Ионно- и электронно-зондовый анализ структур СБИС Смирнов, Валерий Константинович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Повышение степени интеграции элементов интегральных схем является мощным стимулом для развития нового направления в микроанализе - микроанализ на уровне чипа. Методы диагностики должны обеспечивать высокочувствительный физико-химический анализ сложных структур СБИС с высокой степенью локальности как по глубине объекта, так и по поверхности. Достижение такого уровня анализа является актуальной научной задачей, от решения которой в- свою очередь зависит успешное развитие многих современных направлений в микроэлектронике.

Требование локальности пробоотбора приводит к сохранению приоритета на настоящее время и в будущем за ионно-и электронно-зондовыми методами, основанными на диагностике объектов с помощью сравнительно легко формируемых, фокусируемых и управляемых ионных и электронных пучков. Сюда относятся в первую очередь вторично-ионная масс-спектрометрия (ВИМС), растровая электронная микроскопия (РЭМ) и растровая электронная оже-спектроскопия (РЭОС). Следует отметить, что установки ВИМС, РЭМ и РЭОС часто являются базовым оборудованием многих аналитических лабораторий, занимающихся вопросами микроанализа. Однако, наличие даже самых последних модификаций таких приборов лишь необходимое, но далеко не достаточное условие успешного решения ряда аналитнчеких задач в области современной микроэлектронной технологии.

В ВИМС как основном методе высокочувствительного послойного анализа пленочных структур к началу настоящей работы существовал ряд физических и методических задач. На основании исследования процессов взаимодействия химически активных пучков ионов с многослойными структурами требовалась выработка концепции их послойного анализа в химически активных условиях. Особого внимания заслуживали две основные задачи. Во-первых, необходимо было изучить влияние указанных условий на результаты послойного анализа и в первую очередь на разрешение по глубине, которое является определяющим параметром в случае тонких слоев, монослоев и многослойных структур. Во-вторых, экспериментального исследования требовала проблема послойного количественного анализа тонкопленочных объектов.

Активные элементы наряду с многослойными пленочными структурами являются составным компонентом чипа. ВИМС и другим известным методам элементного анализа недоступна визуализация с субмикронным разрешением

по поверхности областей легирования микронного масштаба и дозами легирования до 10¹²см*². В этой связи научный и практический интерес представляет разработка метода диагностики указанных объектов на основе техники РЭМ посредством такого типа контраста, который обеспечивает пространственное разрешение равное диаметру электронного зонда РЭМ.

Техника РЭОС в настоящее время располагает уникальными потенциальными возможностями для высоколокального анализа состава поверхности на уровне чипа. Диаметр электронного зонда достигает 30 нм, что имеет принципиальное значение при изучении объектов субмикронного и нанометрового масштаба. Однако методическое обеспечение РЭОС-анализа ограничено плоской поверхностью. Это определяет задачу исследования и придает особую актуальность разработке способов анализа топологических структур методом РЭОС.

Важное место в микротехнологии занимают плазмохимические процессы (ПХП). В то же время средства диагностики явно не отвечают уровню, необходимому для решения аналитических задач в области плазмохимии. Необходимым является дальнейшее развитие масс-спектрометрического метода исследования состава плазмы.

Решение поставленных выше задач призвано обеспечить создание научной базы для широкого и эффективного применения ионно- и электронно-зондовых методов анализа в микроэлектронике и в целом определяет актуальность темы диссертационной работы.

Целью работы являлось исследование процессов при взаимодействии электронных и химически активных ионных пучков с используемыми в технологии СБИС элементами и тонкопленочными структурами и на основании этого создание физических и методических основ ионно- и злектронно-зондового методов их физико-химического анализа. Составной задачей работы было развитие методического обеспечения масс-спектрометрической диагностики ПХП.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие основные научные и методические задачи:

- экспериментально изучить процессы взаимодействия химически активных ионных пучков с тонкопленочными структурами и кремнием и на основании этого определить эффективность использования в практике послойного ВИМС-анализа новых типов ионных пучков - Нг⁺ и N2⁺ в дополнение к традиционно применяемым Ог⁺ и Cs⁺;

-исследовать процессы вторично-ионной эмиссии и разработать эмпирический подход к решению проблемы количественного послойного ВИМС-анализа тонкопленочных структур;

-разработать соответствующую аппаратуру и создать методические основы способа визуализации областей легирования микронного масштаба в кремнии и определения их электрофизических параметров;

-выявить особенности анализа состава поверхности топологических элементов СБИС методом РЭОС в условиях геометрического ограничения на область эмиссии и взаимодействия электронного зонда с твердым телом. Предложить способы решения задачи РЭОС-анализа поверхности в указанных условиях;

-создать экспериментальную установку и на ее базе разработать способ регистрации радикалов в плазмохимических процессах.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1. Впервые показана целесообразность использования в методе ВИМС
пучка ионов N2"*" для послойного анализа многослойных тонокпленочных
структур. Эффективность нового типа пучка по отношению к традиционно
используемым ионам Ог⁺ и Cs⁺ установлена для широкого набора
разнообразных структур.

2. Впервые исследованы процессы ионной эмиссии, фазо- и
рельефообразованйя при взаимодействии пучка ионов N2⁺ средних энергий с
кремнием. Обнаружено существование микрорельефа волнообразного и
кристаллографического типов и установлена связь эмиссионных свойств
поверхности с микрорельефом. Показано его влияние на форму профиля
послойного ВИМС-анализа б-слоя в кремнии. Предложен механизм
формирования микрорельефа кристаллографического типа.

3. Определены принципы послойного количественного ВИМС-анализа
тонкопленочных структур на содержание микропримесей и разработана схема
эмпирического определения величин полезного выхода вторичных ионов,
основанная на in situ имплантации двух элементов-стандартов на установке
ВИМС.

4. Разработан новый метод бесконтактной визуализации
имплантировннных областей в РЭМ на основе измерения сигнала фотоЭДС.
Метод обладает субмикронным пространственным разрешением, чувствителен
к дозам имплантации < 10¹²см"² и превосходит по обнаружительной
способности известный метод потенциального контраста в РЭМ. Предложенное

методическое обеспечение позволяет измерять ряд локальных электрофизических параметров легированных областей.

1. Впервые предложен и реализован способ анализа состава дна топологических структур типа колодец методом РЭОС в условиях геометрического ограничения на область эмиссии оже-электронов. Обнаружен эффект переноса области генерации аналитического сигнала в методе РЭОС.

2. Методом масс-спектрометрии молекулярного пучка впервые в исследовании плазмохимических процессов осуществлена прямая регистрация радикалов с помощью сочетания методики синхронного детектирования и снятия кривых эффективности ионизации. Способ продемонстирован на примере разряда постоянного тока в гексафториде серы, обнаружены радикалы SFs, SF4, SF3 и определены их потенциалы ионизации.

Научно-практическая значимость результатов работы:

в практику послойного ВИМС-анализа введен первичный пучок ионов Ыг⁺, применение которого по сравнению с традиционными пучками Ог⁺ и Cs⁺ позволяет получить более достоверную информацию о распределении элементов в широком наборе сложных тонкопленочных структур, как перспективных так и применяемых в технологии микроэлектроники;

предложенный в работе метод эмпирического расчета коэффициентов полезного выхода вторичных ионов , основанный на in situ имплантациии двух элементов на установке ВИМС, позволяет в значительной степени продвинуться в решении проблемы послойного количественного анализа тонкопленочных структур, где использование традиционного способа формирования стандартных образцов крайне дорогостояще, а в случае тонких слоев не применимо;

применение в диагностике активных элементов ИС развитого в работе метода фотоЭДС в РЭМ, реализуемого для РЭМ любого типа в виде приставки, позволяет получить важную информацию об областях легирования микронного масштаба, которая включает их визуализацию с субмикронным разрешением и данные об электрофизических параметрах этих областей;

предложенный способ детектирования оже-электронов в технике РЭОС в условиях геометрического ограничения на область их эмиссии делает возможным применение метода РЭОС для анализа элементного состава топологической поверхности, какой, в частности, является поверхность элементов СБИС;

создана оригинальная масс-спектрометрическая установка и продемонстрирован способ прямой регистрации радикалов в плазмохимических

процессах, что существенным образом расширяет информацию о составе плазмы и часто недоступно другим методам диагностики. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальное доказательство существенного улучшения
разрешения по глубине и подавления матричных эффектов при послойном
ВИМС-анализе сложных тонкопленочных структур, используемых в технологии
СБИС (пленки металлов и диэлектриков, структуры КНИ и двухуровневой
металлизации) за счет:

создания кислородной атмосферы над образцом;

использования для послойного анализа пучка ионов N2^.

2. Экспериментальное исследование взаимодействия пучков ионов N2⁺ и Ог⁺ с поверхностью кремния, включающее изучение процессов фазообразования, кинетики распыления, развития микрорельефа поверхности и связанного с ним локализованного по глубине изменения уровня вторично-ионной эмиссии. Установление влияния указанных процессов яа разрешение по глубине при послойном ВИМС-анализе сверхтонких мелкозалегающих слоев легирования в кремниии (5- легирование).

3. Эмпирический метод расчета величин полезного выхода вторичных ионов, позволяющий проводить количественный послойный ВИМС-анализ тонкопленочных структур с помощью in situ имплантации двух элементов на установке ВИМС.

4. Способ визуализации легированных областей активных элементов кремниевых СБИС с дозой легирования до 10¹² ат/см³ с помощью контраста фотоЭДС в РЭМ. Аппаратура, установление закономерностей формирования контраста фотоЭДС и методики измерения электрофизических параметров полупроводниковых материалов и р-п переходов.

5. Способ элементного анализа состава поверхности топологических структур методом РЭОС и обнаружение эффекта переноса области генерации аналитического сигнала в методе РЭОС.

6. Экспериментальная установка масс-спектрометрической диагностки плазмохимических процессов с отбором пробы в виде молекулярного пучка и способ прямого детектирования радикалов в плазме.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и выводов. Работа изложена на 315 страницах машинописного текста, включая 108 рисунков и 13 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 301 наименование.

Апробация работы .Основные результаты докладывались и обсуждались на : II Европейской вакуумной конференции (EVC-II, Триест, Италия, 1990); VIII Международной конференции по вторично-ионной масс-спектрометрии ( SIMS-VIII, Амстердам, Нидерланды, 1991); Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (ISTAPC-91, Рига, Латвия, 1991); XXI Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике ( Ленинград, 1990); VI Всесоюзном семинаре по вторично-ионной и ионно-фотонной эмиссии (Харьков, 1991); Всесоюзном семинаре-совещании "Диагностика поверхности ионными пучками" (Одесса, 1990); IX Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (Москва, 1989); X Всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (ВИП-91, Москва, 1991); XI Конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (ВИП-93, Москва, 1993); VII Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (РЭМ-91, Москва, 1991); VIII Симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (РЭМ-93, Москва, 1993); IV Всесоюзном семинаре "Микролитография-92" (Черноголовка, 1992); Конференции "Физика и техника плазмы" (Минск, 1994); Российской конференции "Микроэлектроника-94" (Москва, 1994).

Кроме того, результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях Института микроэлектроники РАН в 1987-1995 г.г., на научных семинарах Института высоких температур РАН, Российского научно-исследовательского центра по изучению свойств поверхности и вакуума, Физического факультета МГУ, 20-м координационном совещании секции "Полупроводниковые гетероструктуры".

Похожие диссертации на Ионно- и электронно-зондовый анализ структур СБИС

Исследование динамики электронов в полупроводниковой структуре диода Ганна в коротковолновой части миллиметрового диапазона и анализ возможностей создания генераторов гармоникРазумихин Константин Андреевич