Содержание к диссертации
Введение
Анализ современных и перспективных проблем создания и диагностики гетерогенных твердотельных наносистем.
Особенности функционирования энергонезависимых микросхем памяти .
Методы и аппаратура измерения электрического потенциала и
электрофизических параметров микроэлектронных структур.
Электронно-зондовая и ИК- эмиссионная микроскопия .
Контактное микрозондовое тестирование.
Сканирующая зондовая микроскопия.
Сканирующая туннельная микроскопия.
Электростатическая силовая микроскопия.
Микроскопия сканирования емкости.
Сканирующие зондовые микроскопы.
Прецизионные сканирующие ионно - лучевые технологии .
Нанотехнологический комплекс на основе электронно-ионного сканирующего микроскопа.
Электронно-ионный сканирующий микроскоп Nova 600 NanoLab.
Создание кросс-секций.
Высокоселективное ионно-стимулированное осаждение и травление материалов с использованием газовой инжекционной системы .
Особенности использования газовой инжекционной системы.
Процесс осаждения платины (Pt).
Процесс осаждения диэлектрика (TEOS).
Процесс ускоренного травления материалов (ЕЕ).
Процесс селективного травления материалов в среде XeF2 (IEE).
Создание диагностических контактов на коммутационных токопроводящих шинах.
Создание мембран в локальных областях полупроводниковой структуры кристалла для «тонкого» структурного анализа методом сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии.
Технологическая подготовка интегральных микросхем для проведения исследований методами атомно-силовой микроскопии.
Декапсуляция кристаллов интегральных микросхем для анализа с верхней стороны кристалла.
Рентгеновская интроскопия корпусов интегральных микросхем.
Методика локального декапсулирования кристалла интегральной микросхемы.
Подготовка образцов для зондовых исследований с нижней стороны кристаллов
Механическая обработка.
Селективная химическая полировка.
Химическая чистка поверхности.
Методы атомно-зондового контроля электрофизических и морфологических свойств гетерогенных твердотельных систем (интегральные микросхемы).
Сканирующая зондовая микроскопия.
Контактная атомно-силовая микроскопия.
3.1.2. Колебательные методики атомно-силовой микроскопии. 62
3.1.3. «Полуконтактный» метод атомно-силовой микроскопии . 64
3.1.4. Микроскопия электростатических сил.
3.2. Взаимодействие зонда и образца при приложении напряжения. 68
3.3. Методики измерения электрического потенциала с помощью сканирующей зондовой микроскопии.
Глава 4. Экспериментальные исследования электрофизических и морфологических свойств гетерогенных твердотельных наносистем 80 (сверхбольшие интегральные схемы). 85
4.1. Аппаратно-программный комплекс на базе сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) для исследований электрофизических и морфологических свойств гетерогенных твердотельных паноразмерпых систем.
4.2. Экспериментальные исследования пространственного, временного разрешения и чувствительности при измерении электрического потенциала на поверхности гетерогенных твердотельных объектов .
4.2.1. Тестовые структуры. 85
4.2.2. Калибровка измерительной системы. 86
4.2.3. Оценка пространственного разрешения метода МЗК. 87
4.2.4. Оценка временного разрешения методов ЭСМ и МЗК. 87
4.2.5. Оценка чувствительности измерений электрического потенциала на поверхности гетерогенных объектов методов ЭСМ и МЗК.
4.3. Экспериментальные исследования пространственного распределения концентрации электрически активных примесей в полупроводниковых областях кристаллов.
4.4. Исследования логических состояний энергонезависимой памяти с помощью аппаратно- программного комплекса методами СЗМ.
4.4.1. Экспериментальные исследования логических состояний ячеек памяти интегральной микросхемы Picl2C508a.
4.4.2. Экспериментальные исследования логических состояний ячеек памяти 98 интегральной микросхемы Picl6F84a.
4.4.3. Оценка возможности использования разрушающих (обратная сторона кристалла) методов сверхлокального контроля функциональных 112 областей памяти.
Выводы. 114
Литература. 1
- Электронно-зондовая и ИК- эмиссионная микроскопия
- Высокоселективное ионно-стимулированное осаждение и травление материалов с использованием газовой инжекционной системы
- «Полуконтактный» метод атомно-силовой микроскопии
- Экспериментальные исследования пространственного, временного разрешения и чувствительности при измерении электрического потенциала на поверхности гетерогенных твердотельных объектов
Введение к работе
Актуальность темы
Современный этап развития физики конденсированных сред характеризуется устойчивым ускорением в проведении фундаментальных и прикладных исследований свойств гетерогенных твердотельных наносистем, наноматериалов и сложных объектов различного назначения, созданных на их основе.
Характерные размеры элементарных объектов и областей их взаимодействия присущие внутреннему строению наноразмерных систем находятся в диапазоне ~ 1-И00 нм, поэтому применение большинства хорошо известных физических методов исследований оказываются малопригодными. Последнее обстоятельство приводит к необходимости создания принципиально новых и адаптации существующих экспериментальных методов изучения физических явлений.
Среди разнообразных и многоплановых проблем создания и аналитической диагностики современных наноматериалов и наноустройств на основе кремния особое место занимают физико-химические аспекты изучения объектов современной микроэлектроники. К таковым относятся сверхбольшие интегральные схемы, являющиеся на сегодня основой большинства информационных систем. В связи с этим возрастают требования как к технологическому оборудованию и способам интегрально-группового производства сверхбольших интегральных схем с наноразмерными проектными нормами, так и к методам контроля изделий на стадии разработки, проведения испытаний на надежность, а в ряде случаев и на оценке степени обеспечения информационной безопасности. Это связано не только со сверхмалыми геометрическими параметрами базовых активных элементов, но и с конструктивной сложностью изделий наноэлектроники, представляющих собой многослойные наноразмерные гетерогенные твердотельные системы, использующие, как правило, низкие рабочие напряжения, высокие частоты функционирования при чрезвычайно высокой «чувствительности» к процессу измерений параметров.
Особое место в структуре сверхбольших интегральных микросхем занимают микросхемы памяти, реализованные по «металл-оксид-полупроводник» технологии и широко применяющиеся в системах телеметрического контроля объектов космического, воздушного, морского и наземного базирования как гражданского, так и специального назначения. В случае разрушающих воздействий внешней среды (механические нагрузки, ионизирующее излучение, высокие температуры, химически агрессивные среды) единственным носителем информации об особенностях функционирования в экстремальных усло-
виях всего комплекса исполнительных систем объекта служат микросхемы памяти. При этом нарушение внутрикристальных коммутационных связей между отдельными функциональными областями исключает непосредственное электрическое тестирование данных устройств существующими штатными средствами. Однако особенности физической реализации элементарных ячеек памяти позволяют с определенной вероятностью хранить записанную в них информацию в двоичном представлении. В связи с этим актуальной становится разработка технических средств, технологических процессов и соответствующих методов неразрушающей и разрушающей диагностики кристаллов микросхем памяти с целью анализа физического состояния ячеек памяти.
Исходя из ранее указанных особенностей объектов исследований, настоящая работа направлена на создание комплекса аппаратных средств и высокоразрешающих методов диагностики электрофизических и морфологических свойств интегральных микросхем, основанных на применении остросфокусированного (~ 7 нм) ионного зонда и сканирующей зондовой микроскопии. Ионно-зондовые методы обеспечивают наноразмерное, прецизионное избирательное (при использовании ионно-стимулированных химических реакций) препарирование гетерогенных твердотельных объектов, в то время как атомно-зондовые методы с большим пространственным разрешением дают возможность не только наблюдать объект, но и осуществлять бесконтактным неразрушающим способом количественный контроль электрофизических и электрических параметров сверхбольших интегральных микросхем.
Несмотря на то, что современные сканирующие зондовые микроскопы оснащены достаточно большим набором измерительных режимов, их практическое применение выявило ряд недостатков, ограничивающих возможности их эффективного использования для решения поставленной задачи. Большинство методик применяется только на «идеальных» со структурно-морфологической точки зрения образцах. Предоставляемая информация часто трудно интерпретируема из-за зависимости результатов сразу от нескольких свойств образца. Вследствие чего потребовалось создание тестовых образцов с известными физическими свойствами и проведение комплекса измерений, что позволило осуществить калибровку аппаратных средств и с высокой достоверностью интерпретировать результаты исследований.
В данной работе в качестве объектов исследований были выбраны современные серийные образцы интегральных микросхем широко применяемых в информационных системах.
Цель работы
Целью диссертационной работы являлась разработка физико-технологических основ комплекса аппаратных средств и высокоразрешающих методов диагностики электрофизических и морфологических свойств интегральных микросхем, изготовленных по субмикронным и наноразмерным проектным нормам, основанных на применении остросфо-кусированного (~ 7 нм) ионного зонда и сканирующей зондовой микроскопии.
В соответствии с указанной целью в работе решались следующие задачи:
1. Проведение комплексных исследований по разработке методов нано-
размерного ионно-зондового препарирования кристаллов кремниевых интегральных мик
росхем, основанных на сверхлокальных процессах:
ионного распыления материалов под действием остросфокусированного ионного пучка при высоких ускоряющих напряжениях;
избирательного травления и осаждения материалов с использованием активации остросфокусированным ионным пучком газовых реагентов, т.е. с помощью ионно-стимулированных химических реакций.
Разработка методов сверхлокального контроля распределения электрически активных примесей в субмикронных и наноразмерных полупроводниковых областях кристаллов интегральных микросхем, основанных на сочетании процессов локального ионно-зондового препарирования и атомно-зондовых измерений концентрации электрически активных примесей.
Разработка неразрушающих (верхняя сторона кристалла) и разрушающих (обратная сторона кристалла) методов сверхлокального контроля электрического потенциала функциональных областей (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства) кристаллов интегральных микросхем, основанных на проведении электрических измерений с помощью сканирующего зондового микроскопа в электростатической моде и в режиме зонда Кельвина.
Научная новизна
Предложен комплекс взаимно скоррелированных сверхлокальных физико-технологических методов и аппаратных средств, основанных на применении остросфокусированного (~ 7 нм) ионного и атомного силового зондов для решения задач препарирования и тестирования кристаллов сверхбольших интегральных микросхем с целью кон-
троля их морфологических, электрофизических и электрических параметров при проведении работ, связанных с обеспечением надежности, информационной безопасности, восстановления телеметрической информации «черных ящиков» в условиях перехода к элементной базе с субмикронными и наноразмерными проектными нормами, включая:
сверлокальное (разрешение не хуже 50 нм) ионно-лучевое и ионно-стимулированное химическое травление кремния, поликристаллического кремния, диоксида и нитрида кремния, нитридов тугоплавких металлов и металлических композиций;
сверлокальное (разрешение не хуже 50 нм) ионно-стимулированное химическое осаждение диэлектрических и металлических материалов на кремниевую подложку;
сверхлокальный (разрешение не хуже 10 нм) контроль распределения электрически активных примесей (в диапазоне 10 -НО см" ) в субмикронных и наноразмер-ных полупроводниковых областях кристаллов интегральных микросхем;
сверхлокальный (до 10 нм) контроль распределения электрического потенциала (чувствительность не хуже 100 мВ) на поверхности функциональных областей кристаллов интегральных микросхем, в том числе, при сохранении ее работоспособности.
Научная и практическая ценность
Предложена и реализована методика прецизионного локального препарирования сверхбольших интегральных микросхем с помощью остросфокусированного ионного пучка, включающая рекомендации по обеспечению сверхлокальности и избирательности травления отдельных материалов в составе многослойной композиции (до 9 слоев коммутации).
Предложен и реализован метод контроля распределения электрически активных примесей в субмикронных и наноразмерных структурообразующих полупроводниковых областях сверхбольших интегральных микросхем в диапазоне концентрации 10 -10 см" с пространственным разрешением не хуже 10 нм, основанный на нетрадиционной методике:
создания сверхлокального косого шлифа ионно-лучевым травлением кристалла под малым углом к поверхности;
применения атомно-зондового сканирования во вскрытой области по глубине в режиме емкостной моды.
3. Предложены и реализованы методики сверхлокального контроля электрического потенциала в функциональных областях (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства) кристаллов сверхбольших
интегральных микросхем с помощью сканирующего зондового микроскопа в электростатической моде или при использовании метода зонда Кельвина с пространственным разрешением до 10 нм и чувствительностью не хуже 100 мВ, в том числе:
через защитные изолирующие диэлектрические слои без препарирования и нарушения функционирования кристаллов (верхняя сторона);
через тонкий окисел, вскрытый локальным селективным травлением подложек кремния.
4. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-
исследовательских работ.
Основные положения, вынесенные на защиту
Предложена и реализована методика прецизионного препарирования гетерогенных твердотельных наноразмерных систем (сверхбольших интегральных микросхем) с помощью остросфокусированного ионного пучка и ионно-стимулированных химических реакций, обеспечивающих сверхлокальность, избирательность травления и осаждения отдельных материалов в составе многослойной композиции структурообразующих слоев.
Показано, что для контроля распределения электрически активных примесей в субмикронных и наноразмерных структурообразующих полупроводниковых областях сверхбольших интегральных микросхем эффективной является методика, основанная на сочетании процессов создания локального косого шлифа под малым углом к поверхности кристалла остросфокусированным ионным пучком и последующего атомно-зондового сканирования вскрытой вглубь кристалла области в режиме емкостной моды.
Экспериментально установлено, что для обеспечения локального контроля электрического потенциала в функциональных полупроводниковых областях (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства) кристаллов сверхбольших интегральных микросхем эффективна методика, основанная на проведении электрических измерений с помощью сканирующего зондового микроскопа в электростатической моде или при использовании метода зонда Кельвина.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и симпозиумах:
Ill Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», 14-19 сентября 2003 г., Кисловодск. Ставрополь: СевКавГТУ, Ежегодный научно- технический семинар «Вакуумная техника и технология», 1-3 июня 2004, Санкт-Петербург, IV Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», 19-24 сентября 2004 г., г. Кисловодск, IX международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники», Дивноморское, Россия, 12-17 сентября 2004 г., IX международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники», Дивно-морское, Россия, 12-17 сентября 2004.
Публикации
Основные результаты работы опубликованы в 9 печатных работах: 4 статьях и 5 тезисах докладовна международных и всероссийских конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 76 наименований. Основная часть работы изложена на 121 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 85 рисунков и 7 таблиц.
Электронно-зондовая и ИК- эмиссионная микроскопия
Сканирующая зондовая микроскопия используется в настоящее время для анализа разнообразных параметров поверхности твердого тела: микрорельеф поверхности с беспрецедентным трехмерным разрешением, проводимость поверхности, распределение статического заряда, локализованное трение, эластические модули, твердость поверхности и т.д.
Кратко рассмотрим основные методы сканирующей зондовой микроскопии и возможность их применения для анализа внутренней структуры интегральной микросхемы. Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) позволяет определить распределение по поверхности исследуемого металлического или полупроводникового слоя постоянной туннельной вероятности, определяемой совокупностью рельефа поверхности и ее электронной структуры. СТМ может быть использована для анализа микрорельефа однородных полупроводниковых и металлических слоев.
В методе электростатической силовой микроскопии кантилевер перемещается над поверхностью, не касаясь ее. При этом между образцом и кантилевером подается определенное электрическое напряжение. Кантилевер отклоняется при прохождении над статическими зарядами и величина отклонения пропорциональна плотности заряда. Это позволяет создать графическое изображение локально заряженных областей на поверхности образца.
ЭСМ используется для изучения распределения плотности носителей поверхностного заряда. Например, при помощи ЭСМ можно получить графическое изображение электростатических полей электронной цепи. Это метод известен как «зондирование напряжения» и представляет собой ценное средство для тестирования ИМС под напряжением в масштабе менее микрона.
В режиме микроскопии сканирования емкости кантилевер работает в неконтактном режиме с постоянной высотой. Между ним и образцом также подается определенное электрическое напряжение. Специальная схема регистрирует емкость между кантилеве-ром и образцом.
Поскольку величина емкости зависит от диэлектрической проницаемости среды между иглой1 кантилевера и образцом, исследования в этом режиме позволяют создать графическое изображение распределения толщины диэлектрика на полупроводниковой подложке. Данный метод может также использоваться для визуального отображения распределения носителей заряда под поверхностью, например, для графического отображения распределения легирующей примеси в полупроводниках с ионной имплантацией.
Сравнительные характеристики сканирующих зондовых микроскопов. Фирма Тип Разрешение Применение KLA Tencor (США) Атомно- силовой профило-метр Nanopics 2100 Атомарное Геометрические параметры поверхности, ширина линии и глубина канавки, шероховатость, зерно в пленках и.т.д. Veeco (США) Измерительный атомно-силовой микроскоп Dektak SXM Точность из-мерения 1 нм Измерение линейных размеров элемента в области -0,25 мкм и менее NT-MDT (Россия) Сканирующий микроскоп Solver -LS/M-300 Атомарное Многомодовый анализ поверхности образца. Режимы туннельной микроскопии, туннельной спектроскопии, сканирующей атомно- силовой микроскопии (контактный и неконтактный режим), магнитной, электростатической силовой микроскопии, микроскопии сканирования емкости, туннельная и атомно-силовая литография Глава 2. Прецизионные сканирующие понно - лучевые технологии. Введение.
Одной из актуальных задач исследований и диагностики современных гетерогенных твердотельных наносистем (микро- и наноразмерной электронной компонентной базы информационных систем) является анализ их электрофизических и морфологических свойств. Наиболее перспективной технологией подготовки образцов для решения такого рода задач является технология сфокусированных ионных пучков, обеспечивающая нано-размерную ионно-лучевую обработку материала. Развитие конструктивно-технологических особенностей сверхбольших интегральных микросхем в настоящее время характеризуется следующими основными тенденциями: - переходом от микро к наноразмерам, стимулированным интенсивным развитием быстродействующих информационных систем микроэлектроники; - расширением рынка изделий микросхемотехники и ростом конкуренции в области коммерческого применения процессоров и памяти; - активным использованием не только площади поверхности кристалла, но и третьего измерения (многослойные композиции, трёхмерные интегральные микросхемы); - переходом от традиционных методов изоляции к полностью диэлектрической в виде структур «кремний на изоляторе», стимулированным потребностью в высоконадёжных быстродействующих схемах.
Данные тенденции определяют необходимость развития гибких методов препарирования интегральных микросхем при решении задач создания электронной компонентной базы, анализа отказов, прогнозирования надёжности и реинжиниринга.
В данной главе рассмотрены возможные решения применения современной ион-но-лучевой технологии для решения задач не только сверхлокального наноразмерного, но и избирательного селективного препарирования кристаллов с переходом к ранее невозможным операциям послойной локальной реконструкции (ремонта и модификации) сложных гетерогенных объектов.
Внедрение в современную технологию гибких селективных методов микро - и наноразмерной обработки интегральных микросхем открывает новые возможности в отношении достижения конечного результата с точки зрения обеспечения требуемых точностных параметров, воспроизводимости результатов, оперативности реализации поставленных задач при минимизации временных и экономических затрат.
Характеризуя выбранную технологию, следует выделить следующие особенности ионного пучка как средства воздействия на вещество: - возможность фокусировки ионного пучка і в зонд с наноразмерными геометрическими" параметрами; что наряду с малой длиной пробега ионов; в твёрдом теле предопределяет возможность получения высокого пространственного разрешения; - малый угол сходимости пучка обеспечивает большую глубину резкости, что в сочетаниис высоким разрешением, позволяет получить высокое качество изображения; - эффективное взаимодействие ионного пучка с веществом; находящимся не только в твёрдом, но и в газообразном состоянии, благодаря чему могут быть реализованы стимулированные процессы травления и осаждения; - возможность гибкого управления ионным зондом в пространстве и во времени, что определяет малые времена адаптации ионно-лучевого технологического комплекса для решения задач наноразмерной обработки по заданной геометрии; - малый ток ионного пучка, на три порядка меньший, чем типичный ток пучка электронов, позволяет избежать негативных последствий, связанных с изменениями, происходящими в образце под действием пучка и уменьшить влияние зарядки поверхности не проводящих образцов; - большая масса ионов по сравнению с электронами существенно уменьшает влияние дифракции и увеличивает сечение рассеяния на атомах исследуемого материала, благодаря чему увеличивается контраст по атомному номеру, как в режиме регистрации вторичных электронов, так и при регистрации обратно-рассеянных ионов; - возникновение при взаимодействии ионного пучка с веществом вторичных электронов и ионов, что определяет возможность наблюдения результата процесса обработки с высоким пространственным разрешением непосредственно в технологической камере в микроскопическом режиме с представлением информации в цифровой форме.
Указанные особенности наноразмерных ионных пучков, открывают новые возможности в достижении конечного результата по отношению к широкой гамме, материалов электронной техники с обеспечением требуемых точностных параметров обработки и препарирования объектов мнкро - и нанотехники.
В настоящее время существует большой выбор не только устройств, реализующих метод фокусированного ионного пучка, но и комплексов, совмещающих фокусированный ионный пучок со сканирующей и/или просвечивающей электронной микроскопией, предоставляющих широкий диапазон лабораторных и промышленных решений. Они предназначены для проведения тестирования, измерения характеристик, определения пригодности приборов, восстановления работоспособности схем, а так же их редактирования или модификации и т.д.
Высокоселективное ионно-стимулированное осаждение и травление материалов с использованием газовой инжекционной системы
Хеїїг может быть использован для повышения качества изображений поперечных сечений. Срезаемая фокусированным ионным пучком поверхность обладает высокой степенью гладкости, что необходимо для получения качественного изображения. В данном случае изображение формируется за счёт вещественного контраста, т. е. различия материалов по эмиссионным свойствам. Резким контуром вьщеляются границы фаз, имеющие отличающиеся свойства. Но иногда вещественного контраста недостаточно для адекватного восприятия изображения. Жесткие ионно-лучевые режимы препарирования в ряде случаев не позволяют выявить различия в отдельных областях срезов сложных гетерогенных объектов, какими являются интегральные микросхемы. В таких ситуациях требуется так называемое декорирование - использование газовой химии для улучшения контраста, выявления скрытых слоев, "проявления" деталей отдельных объектов.
На рис. 2.13 приведены два изображения одного и того же участка интегральной микросхемы. Исходное полученное изображение (рис. 2.13, а)) недостаточно информативно, часть деталей не видна из-за низкого вещественного контраста. Обработка XeF2 позволила выявить невидимые прежде слои, проявившиеся благодаря избирательной реакции XeF2 с материалами интегральной схемы (рис. 2.13, б)). Обработка проводилась при токе 38 пА в течение 20 секунд.
В технологии анализа отказов элементной базы широко применяется метод внутрисхемной диагностики логических состояний структурных блоков сверхбольших интегральных микросхем при выполнении ими операций, обусловленных особенностями внутренней программы. Данный метод базируется на использовании модифицированного сканирующего электронного микроскопа в режиме потенциального контраста, позволяющего представлять разные логические уровни в виде светлых и темных участков получаемого изображения поверхности кристалла. Темные участки на токопроводящих шинах соответствуют высокому потенциалу, а светлые - низкому.
К преимуществам электронно-лучевого зонда относятся: - отсутствие нагрузки на исследуемый узел. Рациональным выбором ускоряющего напряжения (от 1,5 до 3 кВ) можно добиться зарядового баланса между первичными и вторичными электронами; - низкая энергия первичных электронов не вызывает радиационных повреждений; - параллельное отображение электрических сигналов в различных точках при быстром сканировании областей кристалла.
Последовательность действий по изготовлению диагностических контактов на токопроводящих адресных шинах программной памяти типа EPROM однокристального микроконтроллера. Однако, для получения качественных результатов необходим непосредственный контакт электронно-лучевого зонда с поверхностью токопроводящеи коммутационной шиной. Учитывая обязательное наличие защитного слоя пассивации становится актуальным создание токопроводящих диагностических контактов. Решение данной проблемы возможно с помощью выполнения последовательности технологических операций на установке Nova 600 NanoLab. На рис. 2.14 представлена последовательность действий по изготовлению диагностических контактов на токопроводящих адресных шинах программной энергонезависимой памяти однокристального микроконтроллера типа Picl2C508a. а) вскрытие контактного окна в режиме IEE (ХеРг); б) осаждение в контактное окно платины (Pt); в) изображение диагностического контакта; г) кросс-секция диагностического контакта.
Использование режима IEE (ХеРг) при изготовлении контактного окна к токопро-водящей шине в сравнении с ионным фрезерованием позволяет избежать разрушения диффузионно-барьерного слоя. Геометрические размеры окна составляют в плане 0,6 х 0,6 мкм при глубине 2 мкм. При выполнении операции осаждения платины область сканирования выбирается чуть меньше размеров окна. При этом происходит более равномерное заполнение окна платиной. На рис. 2.14., г) отчетливо видно высокое качество созданного диагностического контакта. На последнем этапе в режиме ЕЕ (Ь) осуществляется селективное травление тонкой осажденной пленки платины в перекрывающихся областях между соседними контактами.
В процессе контроля функционирования СБИС ОМК на электронно-лучевом тестере были получены положительные результаты. На рис. 2.15 в режиме потенциального контраста воспроизведены логические состояния на шине данных программной памяти в моменты времени tl и t2. Светлым диагностическим контактам соответствует логический 0, а темным логическая 1.
Создание мембран в локальных областях полупроводниковой структуры кристалла для «тонкого» структурного анализа методом сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии. Контроль химического состава структурообразующих слоев кристаллов является крайне важной и неотъемлемой частью вещественного анализа современных интегральных микросхем.
Система энергодисперсионного рентгеновского структурного микроанализа материалов GENESIS 6000І позволяет провести качественный и точный анализ химического состава компонентов поперечного среза кристалла интегральной микросхемы, что делает возможным не только изучить всю многослойную структуру интегральной микросхемы в целом, слои пассивации, переходные контакты межслойных соединений, но и провести локальный анализ с участков образца. Использование тонких срезов, которые называются мембранами, значительно упрощает количественный анализ исследуемых материалов структурообразующих слоев кристаллов, т.к. при прохождении через образец электроны теряют лишь малую часть своей энергии.
Для подготовки таких тонких поперечных срезов кристаллов СБИС (мембран) можно использовать комплекс Nova 600 NanoLab.
На стадии травления комплекс Nova 600 NanoLab делает кросс-секции с обеих сторон образца, используя параметры, определенные исследователем в программе AutoTEM Wizard. Система продолжает процедуру травления краев этих двух кросс-секций до тех пор, пока область между ними не станет мембраной, пригодной для использования в сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии. Система распознавания изображения использует координатные метки для выравнивания образца после перемещений рабочего столика и изменений апертуры тока луча, а также, чтобы контролировать образец и корректировать его с учетом различных отклонений от заданных параметров во время процедуры травления.
Корректная подготовка исходных данных для программы AutoTEM Wizard позволяет получать мембраны толщиной 200-100 нм в автоматизированном режиме травления. Если же есть необходимость сделать образец более тонким, то процедуру травления необходимо продолжать только под ручным управлением.
«Полуконтактный» метод атомно-силовой микроскопии
Представим себе металлическую поверхность, на которой есть некое пятно адсорбата (рис. 3,4). Пусть работа выхода адсорбата равна (р&, а работа выхода рассматриваемого металла - рв- Области с отличной от окружающей поверхности работой выхода сопровождаются "компенсирующим" электрическим полем. Оно выходит из пятна адсорбата, которое можно представить в виде дипольного пласта, создающего подобную конфигурацию силовых линий. При этом на образце индуцируется поверхностный заряд. Силы, возникающие между заряженным зондом и дипольным пластом на образце, известны как локальные электростатические силы.
Вычислить локальные электростатические силы довольно сложно, во-первых, из-за нетривиальной природы электрического поля, связанного с дипольным пластом, а во-вторых, из-за того, что распределение зарядов изображения, наведенных на соседних телах, сильно зависит от геометрии этих тел. На больших расстояниях сила может быть как отталкивающей, так и притягивающей, однако с уменьшением расстояния всегда становится притягивающей (рис. 3.3).
Проведем оценку для адсорбционного пятна (дипольного диска) круглой формы с радиусом р. Нормальная компонента электрического поля Ez вдоль центральной оси z дипольного диска радиуса р с удельным дипольным моментом d равна [29]: Е =± тгт-рг2 (злз) VP +г (Р +г ) В пределе, при бесконечно большом диске либо при бесконечном расстоянии от пятна, Ег— 0. Величина электрического поля максимальна при р z. Предположим, что на кончике зонда находится дополнительный электрон. Тогда сила, которая действует на этот электрон, находящийся на расстоянии 10 нм от образца, со стороны пятна на поверхности диаметром 10 нм с удельным дипольным моментом d = 4,8-10"3 ед. СГС = 1,6-10 8 Кл/м, равна F: = qEz = ±5 нН , а сила изображения равна - 2нН. Когда зонд заглубляется в образец, силы изображения растут, а локальные электростатические силы уменьшаются. Также будут возникать заряды-изображения на зонде, связанные с полем пятна, которые будут к нему притягиваться.
3.3. Методики измерения электрического потенциала с помощью сканирующей зондовой микроскопии.
Метод атомно-силовой микроскопии (АСМ), подобно механическому профиломет-ру, основан на использовании механического зонда для получения изображения поверхности. Главной частью микроскопа является сенсор с высоким пространственным разрешением. Принцип действия силового сенсора основан на использовании сил Ван-дер-Ваальса, действующих между двумя атомами, находящихся на расстоянии R друг от друга. Энергию Ван-дер-Ваальсова взаимодействия аппроксимируют степенной функцией -потенциалом Леннарда- Джонса:
Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее притяжение, обусловленное, в основном, диполь-дипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Качественно зависимость F(R) показана на рис. 3.5.
Зависимость силы взаимодействия между атомами от расстояния. Если кантилевер с жесткостью к приближать к поверхности и регистрировать силу взаимодействия посредством измерения угла а отклонения балки, то первоначально будут регистрироваться электростатические и магнитные силы. Как только возникнет контакт между подвижными адсорбционными слоями, вследствие капиллярного взаимодействия, кантилевер притянется к поверхности и угол отклонения балки скачком уменьшится (рис. 3.6). Затем зонд упрется в поверхность и уменьшение Z будет сопровождаться про порциональным увеличением угла отклонения балки Да« (AZ«L), где L - длина бал ки кантилевера, a AZ - стрела прогиба при деформации образца. При отводе зонда от образца может наблюдаться гистерезис, обусловленный «залипанием». Природа этого «залипання» чаще всего обусловлена капиллярным эффектом, проявляющимся при наличии подвижных адсорбционных слоев на зонде и исследуемой поверхности и взаимной смачиваемости этих слоев. В некоторых случаях возможно химическое взаимодействие между зондом и образцом, что приводит к наблюдению гистерезиса. Различие между этими эффектами состоит в том, что первый - полностью обратим и повторяем, а второй приводит к необратимому изменению геометрии зонда.
В случае, когда на кантилевер подается переменное напряжение, зависимость амплитуды колебания зонда от расстояния зонд-образец будет иметь вид, приведенный на рис. 3.7. На наклонном участке зависимости амплитуда колебания кантилевера А увеличивается пропорционально изменению расстояния Z, что обусловлено контактным взаимодействием зонд-поверхность. При увеличении Z (Z Zi) зонд попадает в область бесконтактных взаимодействий (электростатических и магнитных сил).
Зависимость амплитуды колебания кантилевера от расстояния зонд В электросиловой микроскопии (ЭСМ) для получения информации о свойствах поверхности обычно используется электрическое взаимодействие между зондом и образцом. Рассмотрим систему, состоящую из зондового датчика, у которого зонд имеем проводящее покрытие, и образца, представляющего собой тонкий слой материала на хорошо проводящей подложке [26] (рис. 3.8).
Пусть между зондом и образцом подано постоянное напряжение Uo и переменное напряжение U „ = / х s m(cot) На поверхности полупроводниковых или диэлектрических слоев может содержаться поверхностный заряд, который создает неоднородное распреде ление потенциала ср(х, у). Разность потенциалов между зондом и поверхностью образца можно представить в виде:
Экспериментальные исследования пространственного, временного разрешения и чувствительности при измерении электрического потенциала на поверхности гетерогенных твердотельных объектов
Результаты измерения уровня логического напряжения на кристалле Picl2C508a показали возможность применения СЗМ методик для контроля величины встроенного заряда, находящегося в плавающем затворе ячейки памяти. Разница потенциалов между логическими состояниями FF (точка 1) и 00 (точка 2) составила 2,2 В. Результаты измерения логического состояния ячеек памяти, прежде всего, зависят от конструктивных особенностей кристалла, таких как, топологическая норма, организация памяти и многослой-ность структурыЭнергетические диаграммы системы подложка - диэлектрик - плавающий затвор -диэлектрик - внешний затвор - диэлектрик - разрядная шина при различных операциях представлены на рис. 4.21.
СЗМ изображение фрагмента поверхности кристалла Picl6F84a с указанием расположения транзистора хранения (VT1), транзистора выборки (VT2), адресной шины и разрядной шины. Измерения наведенного электрического потенциала Picl6F84a с сохранением работоспособности кристалла осуществлялось на поверхности защитно-изолирующего покрытия при 3-х схемах подключения ИМС:
1. при подключении интегральной микросхемы к программатору и постоянном обращении к памяти кристалла;
2. при подключении интегральной микросхемы к источнику питания +5 В, предварительно записав информацию в кристалл с помощью программатора;
3. при отключенном питании интегральной микросхемы, предварительно записав информацию в кристалл с помощью программатора и заземлив выводы.
Рассмотрим результаты исследования логического состояния ячеек памяти микросхемы Picl6F84a при 1-ой схеме подключения, когда к области памяти кристалла идет постоянное обращение (на адресную шину подается отпирающее напряжение) и транзистор VT1 подключается к разрядной шине. Данной схеме подключения кристалла соответствует зонная диаграмма, представленная на рис. 4.21., а).
В результате того, что частота тактовых импульсов программатора не совпадает с частотой развертки СЗМ кадра, на изображении потенциального контраста наблюдаются продольные помехи. На рис. 4.24 приведены СЗМ изображения фрагмента поверхности кристалла при записи «FF», «00», «55» и соответствующие им диаграммы распределения электрического потенциала вдоль выделенных линий. sane
Из рис. 4.24., в) и рис. 4.24., г) следует, что разница потенциалов между уровнями FF и 00 составляет 2 В. На диаграмме рис. 4.24., е) разница потенциалов между аналогичными уровнями составила 1 В. Это можно объяснить близостью расположения плавающих затворов транзисторов хранения информации и наложением контрастов, обусловленных различными зарядовыми состояниями в соседних ячейках памяти.
Ниже приведены результаты исследования логического состояния ячеек памяти микроконтроллера при использовании 2-ой схемы подключения кристалла. Данная схема подключения предполагает, что в памяти микроконтроллера содержится информация, выводы питания подключены к источнику постоянного напряжения, а остальные выводы не-заземлены. Такой схеме подключения соответствует зонная диаграмма, представленная на рис. 4.21., б).
При измерении электрического потенциала на периферии поля памяти и на функциональных областях, находящихся под потенциалом, могут наблюдаться помехи, связанные с нахождением выводов микроконтроллера, кроме питания и земли, в неподключенном состоянии (рис. 4.25., в). Если питание отключить, то помехи исчезают (рис. 4.25., б).
При данных условиях подключения кристалла разница потенциалов Д между логическими «О» и «1» находится в диапазоне 0,3-1,8 В. Аналогичные результаты исследования логического состояния ячеек памяти микроконтроллера Picl6F84a после записи в память микросхемы информации 55, но без подачи питания представлены на рис. 4.28.
При отключенном источнике питания разница потенциалов Д между логическими «О» и «1» находится в диапазоне -0,45-0,90 В. Таким образом, без подачи питания диапазон изменения разницы потенциалов между состояниями «0» и «1» значительно сужается (в 2 раза) по сравнению с измерениями, проведенными на микросхеме при подачи питания +5 В, при этом нижняя граница разницы потенциалов Д выше на 0,15 В, что существенно важно при идентификации логических состояний интегральных микросхем.
Далее приведены результаты исследования логического состояния ячеек памяти микроконтроллера при использовании 3-ей схемы подключения кристалла, при которой выводы кристалла подключены к программатору и происходит однократная запись информации в память микроконтроллера. Данной схеме подключения соответствует зонная диаграмма, представленная на рис. 4.21., б). На рис. 4.30 и 4.31 приведены изображения топологии и потенциального контраста поверхности кристалла Picl6F84a после записи 3FFF и 0000. Максимальный контраст поверхностного электрического потенциала после записи 3FFF проявляется в области между двумя плавающими затворами транзисторов хранения информации (строка ii рис. 4.31., а), при этом он наблюдается в строках і и ш, но выражен слабо из-за близости транзисторов выборки. После записи 0000 (рис. 4.31., б) уровень контраста, в отмеченных ранее строках, стал слабее на 0,3-0,4 В, что наблюдается на диаграммах распределения электрического потенциала рис. 4.31., в), г).
Похожие диссертации на Исследование электрофизических и морфологических свойств и поверхностных явлений в гетерогенных твердотельных наноразмерных системах
