Nano Device Technologies

Neuartige Untersuchungsmethoden zur In situ-Messung von Plasmaparametern und Prozessbedingungen

 

Forschung und Entwicklung

Viele Prozessschritte bei der Herstellung mikroelektronischer Schaltkreise sind Verfahren unter reduziertem Druck oder im Plasma, z.B. CVD, PVD und RIE. In den dafür verwendeten Plasmareaktoren laufen zum Teil sehr komplexe chemische Reaktionen ab, wobei die Prozessgase und die Materialien an der Oberfläche der prozessierten Wafer einbezogen sind. Die ablaufenden Reaktionen werden von Prozessparametern, Plasmabedingungen und dem momentanen Zustand der Prozesskammer stark beeinflusst, was schließlich auch eine Veränderung der erzielten Prozessergebnisse zur Folge hat. Zur Entwicklung und Untersuchung von Prozessen in der heutigen Mikroelektronikfertigung ist es schon lang nicht mehr ausreichend, ausschließlich die Resultate der durchgeführten Prozessschritte zu untersuchen. Vielmehr wird es zunehmend erforderlich, die während der Plasmaprozesse ablaufenden chemischen Reaktionen zu erfassen und zu verstehen.

Die Abteilung Nano Device Technologies des Fraunhofer ENAS hat die Aktivitäten im Bereich der In situ-Diagnose von Niederdruck- und Plasmaprozessen in den vergangenen Jahren deutlich verstärkt. In Abbildung 1 wird eine Modellätzkammer gezeigt, welche mit allen am Fraunhofer ENAS verfügbaren In situ-Analyseverfahren ausgestattet ist. Dabei kommen folgende Methoden zum Einsatz:

 

Langmuirsondenmessung (LP)

• Eine Metallspitze wird mittels eines Schrittmotors ortsaufgelöst in die Plasmakammer eingebracht
• Schrittweise Messungen von Strom-Spannungs-Kennlinien entlang des Radius einer zylindrischen Plasmaverteilung
• Berechnung der räumlichen Verteilung von Elektronendichte oder Elektronentemperatur

 

Optische Absorptionsspektroskopie (OAS)

• Mehrfaches Durchlaufen der Plasmaanordnung von einem wellenlängen-veränderlichen Laserstrahl unter Verwendung einer Mehrwegzelle, welche mit konkaven Spiegelelementen ausgestattet ist
• Exaktes quantitatives Bestimmen der Konzentrationen von Radikalen, Ionen und Molekülen im Plasma mit sehr geringer Nachweisgrenze

 

Optische Emissionsspektroskopie (OES)

• Messung der Wellenlänge und der Intensität des vom Plasma emittierten Lichtes
• Sehr schnelles Verfahren zur Untersuchung von Plamabedingungen während des gesamten Prozesses
• Ein typisches OES-Spektrum für einen Ätzprozess von porösem SiCOH im CF₄-Plasma ist in Abbildung 2 gezeigt

 

Quadrupol-Massenspektrometrie (QMS)

• Nachweis von Ionen und Molekülen im Reaktorrestgas anhand ihrer Massenzahl (siehe Abb. 3)
• Sehr praktikable und schnelle Methode zur Ermittlung der Zusammensetzung des Gasgemisches in der Prozesskammer
• Unter Verwendung einer Tracersubstanz, z.B. Argon, ist die exakte Bestimmung des Partialdruckes einzelner Spezies in der Reaktionskammer möglich (Aktinometrie)

Alle gemessenen Spektraldaten und Analyseergebnisse werden zentral gesammelt und ausgewertet (siehe Abb. 1). Die Zuordnung der in den Spektren erkennbaren Spezies erfolgt in der Regel auf der Basis kommerzieller Datenbanken. Momentan werden am Fraunhofer ENAS auch zunehmend numerische Verfahren zur Auswertung der gewonnenen Spektraldaten getestet. Solche Verfahren sind:

 

Statistische Methoden

• Hauptkomponentenanalyse
• Eine vom Fraunhofer ENAS modifizierte Kovarianzanalyse zur Identifikation verborgener Korrelationen zwischen verschiedenen Spektraldaten oder Spektraldaten und Prozessergebnissen

 

Virtuelle Messtechnik

• Mathematisches Vorhersagen von Prozessergebnissen auf der Basis transient erfasster Spektraldaten
• Verringerung des Einsatzes zeitaufwendiger, kostenintensiver und zum Teil zerstörender Analysen
• Die virtuelle Messtechnik ist ein Zwei-Schritt-Prozess, welcher aus einer Konstruktions- und einer Anwendungsphase besteht (siehe Abb. 4)