Введение к работе
Актуальность тепы, В последнее время вей большее значение для развития элементной базы микроэлектроники приобретает разработка методов неразрушающея диагностики и контроля на всех этапах технологической цепочки: коь.^оль исходных материалов, полуфабрикатов і; ттог.ых изделий, а также анализ отказов, возникающих з процессе эксплуатации. Незаменимую роль в данной области играют различные микрозонцовые методы, позволяющие визуализировать заутреннее строение исследуемого объекта. Их можно разделить по типам зондирования на активные и пассивные: при пассивном зондировании регистрируется картина некоторых физических полей, уже существующих в объекте и нэ нарушаемых присутствием зонда, а при активном - зонд сам йыЗывает в объекте некоторые процессы, кстерме несут необходимую информацию. В настоящее время получили наибольшее распространение следующие классы микрозондових методов:
а) мч. і'однкн, в основном, пассивного типа, использующие в качестве
зондов механические острия (например, тунельная или ёмкостная мик
роскопии),
б) пассивное ультразвуковое зондирование,
в) различные способы активного и пассивного оптического или лазерного
зондирования,
г) активные электронно-зондозые методы, большинство из-'которых
реализовано з приборах типа растрового электронного'! микроскопа
(РЭМ). В настоящее' время, однако, сложилась ситуация, при которой
аппаратные возможности многих из этих, методов, т.е. возможности
получения информации о внугрен.зй структуре объектов, значительно
отстали от еозможностой адекватной интерпретации этой информации. В
основном это езязано с тем, что, во-первых, для мрогих методов, ci.o-
собных давать ценную информацию о подповерхностном строении, в настоящее время не построено более или менее точных моделей формирования сигналов, а во-вторых, при регистрации используемых сигналов информация о внутренней структуро усредняется по некоторому пространственному многообразию внутри исследуемого объекта, определяемому характерными размерами области взаимодействия зонда с объектом. В результате этого достаточно точно интерпретируются только макроке-олнородности строения исследуемого объекта, те' такие, характерные размеры которых много больше размеров области взаимодействия. Информация же о мнкронооднородностях. т е. таких, размер которых много меньше области взаимодействия, поступает в весьма опосредованном вид««, что крайне затрудняет их интерпретацию Кроме того, при получении двумерных изображение исследуемой структуры часто практически полностью усредняется информация о трехмерном (пространственном) строении, что приводит к невозможности "глубинной" интерпретации даже макронеоднородностей Для большинства зондовых методов это не приносит существенных неудобств в силу достаточности изучения толь-к. макроструктур, либо наличия большого количества априорной информации об изучаемых объектах. В области же элоктронно-зондовых исследования такая ситуация начинает уже существенно тормозить развитие их возможностей в связи со веб большей необходимостью изучения микроструктурных элементов. Поэтому возникает проблема разработки точных количественных методов диагностики. Згл>г облома требует гораздо более строгого подхода и включает в себя неколько взаимосвязанных задач, решение каждой из которых определяюше влияет на общий результат, а именно': '
а) ^а-;рабоіку количественных моделей взаимодействия электронного зонда с образцом и вызываемых вследствие этого последующих процес
сов в присутствии макро- и микронеоднородностей;
б) точную постановку эксперимента, определяемую выводами из теории;
в) строго фиксируемый набор экспериментальных данных с нопосридэт
венной оцифровкой и запоминанием в памяти ЭВМ;
г) построение томографических алгоритмов адекватного восстановления
внутреннего строения объекта по имеющемуся набору данных
Необходимо пояснить/ что на современном этапе под томоірафіки', подразумевается вообще некоторая совокупность методов, позволяющих получать с той или иной степенью адекватности трехмерную информа цию о внутреннем строении исследуемого объекта в послойном виде. При. этом можно выделить два больших класса: аппаратурную и компьютер ную томографию. В аппаратурной томографии упомянутая информация получается либо с помощью чисто приборных "ухищрений" (например рентгеновская проекционная томография при относительном смещении источника и детектора, интроскопия слоистых сред в конусных пучках конфокальная микроскопия, ультразвуковое /3 -сканирование и др.), либо также с помощью некоторой дополнительной компьют ной ибработки данных (подавление шумов, низкочастотная фильтрация, стандартная математическая обработка изображений и их Фурье-образон к др.). И компьютерной же томографии вычислительная обработка данных играем определяющую роль: т.е. либо существенно, принципиально повышав; адекватность информации, пространственное или ллотностное разреши ние (пример: реконструкция в "фокальной плоскости" в традиционной томографии, микротомография в конусных пучках), либо вообще получение интересующей информации без вычислительных операций оказывает ся попросту невозможным (пример: медицинская и промышленная ком пьютерная томография).
Основной целью данной работы является разработка н апробация
— О —
оригинальных методов электронно-оондовой томографической (аппаратурной и компьютерной) визуализации микронеоднородностел, предназначенных для целей диагностики, контроля и исследования структурных и электрофизических свойств широкого класса полупроводниковых объектов, получаемых на различных этапах их производства.
Научная новизна данной работы состоит в физическом обосновании и реализации новых томографических методов исследования и диагностики локальных физических характеристик полупроводниковых структур, а именно:
-
Построена уточнённая модель формирования слабоконтрастного сигнала наведённого тока (НТ) в РЭМ.
-
Впервые создан алгоритм реконструкции трехмерного пространственного распределения рекомбинационных параметров в исследуемом объекте по набору НТ-изображений, получаемых при различных энергиях электронов зонда.
-
На основе уточнённой модели НТ и разработанного алгоритма практически реализован новый метод трёхмерной диагностики: электрон-но-зондовая микротомография в НТ и продемонстрирована его работоспособность для исследования дефектов в образцах полупроводниковых материалов.
. 4) Разработан новый способ расчёта сигнала обратно отражённых электронов (ООЭ) для слабоотражающих объектов, основанный на решении кинетического уравнения Больцмана.
-
Обоснована и продемонстріїрована возможность визуализации многослойных структур, например, интегральных микросхем с помощью специальной пространственно-энергетической фильтрации потока ООЭ.
-
На основе учёта влияния микронеоднородностеп построена новая модель формирования сигнала в растровом электронно—термоакустичес-
ком микроскопе (РЭТАМ), показана принципиальная возможность применимости алгоритма реконструкции коэффициента неоднородности и в случае регистрации электронно-термоакустического (ЭТА) отклика (в этом случае восстанавливается коэффициент неоднородности температуропроводности), исследованы ограничения такой применимости, а также преимущества использования ЭТА сигнала по сравнению со случаем НТ.
Практическая ценность работы заключается в дальнейшем развитии возможностей электронно—зондовых методов при диагностике,, контроле и физических исследованиях полупроподниковых объектов за сч(?т корректной "расшифровки" некоторых типоз РЭМ-изображении при помощи специальных методов формирования таких изображений, а также их эффективной аппаратурной и компьютерной обработке. Предложенные методы могут сыграть большую роль в неразрушающей диагностике объектов полупроводниковой микроэлектроники, а также в исследованиях локальных электрофизических свойств приповерностних слоев твёрдотельных структур.
Основные защищаемые положения:
-
Метод реконструкции трехмерного распределения рекомбинаци-онных параметров в слабонеоднородном полупроводниковом объекте.
-
Теория формирования сигнала ООЭ в слабоотражающем объекте, особенности и закономерности этого сигнала при пространственной и энергетической фильтрации. .
-
Метод аппаратурной послойной визуализации структуры интегральных микросхем при помощи вариации энергии электронного зонда и энергетической спекроєкопии потока ООЭ.
-
Теория формирования контраста микронеоднородностей в РЭТАМ. Обоснование применимости алгоритма реконструкции для ЭТА
сигнала, ограничения и преимущества испольэовани ЭТА сигнала по «равнению с сигналом ІІТ для диагностики полупроводниковых объектов. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твёрдых тел -"РЭМ-К4''.. (г. Звенигород, 1984 г.), на Всесоюзноя конференции "Физические методы исследования поверхности и диагностика материалов и элементов вычислительной техники." (г. Кишинйв, 1986 г.), на Всесоюзном гоминаре "Моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах." (г. Ярославль, 1988 г.), на международной КОНфРССО "Defect recognition and image processing for research and development of M-mii-omiuotors." (Япония, г. Токио, 1989 г.), на Научно-практической конференции "Разработка систем технического зрения." (г. Ижевск, 1987 г.), на iv Всесоюзной конференции по вычислительной томофафии (г. Ташкент, :wa і ), на vi Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микро-."кочии и аналитическим методам исследования твердых тел - "РЭМ-89" іг Звенигород, 1989 г.), на XIV Всесоюзной конференции по гчектроннон
МИКрОСКОПИИ (Г. Суздаль, 1990 г.).
Пубмкашіі Основные материалы диссертации опубликованы в p.ioorax [і - 12).
Структура и объем работы, Диссертация состоит из введения н чепфр-х глав, содержит 127 страниц, в том числе 29 рисунков. Список цитированной литературы составляет 138 работ.
