 7, оснащенного согласно настоящему описанию, по монитору компьютера 9. Визуальный контроль здесь осуществляют по цветному изображению, синтезируемому с помощью программного обеспечения компьютера 9 из последовательности монохромных кадров, сформированных видеокамерой 8, при освещении исследуемого образца микросхемы 1 излучением различных длин волн. Каждый монохромный кадр формируется при излучении определенной длины волны. После завершения формирования текущего кадра с управляющего выхода видеокамеры 8 на управляющий вход микроконтроллера 11 подается сигнал кадрового синхроимпульса. По фронту этого сигнала микроконтроллер 11 вычисляет для очередного импульса значения требуемой длины волны, яркости и длительности освещения. Соответствующие управляющие сигналы поступают с управляющего выхода микроконтроллера 11 на вход светодиодного драйвера 12, который обеспечивает заданный режим работы осветителя 3. В данном варианте исполнения заданные значения режима работы осветителя 3 корректируются по цепи обратной связи, образованной соединением информационного выхода компьютера 9 с информационным входом микроконтроллера 11. Кроме того, в данном варианте исполнения по каналу связи между информационным выходом микроконтроллера 11 и телеметрическим входом видеокамеры 8 в поток данных изображения вводится служебная информация о текущей длине волны осветителя. Это улучшает помехозащищенность устройства в отношении синхронизации процессов формирования кадров и светового луча. Далее выбирают и с помощью реализуемой компьютером 9 программы задают на наблюдаемом увеличенном изображении участка поверхности микросхемы 1 одну или (при травлении сложных микросхем) несколько характеристических точек (микрообластей) контроля.
Затем вакуумную камеру 2 откачивают до требуемого уровня разрежения, напускают рабочие газы и включают ВЧ-генератор 14 возбуждения плазмы. Процесс ионно-плазменного травления ведут непрерывно, контролируя в характеристических точках косинусоидальные временные зависимости интенсивностей R, G и В компонентов синтезированного цветного изображения, по которым судят о глубине и скорости травления, а также об остаточной толщине обрабатываемого слоя для принятия решения об остановке травления согласно известным математическим описаниям соответствующих процессов (см., например, Лучинин В.В. и др. Малогабаритный комплекс для контролируемого ионно-плазменного препарирования микросхем. - «Петербургский журнал электроники», 2006, №3, с.10-24). Так, для приводимых ниже процессов травления прозрачных и слабо поглощающих оптическое излучение слоев могут использоваться следующие формулы:
где Δd - толщина удаленного слоя в течение одного периода косинусоидального изменения интенсивности отраженного сигнала, нм;
с
λ - среднее значение длины волны отраженного сигнала, нм;
n - показатель оптического преломления материала вытравливаемого слоя;
где V - скорость травления структурообразующего слоя, нм/с;
n
с
t - длительность периода изменения интенсивности отраженного излучения при длине волны λ, с;
где d - остаточная толщина вытравливаемого слоя, нм;
1
2
λ>λ - длины волн, на которых проводится контроль, нм;
n
1
t - длительность периода изменения интенсивности отраженного излучения при длине волны λ, с;
1
2
τ - промежуток времени, на который экстремум кривой изменения интенсивности отраженного излучения на длине волны λ отстает от соответствующего экстремума на длине волны λ, с.
1
1
2
2
Формула (3) справедлива, если остаточная толщина вытравливаемого слоя d≤λ /2n(λ-λ), из чего следует, что при контроле по красной (0,61 мкм) и зеленой (0,54 мкм) цветовым координатам величина d для диоксида кремния (n=1,46) не должна превышать 2 мкм, что, как правило, соблюдается в реальных микросхемах.
Использование устройства поясняется следующими примером.
2
Процесс сухого травления защитно-изолирующего слоя SiO на поверхности алюминиевой металлизации кремниевой микросхемы (фиг.2) контролируют с использованием предлагаемого и прототипного устройств.
2
Исходная толщина пленки диоксида кремния - 820 нм. Показатель преломления SiO в видимой части спектра ≈1,5.
6
2
Сухое травление производят в плазме SF при давлении 3 Па и мощности 13,56 МГц ВЧ-разряда - 100 Вт. Точку контроля задают перед началом травления на наружной поверхности пленки SiO, лежащей над алюминиевой металлизацией.
2
2
Как видно из графиков изменения интенсивностей R (красного), G (зеленого) и В (синего) компонентов синтезированного цветного изображения во времени, снятых предлагаемым устройством (фиг.3), на стадии травления структурообразующего слоя SiO наблюдается косинусоидальная модуляция с разной частотой и амплитудой, что обусловлено явлением интерференции света в системе SiO - Al. По окончании травления до слоя Al (через 125 с от начала травления) интерференционные колебания, очевидно, отсутствуют.
с
В данном примере значения λ для R, G и В компонентов составляют 630, 530 и 465 им соответственно.
2
Согласно формуле (1) толщина удаленного слоя SiO в течение одного периода косинусоидального изменения интенсивности отраженного R-излучения составляет:
r
cr
Δd=λ/2n=630/(2·1,5)=210 нм.
2
Согласно аналогичному расчету толщины удаленного слоя SiO в течение одного периода косинусоидального изменения интенсивностей отраженного G- и В-излучений составляют 177 и 155 нм соответственно.
n
2
Как видно из графиков фиг.3, длительность периодов изменения интенсивностей (t) для R, G и В компонентов составляют 32; 26.5 и 23 с соответственно. Поэтому согласно формуле (2) скорость травления структурообразующего слоя SiO, определенная по кривой R-излучения, составляет:
nR
V=Δd/t=210/32=6,7 нм/с.
Это же значение V можно вычислить по кривым G- и В-излучений.
rg
2
Из участка pq, начало которого соответствует первому минимуму R-графика, а конец - первому минимуму G-графика, видно, что первый минимум R-графика отстает от первого минимума G-графика на τ=17,8 с. Поэтому согласно формуле (3) остаточная толщина слоя SiO в точке р составила:
.
2
Как видно из графиков изменения интенсивностей R (красного), G (зеленого) и В (синего) компонентов синтезированного цветного изображения во времени, снятых прототипным устройством (фиг.4,а, 4,б и 4,в соответственно), на стадии травления структурообразующего слоя SiO наблюдаются биения снятых характеристик по амплитуде и длительности периодов, вносящие методическую погрешность в измерения. Это особенно характерно для В-кривой, где длительность периода колебаний дрейфует от 13 до 29 с. На G-кривой дрейф периода колебаний составляет от 19 до 24 с. На R-кривой период колебаний практически стабилен (26÷27 с), наблюдается лишь резкое изменение амплитуды колебаний.
Использование предлагаемого изобретения обеспечивает повышение точности и надежности текущего контроля скорости и глубины травления, а также остаточной толщины обрабатываемого слоя за счет устранения методической погрешности, связанной с биением информативных сигналов в условиях неэффективной фильтрации излучения. Произведенное при этом исключение блока светофильтров позволило упростить конструкцию. Другими видами положительного эффекта, производными от достигнутого, являются повышение оптического увеличения изображения и увеличение разрешающей способности устройства за счет участия каждого из элементарных светочувствительных пикселей монохромной видеокамеры в формировании кадров изображения, относящихся к любому цвету.