Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 8
1.1. Перспективы развития микроэлектронных устройств 8
1.2. Физические принципы уменьшения диэлектрической постоянной 8
1.3. Классификация low-k материалов 11
1.4. Методы производства low-k материалов 13
1.5. Методы диагностики low-k материалов 17
1.6. Свойства low-k материалов 24
1.7. Модификация low-k материалов в технологических процессах 29
CLASS Глава 2. Материалы и методы исследования 3 CLASS 5
2.1. Исследуемые low-k материалы 35
2.2. Экспериментальные установки 37
2.2.1. Установка для обработки low-k пленок атомами кислорода и водорода 37
2.2.2. Установка для гелиевой предобработки low-k пленок 38
2.3. Методы объемной и поверхностной диагностики low-k пленок 40
2.4. Система актинометрической диагностики 42
2.5. Метод измерения вероятности гибели атомов О и Н на поверхности low-k пленок 50
2.6. Система зондовой диагностики 52
Глава 3. Механизм модификации SiOCH low-k пленки атомами кислорода 56
3.1. Введение 56
3.2. Результаты эксперимента 57
3.3. Монте-Карло модель проникновения атомов кислорода в нанопористую SiOCH пленку. Удаление метильных групп атомами О 63
3.4. Выводы 74
Глава 4. Влияние гелиевой предобработки на взаимодействие low-k материалов с атомами кислорода и водорода 77
4.1. Введение 77
4.2. Влияние предобработки на взаимодействие low-k пленок с атомами кислорода и водорода 78
4.3. Измерение вероятности гибели атомов кислорода и водорода на low-k пленках 85
4.4. Механизм запечатывания пор 88
4.5. Выводы 90
Заключение 92
Литература 95
- Физические принципы уменьшения диэлектрической постоянной
- Свойства low-k материалов
- Установка для обработки low-k пленок атомами кислорода и водорода
- Метод измерения вероятности гибели атомов О и Н на поверхности low-k пленок
Введение к работе
Использование low-k материалов (материалов с низкой диэлектрической постоянной) в качестве межслойных диэлектриков в микросхемах является одним из подходов для повышения объемной плотности элементов в микроэлектронных устройствах, известном как закон Мура [1]. Уменьшение толщины диэлектрика при уменьшении характерных размеров элементов микросхем приводит к возникновению наводок между проводниками, разделенными слоем диэлектрика. Использование материала с более низкой диэлектрической постоянной (чем у традиционно использующегося диоксида кремния Si02) позволяет снизить уровень наводок, так как емкостная связь между проводниками обратно пропорциональна диэлектрической постоянной межслойного материала.
Также использование материалов с низкой диэлектрической постоянной позволяет расширить диапазон рабочих частот микросхем, верхняя граница которого приближается к волновому пределу. Поскольку длина электромагнитной волны А связана с диэлектрической постоянной среды, в которой она распространяется (А = с/(к и), где с - скорость света, // - частота электромагнитной волны, к - диэлектрическая постоянная), снижение диэлектрической постоянной межслойного диэлектрика позволяет повысить частоту тактирующего сигнала в микросхеме и избежать перехода в волновой режим распространения сигнала. Также, как видно, скорость распространения сигнала обратно пропорциональна диэлектрической постоянной среды. То есть, использование low-k материалов позволяет снизить задержки распространения управляющих напряжений между элементами микросхемы.
Поскольку одним из направлений совершенствования микроэлектронных устройств является снижение их энергопотребления, важной задачей является уменьшение токов перезарядки межслойной емкости и паразитных токов утечки между проводниками микросхемы. Потребляемая мощность в расчете на один проводник в микросхеме складывается из динамической мощности при изменении напряжения на проводнике (Р = ск(СВых + С'пров + С'вх)/^2) где ос - отношение времени активности проводника к полному времени работы микросхемы, СВых и Свх - выходная и входная емкости транзисторов соответственно, Спров - емкость соединительного проводника, / - рабочая частота, V - рабочее напряжение) и статической мощности утечки, пропорциональной емкости межслойного диэлектрика. Таким образом использование low-k материалов позволяет снизить паразитные потери энергии и тепловыделение микросхемы.
Основные трудности, связанные с использованием low-k материалов при изготовлении микрочипов связаны с необходимостью встраивания процессов пх осаждения и травления в них наноструктур в существующие отработанные технологические процессы. Основные направления совершенствования пористых диэлектрических пленок - это уменьшение их диэлектрической постоянной, увеличение механической и температурной стабильности, предотвращение их повреждения при плазменной обработке, увеличение прочности меж-слойных соединений при осаждении low-k пленок на поверхность других материалов и
Диссертация посвящена изучению модификации пористых диэлектрических low-k SiOCH пленок атомами кислорода и водорода, а также установлению механизма запечатывания верхнего пористого слоя пленки для предотвращения этой модификации.
Благодаря высокой химической активности атомов кислорода, обработка в кислородной плазме является одним из основных способов удаления фоторезистивного слоя при производстве микрочипов. Однако, при данной обработке происходит существенная модификация low-k SiOCH пленок, приводящая к увеличению диэлектрической постоянной материала пленки и ухудшению ее механической и температурной стабильности. Для качественной оценки степени взаимодействия атомов кислорода и водорода с пористыми low-k пленками в работе приводятся результаты измерений вероятностей гибели атомов О и Н на исследуемых low-k пленках (данные получены с использованием разработанной экспериментальной установки, описание которой приводится в главе 2). Для выяснения механизма модификации low-k пленок атомами кислорода в работе осуществляется сравнение экспериментальных данных по динамике изменения химической структуры low-k пленок (полученных с использованием рентгенофлуоресцентного анализа, Фурье-ИК спектроскопии и атомно-силовой микроскопии) после обработки атомами О в послесвечении плазмы ВЧ разряда и результатов расчета с использованием разработанной Монте-Карло модели (модификация low-k SiOCH пленок атомами водорода заметно менее выраженная и происходит на временной шкале большего масштаба, поэтому количественный анализ ее механизма в работе не приводится).
Также в работе представлен механизм запечатывания пор верхнего слоя low-k пленок в плазме гелия. Описанная в работе экспериментальная установка за счет размещения образцов с напыленными low-k пленками в различных областях плазмы поверхностно-вол- нового разряда и ее послесвечении дает возможность раздельного изучения результатов воздействия на low-k пленки ионов гелия в плазме, вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ) и метастабильных атомов гелия. Механизм запечатывания верхнего пористого слоя определяется по анализу динамики изменения химической структуры low-k пленки с использованием указанных выше поверхностных и объемных диагностик, а эффективность запечатывания верхнего слоя пленки определяется по качественной оценке степени воздействия на предобработанные в гелии low-k пленки атомов кислорода (проводятся измерения вероятности гибели данных атомов на пленках).
Диссертация состоит из четырех глав. Глава 1 посвящена обзору существующей информации по low-k материалам, диагностическим техникам, применяющихся при их изучении и проблемам, возникающим при их использовании в технологических процессах. В главе 2 описаны исследованные low-k материалы и экспериментальные установки, разработанные и используемые для проведения данных исследований. Глава 3 посвящена анализу механизма модификации low-k материалов атомами кислорода и водорода. Глава 4 посвящена анализу механизма «запечатывания» пор в верхнем слое low-k пленки в плазме и послесвечении плазмы гелия. Основные результаты работы представлены в заключении.
Личный вклад автора заключается в следующем. Автором была разработана система актинометрической диагностики плазмы и послесвечения плазмы в реальном времени, которая позволила измерить концентрации активных атомов (кислорода и водорода) в послесвечении емкостного разряда. Также была разработана система зондовой диагностики плазмы, которая позволила измерить плотность ионов и температуру электронов, а также плавающий и плазменный потенциалы в поверхностно-волновом ВЧ разряде в гелии, в котором осуществлялось «запечатывание» пор на поверхности low-k пленки. С использованием данных экспериментальных установок, совместно с диагностиками структуры пленки были проведены измерения характеристик процессов модификации low-k образцов, позволившие понять механизмы изменения внутренней структуры low-k материалов при обработке в различных условиях.
Апробация работы была проведена в процессе публикаций и докладов результатов работы на ряде российских и международных конференций: публикация в журнале «IEEE Transactions on plasma science» (Vol. 37 № 9, pp. 1697-1703), доклады на конференциях: «Advanced Metallization Conference 2008», «Materials, Processes and Reliability for Advanced Interconnects for Micro- and Nanoelectronics - 2009», «62nd Gaseous Electronics Conference» и «7-я Курчатовская Молодежная Научная Школа». На основе положительных отзывов и рецензий по результатам работы можно сделать вывод о возможности применения данной технологии при промышленном производстве микроэлектронных устройств.
Публикации по результатам работы были выполнены в ряде журналов и сборников трудов конференций. Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них статья в рецензируемом журнале [2], 2 статьи в сборниках трудов конференций [3, 4] и тезиса докладов [5, б].
Физические принципы уменьшения диэлектрической постоянной
В названии «IOW-АС» к - обозначает диэлектрическую постоянную. В дальнейших выкладках будем использовать принятое в отечественной школе обозначение е. Как известно вектор диэлектрической поляризации Р в среде связан с вектором напряженности Е следующим образом: Р = хЁ = z E, где х - коэффициент поляризуемости вещества. Вектор диэлектрической поляризации связан с дипольным моментом молекул вещества р как Р = N p = aNE , где N - плотность молекул, а - поляризуемость, Е - значение локального электрического поля в среде, складывающееся из внешнего и индуцированного вследствие поляризации (для непрерывного диэлектрика Е = Е + Щ -) [8]. Дипольный момент молекул складывается из постоянного (полярные молекулы) и индуцированного внешним электрическим полем. Индуцированный дипольный момент складывается из ди-польных моментов атомов, при смещении их электронных оболочек под действием поля, а также дипольных моментов ионных связей в молекуле, конфигурация которых изменяется под действием поля. Таким образом поляризуемость имеет вид а = аэ + ам +/?П(Т), где аэ - поляризуемость атомов, ам - поляризуемость молекул, /3П(Т) - коэффициент упорядоченности постоянных дипольных моментов молекул, зависящий от температуры. Таким образом = -N(cx3 + ам + (3П(Т)), то есть снижение диэлектрической постоянной вещества можно осуществлять исключением из его состава полярных молекул, молекул с высокой поляризуемостью, а также снижением плотности вещества. Поскольку расчет диэлектрической постоянной для произвольного вещества является сложной задачей, часто используются экспериментальные методики, например определение дипольных моментов молекул во внешнем электрическом поле, по изменению вращательных спектров за счет эффекта Штарка [9].
Влияние плотности вещества на диэлектрическую постоянную гораздо более сильное, нежели влияние поляризуемости атомов и молекул. Уменьшением плотности можно снизить диэлектрическую постоянную практически до теоретического предела - единицы. Поэтому одним из основных технологических направлений развития low-k диэлектриков является использование пористых материалов. Пористые материалы молено рассматривать как двухкомпонентный материал, состоящий из каркаса (с диэлектрической постоянной плотного вещества) и пор (с диэлектрической постоянной близкой к единице). Таким образом полная диэлектрическая постоянная непосредственно оказывается связанной со степенью пористости вещества: = (1 — Р)-j , где Р - пористость, бк - диэлектрическая постоянная вещества каркаса [10]. В случае переменного электрического поля высокой частоты (как, например, в микро- чипе) важной является зависимость диэлектрической постоянной от частоты. Различные процессы, вносящие вклад в поляризацию вещества (перестройка электронных оболочек, перестройка ионных связей и изменение пространственной ориентации полярных молекул) имеют различные частотные зависимости. Наиболее подвижные электроны вносят вклад в диэлектрическую постоянную вплоть до частот более 1015 МГц, характерных для световых полей. Ионные связи за счет меньшей подвижности оказывают влияние на величину є до частот 1013 МГц. Изменение ориентации молекул оказывает влияние до 109 МГц [11]. Особенно стоит отметить, что поляризация, связанная с изменением ориентации молекул оказывает сильное влияние на мнимую часть диэлектрической постоянной в области частот, характерной для современных микроэлектронных устройств, что приводит к диссипации энергии на диэлектрике. Классификация пористых материалов в целом сильно осложняется различными формами образующихся пор, связями между ними и их распределением по размеру. Согласно классификации IUIPAC [12], поры, имеющие диаметр менее 2 нм, называются микропорами, от 2 до 50 нм - мезопорами.
Также в [11] вводится понятие микросоединений и ме-зосоединений для классификации межпорных соединений. Пористые пленки могут быть пористыми непосредственно после их осаждения, или же становиться пористыми после удаления из их основы некоторой части вещества. Поры могут быть цилиндрическими, сферическими, а также иметь сложную форму и различный характер межпорных соединений. Величина пористости Р определяется как отношение суммарного объема пор к полному объему вещества. Далее следует классификация пористых материалов по типу исходного вещества. SSQ-материалы Для данного типа материалов исходным элементом является полимер (R — SiO /2)n (silsesquioxane). В роли радикала R могут выступать атом водорода, алкильная, алкениль-ная, алкоксильная или арильная группы. Многие SSQ-материалы растворяются органическими растворителями благодаря наличию органического радикала. Наличие органического радикала приводит к уменьшению плотности и, следовательно, диэлектрической постоянной. Также поляризуемость связи Si — R меньше, чем у связи Si — О в диоксиде кремния. Наиболее типичными SSQ-материалами являются HSQ (R - атом водорода) и MSQ (R - метильная группа) (диэлектрические постоянные - 3.0-3.2 и 2.8 соответственно)
Свойства low-k материалов
Структура и стабильность SSQ пленки существуют (см. выше) в виде «линейных» и «:cage»/-cnetwork -CTpyK-тур, в зависимости от двух или трехмерной конформации образующих мономеров [14]. Существование cage-структур (оно легко обнаруживается на FTIR-спектре по соответствующему пику поглощения связей Si — О — Si с малыми валентными углами) приводит к уменьшению плотности пленки [73]. К примеру, частный случай SSQ, HSQ пленки могут иметь плотность порядка 1.6 г/см3, что на треть меньше, чем у тетраэтил-ортосиликата (TEOS) (2.2-2.4 г/см3). Однако не все SSQ пленки содержат атомы кремния, кислорода и радикальные группы в стехиометрическом соотношении. Структура пленки и соотношение network- и cage-связей может изменяться в широком диапазоне в зависимости от типа прекурсора, условий осаждения и термообработки. Для пленок, полученных в результате реакций золь-гель, время проведенное в камере старения материала оказывает сильное влияние на конечную структуру диэлектрика (с увеличением времени увеличивается число разрушенных в ходе реакции гидролиза Si—H связей, с образованием Si—ОН, которые в свою очередь при конденсации приводят к образованию Si — О — Si цепочек, а также перекрестных связей). Плотность cage-структур и радикальных групп сильно зависят от температурно-иниццируемых процессов перераспределения молекул [74, 75] и процессов окисления [73]. Температура разрушения SSQ пленок в инертной среде как правило выше 450-500 С. При превышении критической температуры методом ионной масс-спектрометрии обнаруживают ионы SiHt и SiH%, образующиеся при разрушении связей Si — H [75]. Энергия связи кремния с метальными группами, как правило, выше, чем у связи кремния с водородом, поэтому MSQ пленки обладают более высокой температурной стабильностью [14]. Так или иначе при температурах выше 500 С и в MSQ и в HSQ пленках происходит разрыв связей кремния с радикальными группами, уплотнение материала и трансформация в субоксид (вещество, близкое по структуре к диоксиду кремния). В окислительной среде температура разрушения SSQ пленок, как правило, ниже [73]. Пленки на основе кварца, особенно с примесью фтора, обладают более высокой температурной стабильностью, чем SSQ пленки, благодаря большой энергии связи Si — F (температура разрушения 750 С [76, 77]. При наличии в пленке Si — H связей критическая температура снижается до 400 С [76]. В случае присутствия Si — СН3 групп температура разрушения 500 С [77, 78]. Стоит отметить, что cage-структуры в SSQ пленках обладают низкой температурной стабильностью (в связи с чем они не наблюдаются в пленках, осажденных в плазме) и легко переходят в network Si — O — Si структуру.
Такой переход может быть также инициирован излучением ультрафиолетового диапазона и высокоэнергетичными частицами. Радикальные группы в SSQ пленках препятствуют адсорбции молекул воды в порах, что делает такие материалы гидрофобными [14] (контактный угол близок к 90). В зависимости от площади внешней и внутренней (связанной с пористостью) поверхности может быть рассчитано минимальное количество замыкающих радикальных групп, достаточное для блокирования адсорбции воды. Молекулы воды и Oif-радикалы при адсорбции могут образовывать слабые (связь разрушается при температурном воздействии 400 С) или сильные связи (необратимый процесс замены кремний-радикальных групп на 5 — ОН, оказьівающш і сильное влияние на диэлектрические свойства материала) с поверхностным слоем пор, а также физисорбироваться на поверхности пор (связь разрушается при температурном воздействии 200 С) [79, 80]. Присутствие молекул воды также оказывает сильное влияние на температурную стабильность неорганических пленок на основе кварца в связи с реакциями Si — Н + Н20 — Si - ОН + Н2 и Si - СНз + Н20 -» Si - ОН + СН4. Десорбция СНА начинается при температуре 400 С при наличии адсорбированных молекул воды в SiOCH пленке и при температуре 550 С, при отсутствии молекул воды [81]. Во фторсодержащих пленках протекает реакция Si — F + НоО — Si — ОН + HF, приводящая не только к образованию Si — ОН, но и к образованию плавиковой кислоты, разрушающей кремний-кислородные связи. Таким образом адсорбция воды приводит не только к увеличению диэлектрической постоянной материала low-k пленок, но и к ухудшению температурной и механической стабильности. Наиболее распространенным органическим low-k диэлектриком является органический полимер ароматической структуры [82], содержащий углерод, водород и кислород в соотношении 60:39:1. После центрифугирования пленка запечатывается в процессе отжига.
Благодаря ароматическим связям такой материал обладает высокой температурной стабильностью ( 450 С). Органические полимеры использующиеся в low-k пленках являются гидрофобными. Небольшие концентрации слабосвязанной адсорбированных молекул воды удаляются при отжиге. Концентрация адсорбированных молекул воды в органических пленках намного ниже, чем в пленках на основе кварца [83]. Структура пор Свойства low-k материала во многом определяются степенью пористости, размером пор и типом межпорных соединений. Структура пор SSQ пленок в основном определяется технологией удаления части осажденного вещества после центрифугирования. Поры в гелевых. пленках как правило соединены каналами и характеризуются широким распределением пор по размерам. Так как технология нанесения гелевых пленок основана на удалении растворителя с отсутствием контроля размера пор, в них присутствуют мезо-поры, связанные мезоканалами. Размер пор в пленках на основе порогенов определяется размером удаляемых макромолекул. В этом случае мезопоры соединяются микроканала
Установка для обработки low-k пленок атомами кислорода и водорода
Экспериментальная установка жигался в длинной кварцевой трубке (внутренний диаметр - 14 мм). Атомы кислорода или водорода образовывались в емкостном разряде на частоте 13.56 МГц, занимавшем 10-11 см длины трубки при вводимой ВЧ мощности 80-90 Вт (плазма кислорода), 150-160 Вт (плазма водорода). Давление поддерживалось постоянным - 10 Тор, а скорость протока газа составляла 5.7 м/с на протяжении всех экспериментов. Для использования метода актинометрии (см. раздел 2.4) для определения степени диссоциации молекул 02 и Н2 над поверхностью low-k образцов в поток кислорода (или водорода) добавлялось 10% аргона. Прямоугольный low-k образец с площадью поверхности 1 cm2 располагался в те-флоновой «лодочке» в дальнем послесвечении разряда ( 35 см от конца электродов). Образец закрывался тонкой подвижной тефлоновой крышкой для защиты поверхности low-k материала от взаимодействия с атомами во время включения и настройки разряда. Тефлоновая крышка быстро сдвигалась и оставалась открытой на определенное время для обработки образца атомами кислорода или водорода. Схема экспериментальной установки гелиевой предобработки low-k пленок показана на рис. 2.3. В качестве плазменного реактора использовалась длинная кварцевая трубка (внутренний диаметр 56 мм, длина 1 м), в которой располагались low-k образцы. В чистом гелии низкого давления (20 мТор) с помощью ВЧ-антенны, состоящей из двух кольцевых электродов (расстояние между электродами - 5 см), зажигался поверхностно волновой разряд на частоте 81 МГц ( 23 Вт). В данных условиях плазменный столб поверхностно-волнового разряда с одной стороны свободно распространялся в трубке (30 см от конца электродов), а с другой имел контакт с металлическим фланцем. Таким образом осуществлялся электрический контакт плазмы с заземленной поверхностью, что позволяло проводить зондовые измерения параметров плазмы и подавать напряжение смещения на образцы.
Четыре low-k образца одного типа (CVD1 или CVD2 или CDV3) размещались на внутренней поверхности трубки на различном удалении от электродов. Образец №1 располагался непосредственно в разряде на расстоянии 10 см от электродов. Он в наибольшей степени подвергался интенсивному воздействию плазмы гелия (ионов гелия Не+, мета-стабильных атомов Не (lS0 (20.6 эВ) и З5 і(19.8 эВ)) и вакуумного ультрафиолетового излучения из объема плазмы (резонансный переход HeQPi —l SQ) , 21.2 эВ). Образец №2 также располагался в разряде, но вблизи конца плазменного столба, где плотность плазмы была в несколько раз меньше, и, следовательно, влияние плазмы (прежде всего связанное с ионами) на low-k пленку, было заметно более слабым. Образцы №3 и №4 размещались вне плазменного столба в области дальнего послесвечения. Образец №3 был повернут стороной с low-k пленкой в направлении разряда, и, таким образом, испытывал воздействие метастабильных атомов Не и вакуумного ультрафиолетового излучения. Образец №4 был закрыт от ВУФ излучения и обрабатывался исключительно метастабильными атомами гелия. Таким образом, различные виды предобработки low-k пленок были изучены в определенной степени по отдельности, что позволяет делать выводы о влиянии предобработки low-k материалов на их взаимодействие с атомами О и Н. Для оценки параметров плазмы поверхностно-волнового разряда, таких как плотность ионов, температура электронов и плазменный потенциал, были проведены зондовые измерения (см. раздел 2.6). Они были необходимы для получения значений потока и энергии ионов, бомбардирующих поверхность low-k пленки. Для этого использовался ленг-мюровский зонд из вольфрамовой проволоки (диаметр - 0.3 мм, длина - 10 мм, диаметр держателя 1 мм), размещенный на оси разряда. Зонд мог перемещаться вдоль трубки, и таким образом измерялись параметры плазмы вдоль столба поверхностно-волнового разряда. В роли противоэлектрода для зонда выступал заземленный металлический фланец, находящийся в непосредственном контакте с плазмой.
Данные зондовых измерений в плазме над образцами №1 и №2 представлены в таб. 2.2. Как и ожидалось для поверх ностно-волнового разряда, потенциал плазмы и температура электронов слабо меняются вдоль плазменного столба благодаря высокой теплопроводности электронов, в то время как плотность плазмы линейно падала от антенны к концу плазменного столба. Потоки ионов на поверхность образцов рассчитывались по измеренным температуре электронов и плотности ионов с учетом критерия Бома, а также непосредственно измерялись путем замены образцов на плоские зонды. Для оценки распределения понов, падающих на образцы, по энергиям движение ионов в заданном радиальном амбиполярном потенциале моделировалось методом Монте-Карло. Расчетные энергетические спектры ионов Не+, падающих на образцы №1 и №2 представлены на рис. . Видно, что распределение ионов по энергиям пикированное, но немного уширяется из-за столкновений ионов с частинами газа. Стоит отметить, что распределение ионов по энергиям незначительно меняется вдоль плазменного столба.
Эти незначительные изменения энергии ионов несущественны по сравнению с сильным изменением плотности ионов и потока ионов на образцы, и, следовательно, последние являются наиболее важными параметрами при сравнении воздействия плазмы гелия на образцы №1 и №2. В связи с этим энергия ионов предполагалась неизменной вдоль плазменного столба. Для исследования возможных модификаций SiOCH материалов в результате различных обработок использовались рентгенофлуоресцентный (XRF) анализ, Фурье-ИК (FTIR) спектроскопия и атомно-силовая микроскопия (AFM). Рентгенофлуоресцентный анализ - один из современных методов анализа вещества с целью получения его элементного состава. Данный метод основан на получении и последующем анализе спектра флуоресценции исследуемого вещества, полученного путем воз Рис. 2.4: Расчетные энергетические спектры ионов Не+, падающих на поверхность образцов №1 и №2 в плазме поверхностно-волнового разряда (нормированные на измеренные плотности ионов). действия на него высокоэнергетичными фотонами или электронами. Данное воздействие приводит к выбиванию электронов из нижних оболочек атомов вещества. При релаксации в вакантное состояние электроны с внешних оболочек либо заполняют образовавшиеся вакантные места, а излишек энергии испускается в виде фотона, либо энергия передается другому электрону из внешних оболочек (Оже-электрон). Анализируя полученный спектр излученных фотонов, можно узнать элементный состав исследуемого материала, а при последовательных измерениях в ходе модификации материала - оценить количественное изменение концентрации тех или иных атомов вещества. В данной работе XRF спектрометр Oxford Instruments использовался совместно со сканирующим электронным микроскопом, что дало возможность прецизионного выбора области измерения и режима XRF спектрометра для получения необходимых данных. Измерение XRF спектра для различных энергий возбуждающего
Метод измерения вероятности гибели атомов О и Н на поверхности low-k пленок
В данной работе система актинометрической диагностики применялась также для измерения вероятности гибели атомов кислорода и водорода на поверхности low-k пленки. Вероятность гибели атомов на образце можно представить в виде: = Itejion + Sj, где jtefion - вероятность гибели атомов на поверхности тефлона (материала держателя low-k образцов), & Sj - разница между вероятностью гибели на поверхности тефлона и вероятностью гибели на поверхности образца, jtefion определялась экспериментально по наклону кривой уменьшения плотности атомов кислорода или водорода вдоль пустого тефлонового держателя. Данные измерения осуществлялись с помощью передвижения системы актинометрической диагностики вдоль трубки (см. рис. 2.2). Затем проводились измерения интенсивности излучения атомов кислорода и аргона (или водорода и аргона) за тефлоновым держателем синхронно со сдвигом крышки тефлонового держателя (для пустого держателя и для держателя с образцом). Измерения проводились за держателем для предотвращения влияния подсвечивающего разряда на low-k образец. Величина 7 может быть рассчитана следующим образом: ГДЄ (ІО(Н)/ІАг)іе/Іоп И {I0{Н)/1Ar)sample " ОТНОШЄНИЯ ИНТЄНСИВНОСТЄЙ ИЗЛуЧЄНИЯ aTOMOB кислорода (или водорода) и аргона в случае пустого держателя и в случае держателя с low-k образцом соответственно, х - сдвиг крышки держателя (длина открытого low-k образца), Vfiow - скорость протока газа над образцом, VT - тепловая скорость атомов кислорода (или водорода), Sfiow - площадь сечения открытой части трубки в районе образца (не закрытой держателем), Wsampie - ширина образца. Характерные зависимости величин Ъ\,{н)irAr.teflon от х для атомов кислорода и водорода при измерении на образце CVD1 К10(Н) 11Ar) sample представлены на рис. 2.9.
На приведенных графиках видно, что, действительно, гибель атомов на поверхности low-k пленки происходит быстрее, чем на поверхности тефлона из-за более высокой вероятности гибели, так как плотность атомов и, следовательно, актино метрический сигнал, пропорциональный плотности атомов, за образцом в обоих случаях уменьшается быстрее в процессе сдвига крышки, чем в случае тефлонового держателя без образца. Следовательно, измеряя угол наклона прямой, аппроксимирующей экспериментальные точки, (определяя Sj) и зная вероятность гибели атомов на поверхности тефлона (itefion), можно рассчитать вероятность гибели (7) атомов на low-k пленке [2]. Схема системы зондовых измерений, с помощью которой были получены данные по плотности ионов, температуре электронов, плазменному и плавающему потенциалам, приведенные в данной работе, представлена на рпс. 2.10. В качестве источников высокого напряжения использовались готовые блоки питания +300 и -300 В (TRACO POWER), питающиеся от импульсного стабилизированного источника питания +12 В (TRACO POWER). Устройство позволяло подавать на зонд напряжение, являющееся суммой трех низковольтных входных сигналов, каждый из которых усиливался с определенным коэффициентом усиления. В качестве блока сумматора и усилителя сигналов использовалась высоковольтная микросхема APEX РА94. В данной работе на вход №1 подавалось напряжение сдвига (-10...+10 В), которое, будучи усиленным в 20 раз, позволяло задавать окно сканирования вольт-амперной характеристики шириной 100В в диапазоне -200...+200 В. На вход №2 подавалось сканирующее напряжение (-10...+10В), усиливавшееся в 5 раз и позволявшее произвести измерение В АХ в окне шириной до 100 В, центр которого определялся напряжением сдвига.
Данные сигналы постоянного напряжения формировались платой сбора данных National Instruments. При реализации метода аппаратного измерения первой и второй производных В АХ по напряжению (метод прямого измерения ФРЭЭ), на вход №3 подавался синусоидальный сигнал модуляции (0.1-1.0 В, 1 кГц), который без усиления поступал на зонд. Данный сигнал формировался осциллятором синхронного детектора (PAR 5209), который также использовался для измерения переменной составляющей зондового тока (на первой и второй гармонике). Для измерения зондового тока использовался изолированный усилитель, развязанный по напряжению (микросхема ANALOG DEVICES AD215). Первый блок этого усилителя представляет собой измеритель тока на базе прецизионного операционного усилителя, нулевой точкой которого является потенциал зонда. Питание первого блока осуществлялось от внутреннего изолированного источника напряжения, который в свою очередь питался от внешнего стабилизированного источника напряжения ±15 В. Выходной сигнал первого блока через схему модулятор/демодулятор подавался на выходной усилитель, в качестве опорного потенциала которого выступала уже общая «земля» схемы. Питание выходного усилителя осуществлялось от внешнего источника напряжения ±15 В (TRACO POWER). Коэффициент преобразования зондового тока в выходное напряжение задавался сопротивлением обратной связи первого блока изолированного усилителя, которое можно было варьировать в зависимости от величины характерного измеряемого тока. При сканировании ВАХ выходное напряжение зондовой схемы измерялось платой сбора данных National Instruments. При измерении первой и второй производной ВАХ по напряжению с помощью синхронного детектора PAR 5209 измерялись амплитуды переменного напряжения на одинарной или двойной частоте модуляции, задаваемой сигналом, подаваемым на зонд через вход №3 схемы. Так как зонд является по сути нелинейным элементом цепи, данные амплитуды пропорциональны соответственно первой или второй производной ВАХ по напряжению. Характерный вид вольт-амперной характеристики представлен на рис. 2.11. Потенциал плазмы Vp определялся по перегибу ВАХ (в области положительного потенциала зонда), которому соответствует локальный максимум первой производной ВАХ или ноль второй производной ВАХ (которые определялись численным дифференцированием ВАХ или аппаратно методом, описанным выше). Плавающий потенциал V/ опреде
