Caractérisations optiques et électriques. et effets des interactions plasma/surface en gravure silicium

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1 1 Caractérisations optiques et électriques d un plasma de chlore haute densité et effets des interactions plasma/surface en gravure silicium François NEUILLY France Télécom R&D, Meylan / STMicroelectronics, Crolles Directeur universitaire : Jean-Paul BOOTH (LSP) Encadrement CNET : Philippe NORMANDON (FT R&D) F. Neuilly, 27 septembre 2000

2 Plan 2 I- Introduction Contexte La gravure par plasma Les dérives de procédés II- Dérives des procédés : réacteur LAM 9408 III- Résultats avec réacteur de recherche Electrotech IV- Conclusion

3 Contexte de la microélectronique 3 30 millions de transistors de largeur de grille : 0.18 µm dans 1 mm² Grille Contact

4 Principes de gravure plasma 4 RF Produits de gravure volatils SiCl x ; CCl x... Cl Introduction des gaz Application de la puissance source => Dissociation Ionisation Application de la polarisation => gravure Résine Poly-silicium SiO 2 Silicium cristallin RF

5 Produits volatils 5 Les produits volatils sont éliminés par trois possibilités : CCl x SiCl x Dépôt sur les parois Dépôt sur les flancs des motifs Pompé à l extérieur SiCl x est peu volatil, il forme beaucoup de dépôt

6 Dérive de procédés 6 Objectifs de la gravure des grilles de transistor : Le procédé doit obtenir - Une forte anisotropie - Une bonne sélectivité Silicium/Oxyde - Une largeur de grille fixe Uniformité sur la plaquette (centre/bord de plaque) Répétabilité du procédé et stabilité dans le temps Apparitions de dérives : - après un nettoyage du réacteur - lors d un changement de chimie (gravure de produits différents) Importance des interactions plasma/surface

7 plan 7 I- Introduction II- Dérives des procédés : réacteur LAM 9408 dépôts dérives sonde ionique III- Résultats avec réacteur de recherche Electrotech IV- Conclusion

8 Lam Réacteur de gravure Si Milieu industriel : - salle blanche - ouverture de chambre rare - mélange de gaz - différents produits gravés Problèmes liés aux dépôts : Le dépôt sur les parois peut se détacher et générer des particules Modification chimique du plasma par ces particules

9 Influence du dépôt sur l émission du plasma 9 L émission de la lumière du plasma est utilisée pour les détections de fin d attaque Intensité (u.a.) RFmin 650 RFmin longueur d'onde (nm) Le dépôt des produits volatils rend les hublots opaques

10 Perte d intensité de l émission du plasma RFmin 650 RFmin intensité (u.a) RFmin 2400 RFmin 2850 RFmin RFmin longueur d'onde (nm) Dépôt de plus en plus important Intensité lumineuse réduite plus particulièrement vers les U.V.

11 Dépôt selon le temps d exposition au plasma 11 Intensité lumineuse en fonction de temps d utilisation de la machine : I(t) = I 0 exp(-α(λ)l(t)) 2 La perte d intensité est fonction de la longueur d onde αdl/dt (10-3 s -1 ) 1 Composition du dépôt : longueur d'onde (nm) Liaisons C O F Si Al Parois Anneau de gaz Al-F Si-O

12 Réduction du dépôt sur les parois 12 Que faire pour éliminer les dépôts? - Maintenance (nettoyage complet de la machine avec ouverture de la chambre) - très long - plasma de nettoyage régulier pour espacer les maintenances Chimie à base de SF 6 /Cl 2

13 Influence des plasmas de nettoyage 13 Il faut des nettoyages pour enlever le dépôt Mais il apparaît des dérives après ces plasmas Chimie employée : Plasma de nettoyage Gaz : SF 6 /Cl 2 Gravure Grille Gaz : HBr/Cl 2 /O 2 Temps de gravure (s) Plasma de nettoyage Début du second lot Numéro de plaque

14 Dérives des caractéristiques électriques Avant nettoyage Après nettoyage Variations R accès (Ω) % Ecart-type CD électrique (1σ) % 14

15 Diagnostics pour prévenir les dérives? 15 Observations des dérives : - lors du changement de chimies - Impacts sur les procédés mesurés ex-situ Diagnostics pour comprendre les mécanismes réactionnels impliqués et avoir un contrôle sur les dérives Caractéristiques des diagnostics : - In-situ - Robuste (tolérant aux dépôts) Mesure de flux ionique

16 Mesure de flux ionique 16 Mesure du flux ionique dans un plasma chimie propre facile Par contre, impossible lorsqu il y a des dépôts sur la sonde Solution : Polarisation alternative C m C d RF V Dépôt de diélectrique ~ = Capacité supplémentaire

17 Principe de fonctionnement de la sonde 17 Signal RF appliqué : V Etablissement de l autopolarisation V f f 10 MHz t on t off 100µs Durant la décharge : I = C m dv dt I = eaγ ion V bias t Déchage de la capacité Mesure du flux ion à partir de la décharge de la sonde même avec un dépôt

18 Mesures de flux ionique (Lam 9408) 18 Réacteur Lam 9408 : Milieu industriel Sonde de flux ionique Flux ionique (ma.cm -2 ) Chlore P 15 mtorr 25 mtorr Flux ionique (ma.cm -2 ) HBr P 15 mtorr 25 mtorr Puissance source (W) Puissance source (W)

19 Suivi statistique du flux ionique 19 Acquisition continue pour toutes les recettes de gravure (Main Etch) Auto-nettoyages SF 6 /Cl 2 Dérive court terme Lot Grilles HBr/Cl 2 /O 2 Lot Tranchées SF 6 /Cl 2 Dérive long terme Dérive après changement de chimie Dérive du matériel

20 Dérives du flux ionique après maintenance 20 Flux ionique lors de la gravure du silicium en HBr/Cl 2 /O 2 Gravure principale (Main Etch) Surgravure (Over Etch) 0.4 Plasma de nettoyage Plasma de nettoyage Flux ionique (ma.cm -2 ) 0.2 Maintenance maintenance Maintenance numéro de plaque Dérives importantes après les maintenances parois propres, pas de dépôt Flux ionique (ma.cm -2 ) 0.1 maintenance Maintenance Maintenance numéro de plaque

21 Dérives du flux ioniques après nettoyage 21 Dérive après les plasmas de nettoyage (chimie SF 6 /Cl 2 ) Gravure principale (Main Etch) Surgravure (Over Etch) 0.40 Plasmas de nettoyage 0.10 Plasmas de nettoyage Flux ionique (ma.cm -2 ) 0.35 Flux ionique (ma.cm -2 ) numéro de plaque numéro de plaque Le dépôt modifie la chimie du plasma par l attachement et la recombinaison sur les parois La nature du dépôt influence le courant ionique du plasma

22 Plan 22 I- Introduction II- Dérives : résultats LAM 9408 III- Résultat avec réacteur de recherche Electrotech mesure sonde ionique mesure des espèces neutre par absorption U.V. IV- Conclusion

23 Mesures (Electrotech) 23 Réacteur Electrotech : Réacteur R&D Sonde de flux ionique Absorption U.V. 1) Mesure de flux ionique 2) Mesure des espèce neutres par abso U.V - taux de dissociation de Cl 2 (modèle cinétique) - produits de gravure - Ajout de CF 4 dans un plasma de Cl 2

24 Flux ionique : Ar 24 Flux ionique (ma.cm -2 ) Argon 5 mtorr 10 mtorr 15 mtorr Puissance source (W) Flux ionique varie linéairement avec la puissance source n e P RF Lorsque la pression augmente : La température électronique diminue (T e indépendant de P RF ) Moins d ionisation Légère diminution du flux ionique

25 Flux ionique en Cl 2 25 Flux ionique (ma.cm -2 ) 2 1 Chlore P 15 mtorr 30 mtorr 5 mtorr 10 mtorr 20 mtorr 60 mtorr Puissance source (W) Lorsque la pression augmente : Puissance source injectée P RF n e v Bohm ε l - plus de collision en volume, la perte d énergie ε l augmente - Moins de dissociation - Création d ions négatifs par Cl 2 + e - Cl - + Cl La vitesse de Bohm diminue Le flux ionique diminue rapidement

26 Absorption U.V. : montage 26 Lampe U.V. Miroir U.V. Obturateur Filtre Boîtier électronique Générateurs Plasma Cl 2 PC Acquisition de toutes les longueurs d onde en parallèle 1024*256 Caméra CCD Mono chromateur

27 Absorption U.V. : équation 27 Loi de Beer-Lambert : Intensité initiale Section efficace Chemin optique I t = I 0 exp(- σnl)) Intensité transmise concentration

28 Absorption U.V. : incertitude 28 Incertitude : Bruit statistique = profondeur du puits nb de lignes x256x18.8 = 12x10 6 photons lus 1 nombre de photon efficacité détecteur 1 N = 3x10-4 Pour une acquisition Pour le chlore : σ = 25x10-24 m 2 à λ= 330 nm L = 30 cm Erreur sur la pression : 1 mtorr

29 Transmission dans le plasma mtorr de Cl 2 800W source Transmission de Cl Longueur d'onde (nm) 21 mtorr ± 1.3 Dissociation = 70% Bruit statistique 1x10-4 soit 0.3 mtorr Fluctuations de la lampe 3x10-4 soit 1 mtorr Le Cl 2 est dissocié dans le plasma. La transmission est donc supérieure à 1.

30 Absorption Cl 2 : réactions 30 Mécanismes de perte et de création de Cl 2 dans un plasma Réactions : Dissociation électronique (k diss ) Cl 2 + e - 2 Cl + e - Attachement dissociatif (k att ) Cl 2 + e - Cl - 2 Cl - + Cl Ionisation Cl 2 + e - Cl e - n e maxwellienne Recombinaison (γ rec ) 2 Cl + paroi Cl 2 Taux de réaction (s -1 ) Dissociation Ionisation Attachement dissociatif Température électronique (ev) γ rec Alumine 0.06 Silicium 0.12 [G. Kota, J. Coburn, D. graves JVSTA 16(1), p270 (1998)]

31 Absorption Cl 2 : modèle 31 Equation bilan : Flux entrant dissociation attachement recombinaison Flux sortant [Cl 2 ] t = Φ V - n e K diss [Cl 2 ]- n e K att [Cl 2 ] + γ rec!s 0 = 4V [Cl] - pompage Conservation de la masse : [Cl 2 ] + 2 [Cl] = [Cl 2 ] 0 Dissociation : D = 1 - [Cl 2 ] [Cl 2 ] 0 soit D = 1-1 8V (kdiss +k att )n e + 1 γ rec!s À pression constante n e P RF

32 Absorption Cl 2 : résultats 32 Taux de dissociation de Cl mtorr 30 mtorr 60 mtorr 100 mtorr Puissance source (W)

33 Produits de gravure chlorés 33 Absorption à 15 mtorr W source W polarisation

34 Modèle de Mayer et Barker 34 Vitesse de gravure du silicium par le chlore : Taux de couverture Énergie de seuil ½ ½ V g ΘJ i (E ion - E seuil ) Flux d ion Énergie des ions Proportionnelle à la tension de polarisation E ion V polarisation Proportionnel à la puissance source J i P source Proportionnel au rapport flux de neutres J n sur flux d ions J i Θ J n /J i

35 Concentration de SiCl selon la puissance source 35 Polarisation constante concentration de SiCl (10-11 cm -3 ) 2 15 mtorr 30 mtorr courant ionique (ma.cm -2 )

36 Concentration de SiCl 2 selon la puissance source 36 Polarisation constante concentration de SiCl 2 (10-12 cm -3 ) mtorr 30 mtorr courant ionique (ma.cm -2 ) Courant ionique

37 Concentration de SiCl selon la polarisation 37 Puissance source constante concentration de SiCl (10-11 cm -3 ) 2 15 mtorr 30 mtorr courant ionique*racine(tension Bias) (ma.cm -2 V 1/2 )

38 Concentration de SiCl 2 selon la polarisation 38 Puissance source constante concentration de SiCl 2 (10-12 cm -3 ) 5 30 mtorr 15 mtorr courant ionique*racine(tension Bias) (ma.cm -2 V 1/2 )

39 Produits de gravure : interprétation 39 À polarisation constante : E ion = constante ½ ½ V g ΘJ i (E ion - E seuil ) Faible puissance : la vitesse varie linéairement Forte puissance : Θ diminue, compensation des phénomènes À puissance source constante : J i = constante ; Θ = constante ½ ½ V g ΘJ i (E ion - E seuil ) Faible puissance : E ion < E seuil : pas de gravure Forte puissance : modèle de collision en cascade Donc SICl et SiCl 2 suivent le modèle de Mayer et Barker

40 AlCl : l intrus 40 Gravure du silicium par le chlore concentration de AlCl (10-10 cm -3 ) mtorr courant ionique (ma.cm -2 ) 15 mtorr concentration de AlCl (10-10 cm -3 ) puissance Bias (W) 30 mtorr 15 mtorr Concentration détectée : cm -3 générations de défauts D où vient l alumine? Des parois et du porte-substrat Auto-polarisation parasite du porte-substrat création d un plasma secondaire au niveau de l électrode

41 Ajout de CF 4 dans un plasma de Chlore mtorr ; 800W source ; 600W polarisation ; 5% de CF Transmission AlCl A-X SiCl B-X Longueur d'onde (nm)

42 Concentrations de SiCl et SiCl 2 en fonction de CF concentration de SiCl (10-11 cm -3 ) Pourcentage de CF 4 Diminution des concentrations des produits de gravure chlorés au profit des produits de gravure fluorés thermodynamiquement plus probables

43 Remise en état du réacteur (1/2) 43

44 Remise en état du réacteur (2/2) 44 Les dépôts sur les parois agissent sur la chimie et le courant ionique du plasma

45 Vitesse d'attaque (nm/min) Corrélation flux ionique et vitesse de gravure Mesures dans un réacteur de type Hélicon : mtorr HBr/Cl 2 /O W source 200 W polarisation Ajout d une quantité fixe d Ar DERIVE Flux ionique (ma.cm -2 ) L historique du réacteur joue un rôle primordial

46 Plan 46 I- Introduction II- Dérives : résultats LAM 9408 III- Résultat avec réacteur de recherche Electrotech IV- Conclusion sonde ionique absorption U.V. Perspectives

47 Conclusion : sonde de flux ionique 47 La mesure de flux ionique sur les parois Tolérante aux dépôts Fonctionne avec tous les plasmas (même électronégatifs) Technique simple et fiable installée sur un réacteur industriel Résultats : Corrélation entre le flux ionique et les caractéristiques électriques des transistors Mesure de flux ionique (caractérisation électrique du plasma)

48 Conclusion : absorption 48 L absorption U.V. large-bande : Mesure absolue des concentrations des neutres Fonctionne avec tous les plasmas Résultats : - Mesure de la dissociation de Cl 2 (vérification du modèle) - Concentration des produits de gravure SiCl et SiCl 2 - Détection d AlCl (source de défauts des transistors) lors de la gravure du silicium en chlore Générateur de défauts en milieu industriel Ajout de CF 4 - Disparition d AlCl - diminution des concentrations de SiCl et SiCl 2 - Retour à un réacteur propre (sans CF 4 ) progressif Importance des interactions plasma/surface

49 Perspectives 49 Les diagnostics permettent : - une meilleure compréhension des mécanismes réactionnels lors de la gravure - un contrôle des procédés en temps réel Passage du substrat 200 mm au 300 mm implique : - La fin du suivi à l aide de plaques de tests ou de mesure aléatoire (SPC) - Suivi de chaque plaque pour intervention instantanée - soit par intervention manuelle - soit par rétroaction des diagnostics sur la machine