Исследование и разработка системы характеризации процессов формирования наноразмерных элементов интегральных схем Волоховский Александр Дмитриевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ технологического процесса производства интегральных схем и выявление процессов для которых требуется модернизация сопутствующих методик оперативного контроля 14

Раздел 1.1. Изучение пороговых размерных эффектов, проявляющихся при уменьшении размеров элементов ИС. 17

1.1.1. Влияние размера кристаллита на твердость поликристаллических материалов . 19

1.1.2. Радиационные воздействия на нанообъекты 21

1.1.3. Влияние поверхности и границ раздела на механические свойства нанообъектов. 23

Выводы к разделу 1.1. 27

Раздел 1.2. Анализ методик технологического контроля процессов производства изделий с наноразмерными (малоразмерными) топологическими нормами. 28

1.2.1. Контроль процессов фотолитографии. 31

1.2.2. Контроль процессов формирования многослойных структур. 34

1.2.3. Контроль процессов формирования легированных и многокомпонентных пленок. 36

1.2.4. Концепция комплементарного комбинирования измерительных методов. 38

Выводы к разделу 1.2. 42

1.3. Выводы к главе 1. 45

Глава 2. Влияние пороговых размерных эффектов на результат проведения контрольных процессов 46

2.1. Подготовка образцов с помощью фокусированных ионных пучков . 48

2.2. Контроль наноразмерных элементов 54

Выводы к Главе 2. 56

Глава 3. Разработка методик контроля критических технологических процессов 57

3.1. Контроль процессов получения легированных пленок. 59

3.2. Контроль процессов получения многокомпонентных пленок . 64

3.3. Контроль плотности «Low-K» диэлектриков. 73

3.4. Контроль металлических и других непрозрачных пленок. 78

3.5. Контроль величин размытия и шероховатостей границ раздела. 86

3.6. Контроль процессов травления . 93

Выводы к главе 3. 102

Заключение. 104

Основные результаты и выводы 106

Список литературы 108

Благодарности 119

Приложение 120

• Влияние размера кристаллита на твердость поликристаллических материалов
• Подготовка образцов с помощью фокусированных ионных пучков
• Контроль процессов получения многокомпонентных пленок
• Контроль процессов травления

Введение к работе

Актуальность темы.

Современная технология производства изделий микроэлектроники в своем развитии движется по пути уменьшения топологических размеров и увеличения степени интеграции, по пути внедрения новых материалов, по пути перехода к новым формам интеграции, а также по пути появления гибридных приборов и приборов, работающих на новых физических принципах. Развитие микроэлектроники происходит с переходом в наноэлектронику, т.е. с переходом размерных порогов при которых резко изменяются электрофизические, структурные, механические, оптические и другие свойства материалов и структур, что необходимо учитывать как при формировании и реализации технологического цикла их изготовления, так и при построении системы контроля их параметров внутри технологического цикла.

Реализация процессов наноэлектроники, когда проектные нормы переходят через либо эмпирические, либо теоретические размерные пороги, требует модернизации сопутствующих им методик оперативного технологического («экспресс») контроля, так как размерные эффекты не позволяют получить достоверный результат при контроле традиционными методиками. При этом, так как большая часть измерений в технологическом цикле производства изделий ИС – это геометрические и структурные параметры получаемых приборных элементов, в первую очередь следует рассматривать особенности изменения структуры, состава и механических свойств. Свойства материалов в состоянии размерного квантования, которые используются при конструировании приборов и лежат в основе их работы, при этом не рассматриваются.

Система контроля процессов нанотехнологии требует новых подходов, учитывающих изменения структурных и механических свойств материалов, связанных как с размерами изготавливаемых элементов, так и с технологическими процессами их получения, а также изменения, связанные с воздействием используемых в измерительной методике зондирующих излучений. Характерным примером здесь может являться известный эффект сгорания фоторезиста под воздействием электронных пучков в растровых электронных микроскопах (РЭМ). В последнее время исследователи также обращают внимание на воздействие фокусированных ионных пучков (ФИП), которые широко применяются при подготовке образцов для исследований методами электронной микроскопии и спектроскопии, рентгеновского микроанализа. По мере развития технологии сужаются допуски на

точность и воспроизводимость применяемых контрольных методик, повышаются требования к оперативности получения результата. В связи с этим, требуется разработка и модернизация методик оперативного технологического («экспресс») контроля. Если ранее, при контроле процессов, например, субмикронной технологии, была возможность выбрать из существующих методик ту, что является оптимальной для данного процесса, то в современной технологии часто этого сделать нельзя, так как такой методики зачастую не существует.

Поэтому, исследование и разработка системы контроля технологического процесса производства наноразмерных интегральных схем является актуальной задачей, которая обеспечивает развитие технологий, используемых в микроэлектронной промышленности предприятий России, способствует увеличению процента выхода годных изделий и снижению себестоимости выпускаемой продукции. Решение этой задачи должно реализовываться в виде комплекса контрольных методик, внедренных в критические места технологического маршрута.

Цели и задачи работы.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка системы оперативного («экспресс») контроля технологических процессов производства интегральных схем, адаптированной для схем, которые содержат наноразмерные структуры и элементы, и изготовлены по современным технологическим процессам.

Для ее достижения решались следующие задачи: 1. Анализ технологического процесса производства наноразмерных интегральных схем. Выявление критических процессов, для которых, с целью увеличения процента выхода годных изделий, требуется модернизация сопутствующих методик оперативного контроля. Анализ применяемых для их оперативного контроля методик и выявление научно-технических проблем, препятствующих получению точного и достоверного результата их контроля:

изучение влияния воздействия фокусированных электронных и ионных пучков на образец при его подготовке к исследованию, а также при контроле геометрических и структурных параметров содержащихся в нем наноразмерных элементов на достоверность получаемого результата;

изучение влияния поверхностей и границ раздела на механические свойства нанообъектов при проведении анализа электронной и

атомно-силовой микроскопией на полученные значения их геометрических параметров;

изучение влияния величины шероховатости и диффузионного размытия границ в многослойных структурах на точность определения положения границ раздела в них;

изучение влияния состава и структуры тонких пленок многокомпонентных материалов на найденное значение их толщины.

2. Разработка модернизированных методик технологического
контроля критических процессов, которые позволяют учесть
влияние эффектов, выявленных в результате анализа по п.1:

разработка методики оперативного контроля толщин и состава тонких пленок многокомпонентных материалов, таких как т.н. «Low-K» и «High-K» диэлектрики, обладающей повышенной точностью и производительностью;

разработка методики оперативного контроля плотности и пористости тонких пленок, годной для внедрения в технологический цикл;

разработка методики контроля величины размытия и шероховатостей границ раздела в многослойных диффузионно-барьерных структурах.

1. Разработка методик внедрения в технологический цикл новых перспективных методов оперативного технологического контроля, таких как фотоакустика и скаттерометрия.

2. Разработка концепции построения новых методик оперативного технологического контроля, которая могла бы использоваться для обеспечения разработки методик по п. 2 и 3, а также для построения новых методик для обеспечения технологического контроля при дальнейшем развитии технологии производства интегральных схем.

3. Апробация разработанных методик на технологических процессах, для которых необходима модернизация методик их контроля; сравнение с традиционно применяемыми методиками контроля этих процессов.

Научная новизна работы.

1. Исследованы пороговые размерные эффекты, связанные с изменением механических и структурных свойств наноразмерных элементов и структур. Установлено, что прохождение размерного

порога влияет на результат контроля геометрических параметров этих структур.

2. Исследован механизм пластического течения материала при его обработке фокусированными ионными пучками (ФИП); установлено, что при этом протекают два одновременных процесса: перераспыление и пластическое течение материала, вызванное введением избыточной концентрации неравновесных дефектов.

3. Исследован технологический цикл производства изделий наноразмерной (малоразмерной) КМОП-технологии; установлены технологические процессы, в которых требуется модернизация сопутствующих контрольных методик и предложены соответствующие модернизированные методики, а именно:

комплекс методик оперативного контроля толщин, состава и плотности тонких пленок многокомпонентных материалов, обладающих повышенной точностью и производительностью;

методика контроля величины размытия и шероховатостей границ раздела в многослойных диффузионно-барьерных структурах;

методика определения скорости звука в тонких пленках, а также метод калибровки этой методики на эталоны.

4. Предложена концепция построения методик контроля
технологических процессов, а также внедрения новых методов
контроля в технологический цикл, которая базируется на
взаимодополняющем (комплементарном) комбинировании
измерительных методов в единую комплексную («гибридную¹»)
измерительную методику, в которой поиск решения ведется
относительно нескольких наборов данных одновременно.

Практическая значимость работы.

1. Эмпирически определены пороги наблюдения размерных механических эффектов для двух- и трехмерных кремниевых наноструктур, сформированных при помощи радиационных воздействий, и показана необходимость учета этих явлений для получения достоверного результата при контроле геометрических параметров этих структур методами растровой электронной и атомно-силовой микроскопии.

¹ Принципы создания такой комплементарной контрольной системы описаны нами в опубликованной по теме диссертации работе [1] и одновременно представителями фирмы Intel под названием «гибридная» методология в сборнике трудов недавней международной конференции [2].

4. Разработана концепция построения новых методик контроля, предполагающая взаимодополняющее комбинирование отдельных методов путем обработки в едином цикле данных, независимо полученных двумя и более различными методами. Полученные комплексные («гибридные») методики позволяют расширить границы применимости и возможности каждой из отдельных методик, входящих в такой комплекс.

5. По комплементарной концепции разработан ряд методик, которые были апробированы в технологическом цикле на критических процессах; проведено сравнение полученных методик с традиционно применяемыми методиками оперативного контроля рассматриваемых процессов:

методика контроля состава тонких пленок многокомпонентных материалов совместно с их толщиной, которая позволила в 3 раза повысить точность определения толщины в таких пленках по сравнению с методикой, предполагающей применение только эллипсометрии; методика основывается на комбинировании эллипсометрии и рентген-флуоресцентной спектроскопии;

методика контроля тонких пленок многокомпонентных материалов, которая позволяет проводить одновременный контроль толщины и состава таких пленок без снижения точности определения значения толщины; методика основывается на комбинировании эллипсометрии и рентген-флуоресцентной спектроскопии;

методика оперативного контроля плотности тонких пленок, годная для внедрения в технологический цикл; методика основывается на комплементарном применении рентгеновских рефлекто- и рефрактометрии;

неразрушающая методика экспресс-контроля толщин, шероховатостей поверхностей, положения и размытия границ раздела в многослойных структурах; методика основывается на комплементарном применении рентгеновской рефлектометрии и диффузного рассеяния.

4. По комплементарной концепции разработаны методики,
обеспечившие внедрение в технологический цикл новых
контрольных методов, обладающих преимуществами перед
традиционно используемыми:

- методика определения скорости звука в тонких пленках, которая
обеспечила внедрение в технологический цикл фотоакустического
метода контроля толщин металлических пленок, обладающего

повышенной точностью по сравнению с интерферометрическими методами и повышенной производительностью по сравнению с рентгеновскими; методика основана на комбинации эллипсометрии, фотоакустики и РЭМ; - методика построения оптико-геометрических моделей исследуемых структур, которая обеспечила внедрение в технологический цикл метода оптической скаттерометрии для контроля процессов фотолитографии и травления, что позволило увеличить достоверность и точность результатов контроля латеральных размеров наноразмерных структур по сравнению с РЭМ и производительность контроля размеров и глубин канавок по сравнению с АСМ; методика основывается на комбинации эллипсометрии, РЭМ, и скаттерометрии.

Методики контроля технологических процессов, разработанные по п. 3 и 4, позволили решить научно-технические задачи, связанные с разработкой и управлением технологическими процессами, используемыми в производстве на АО «Ангстрем-Т» в технологии 90 нм. Методики внедрены в технологический цикл, о чем имеется соответствующий акт внедрения.

На защиту выносится:

1. Концепция построения методик контроля технологических процессов, которая базируется на взаимодополняющем (комплементарном) комбинировании измерительных методов в единую комплексную («гибридную») измерительную методику, в которой поиск решения ведется относительно нескольких наборов данных одновременно, в едином цикле обработки.

2. Методика контроля состава тонких пленок многокомпонентных материалов совместно с их толщиной, которая позволяет в 3 раза повысить точность определения толщины в таких пленках, либо поднять оперативность контроля их состава без изменения точности контроля толщины. Методика основывается на комбинировании эллипсометрии и рентген-флуоресцентной спектроскопии.

3. Неразрушающая методика экспресс-контроля толщин слоев, шероховатостей поверхностей, положения и размытия границ раздела в многослойных структурах. Методика основывается на комплементарном применении рентгеновской рефлектометрии и диффузного рассеяния в едином цикле обработки данных.

4. Методика определения скорости звука в тонких пленках, обладающая высокой точностью, а также метод калибровки этой

методики на эталоны, широко применяемые для эллипсометрии. Методика основана на комбинации эллипсометрии, РЭМ и фотоакустики.

Апробация работы.

Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались на российских и международных конференциях, совещаниях и семинарах. Всего сделано 7 докладов, среди которых выступления на:

21-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференций студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2014» (Зеленоград, 2014);

V Всероссийской конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород, 2014);

XXIV Международной конференции «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2014);

IV Международной научной конференции для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы» (Саратов, 2015); доклад удостоен номинации «Гран-При» конкурса работ конференции;

25-м Международном симпозиуме «Nanostructures: physics and technology» (Санкт-Петербург, 2017);

рабочем семинаре «Formation of 3D Nanostructures by Ion Beams» (Хельсинки, 2017);

6-ой Международной школе для молодых ученых «Интеллектуальные наноматериалы» (Ростов-на-Дону, 2017).

Публикации.

По теме диссертации всего опубликовано 11 работ, из них 4 статьи в журналах перечня ВАК, а также 7 тезисов докладов на конференциях.

Структура и объем работы.

Рукопись диссертации состоит из введения, трех глав, заключения, одного приложения, списка использованных источников из 119 наименований. Общий объём рукописи - 120 страниц.

Влияние размера кристаллита на твердость поликристаллических материалов

Сначала остановимся подробнее на поликристаллическим материалах, играющих важную роль в тонкопленочной полупроводниковой технологии. В настоящее время установлено, что изменение механических характеристик обусловлено в значительной степени характером микроструктуры в наноматериале [13,14]. Например, явным образом можно задать зависимость значения микротвердости и пластичности от размера зерна, плотности дислокаций в поликристаллическом материале. В классическом представлении данные закономерности явным образом не учитывались, однако эксперименты, проведенные в последнее десятилетие, убедительно показали, что механические и пластические свойства наноматериалов существенно зависят от размера наночастиц [15]. В настоящее время установление механизмов выявленных закономерностей является предметом для строгих научных исследований. Оба фактора – микроструктура наноразмерного материала и размер исследуемого объекта – играют важную роль в механизмах изменения механических характеристик.

Для поликристаллических материалов в случае последовательного уменьшения размера кристаллитов особый интерес традиционно представлял вопрос взаимодействия структурных дефектов с границами зерен. В сложившемся представлении, сформулированном в классическом законе Холла-Петча, границы зерен выступали в качестве ограничивающего фактора для движения дислокаций, что выражалось в увеличении микротвердости и предела текучести поликристаллического материала при уменьшении размера зерна. Однако при рассмотрении нанокристаллических материалов с размерами зерен менее нескольких десятков нанометров описание пластической деформации требует учета широкого круга явлений, связанных с взаимодействием между структурными дефектами и границами кристаллитов.

В данном случае, когда в критично малом объеме нанокристаллита невозможно существование протяженных дислокационных дефектов, необходимо обсуждать альтернативные механизмы пластической деформации, такие как зернограничное скольжение, явления стока и аннигиляции структурных точечных дефектов на границах зерен, что может сопровождаться аморфизацией поверхности и другими эффектами [16,17]. В ряде экспериментальных работ показано, что при размерах нанокристаллитов порядка 20 нм и менее пластичность нанообъектов описывается обратным законом Холла-Петча, заключающемся в резком росте пластичности нанокристаллических материалов. Данная зависимость представлена на рисунке 1. Следует отметить, что порог перехода к обратному закону Холла-Петча существенно зависит от многих факторов, таких как наличие окисленного слоя, механических напряжений и др.

Подготовка образцов с помощью фокусированных ионных пучков

Образование рельефа на поверхности стенок структур, вытравливаемых фокусированными ионными пучками (ФИП) традиционно связывали с процессами перераспыления материала [25]. Альтернативная точка зрения связана с пластическим течением, и рассматривалась как в нашей лаборатории без участия автора диссертации [3], так и сторонними коллективами [26]. Вклад автора диссертационной работы в это исследование заключается в развитии представлений, полученных в работах [2,3]. Для этого был выполнен следующий эксперимент. Ранее в работе [3] коллективом лаборатории РМТиА МИЭТ были исследованы особенности формирования наноразмерного рельефа на стенках кратера при травлении кремния фокусированным ионным пучком. Обнаружено, что в зависимости от условий эксперимента образовавшиеся поверхности цилиндров отличаются от идеально гладких: формируются кольцеобразные наплывы, расположенные друг от друга на одинаковых расстояниях (рисунок 8 [3]).

В работе, [3], травление проводилось на при следующих параметрах эксперимента. Для травления использовались ионы Ga+ c энергией E, которая варьировалось от 5 до 30 КэВ, ток пучка I варьировался от 1 до 20 нА. Травление образца проводилось в режиме неподвижного положения пучка на поверхности образца. Время травления t варьировалось от 1 до 50 мкс. Во время травления образцы располагались перпендикулярно к ионному пучку. В работе исследовалась зависимость наблюдаемых пластических явлений от ориентации монокристаллического кремния. Для пластин с ориентацией (111) и (100) зависимость наблюдаемых явлений от кристаллографической ориентации не наблюдалась. При плотности тока ионого пучка J = 2,16 мкА/см2 наблюдались ярко выраженные наплывы на стенках цилиндра (рисунок 8), а при снижении плотности тока до J = 1,07 мкА/см2 образование наплывов отсутствовало.

Таким образом, в описанном эксперименте, выполненном в ходе исследования [3] была зафиксирована зависимость процесса формирования периодических структур при ионном травлении от плотности тока ионного пучка и независимость от времени травления. Полученные результаты находятся в противоречии с классическими представлениями о формировании рельефа при ионном травлении за счет перераспыления материала [25], что заставило обсуждать альтернативные точки зрения на данный процесс. Альтернативная точка зрения связана с пластическим течением [26] и обсуждалась в данной диссертационной работе в разделе 1.1 главы 1.

Для проверки этой теории было выполнено продолжение данного исследования. В рамках положений, обсуждаемых в настоящей работе, автором настоящей диссертации были изучены структурные фазовые переходы в наплывах, образующихся на стенках кратера травления в монокристаллическом кремнии при воздействии ФИП (Рисунок 9).

Из представленных на рисунке 9 изображений следует, что линии Кикучи слабо видны в области облучения ионами, в отличие от области без облучения. Остаточная видимость в необлученной области обусловливается тем, что дифракция происходит в поверхностном слое кремния толщиной большей, чем толщина аморфизированного слоя. Исследование дифракции быстрых электронов проводилось при следующих параметрах: ускоряющее напряжение 30 кВ, ток 9,7 нА, угол наклона исследуемой поверхности 70. При данных условиях электроны по большей части отражаются от поверхности, и лишь небольшая их часть с высокой энергией проникает на небольшую глубину около 150-200 нм. Таким образом, экспериментально показано, что поверхность кратера является аморфизованной. Из этого следует, что преобладающим механизмом в формировании стенок этих цилиндров является не перераспыление, а пластическое течение, связанное с введением избыточной концентрации радиационных подвижных дефектов. Для описания этого эффекта можно привлечь аппарат, описанный в работе [26] и приведенный в аналитическом обзоре, в разделе 1.1 главы 1 настоящей работы (см. рисунок 2 в главе 1). Согласно этим представлениям, формирование рельефа, происходящее при облучении поверхности монокристаллической подложки ионным пучком, направленным к ней под некоторым углом к поверхности , меньшим критического, возникают каскады радиационных смещений, приводящие к направленному движению существенных потоков междоузельных и вакансионных дефектов вблизи поверхности и сопровождающиеся пластическим течением материала. Плотность дефектов в возникающих радиационных каскадах значительна, что приводит к полной аморфизации приповерхностного слоя.

Это изменение структуры вещества, происходящее под действием ФИП, также наблюдалось независимым коллективом авторов в работе [2], однако предметом их исследования являлись не полупроводники, а металлы.

При использовании ФИП для подготовки образцов для структурных исследований следует проявлять осторожность, так как сама по себе обработка ФИП может привести к изменениям структуры. Причем, эти изменения могут наблюдаться на достаточно большом удалении от непосредственно того места где проводилась обработка [2].

Для дальнейшего развития данного исследования был выполнен следующий эксперимент. С помощью ФИП в монокристаллическом кремнии была вытравлена одномерная протяженная структура (Рисунок 10а). Для получения этой структуры, проводилось травление образца в режиме сканирования по двум параллельным траекториям таким образом, чтобы между двумя канавками травления оставался зазор, величиной которого можно управлять путем регулировки расстояния между линиями сканирования. Полученная структура получила трапециевидное сечение (Рисунок 10б).

РЭМ-микрофотография полученной структуры, которая проявила пластические свойства. (б) Схематическое изображение профиля структуры, на котором отмечены аморфизованные приповерхностные области.

Область, выделенная красным, является полностью аморфной и обладает пластичностью. Она соответствует изогнутой области на (а). Такое поведение монокристаллического материала объясняется следующим образом. Под воздействием ФИП в материале происходят два одновременно проходящих процесса – распыление атомов приповерхностного слоя и пластическое течение, связанное с введением избыточной концентрации радиационных подвижных дефектов. Приповерхностный слой, образующийся в том числе на стенках кратера травления ФИП, имеет свойства, отличные от свойств основного материала. Теперь рассмотрим случай, когда 2 кратера травления расположены в непосредственной близости друг от друга. На стенках каждого из кратеров травления имеются области с повышенной концентрацией неравновесных радиационных дефектов. При сближении этих областей, начинается их взаимное влияние друг на друга. Общая концентрация дефектов возрастает, что сопровождается ростом механических напряжений в этом слое, и, как следствие, пластическим течением материала. При преодолении пороговой концентрации дефектов, при этом может происходить также полная аморфизация материла в рассматриваемой области. Исследование проводилось на установке FEI Quanta 200 3D. Значение энергии ионов E было фиксировано на значении 5 КэВ, тока пучка I = 1 нА . Травление образца проводилось в режиме сканирования по выбранной траектории с заданным временем его нахождения в каждой точке траектории (20 мкс). Диаметр зонда составлял 2.75 мкм. В работе использовались пластины монокристаллического кремния с ориентацией (100). Траектории движения были выбраны таким образом, чтобы образовывался наноразмерный зазор между получаемыми канавками травления. Величиной этого зазора можно было управлять путем переноса координаты начальной точки одной из траекторий сканирования в направлении перпендикулярном направлению сканирования.

Обращает на себя внимание тот факт, что, когда размер полученной структуры приблизился к значению 40 нм (при измерении по верху), произошло его самопроизвольное изгибание (рисунок 10). Т.е. материал проявил пластические свойства, которые не характерны для монокристаллического кремния, обладающего высокой твердостью (11,5 Гпа HV [84]). Причины этого явления, на первый взгляд, связаны с внедрением избыточной концентрации дефектов при обработке ФИП. Однако нижняя часть полученной структуры на рисунке 10, а также часть, имеющая более большие поперечные размеры (нижняя часть на рисунке 10) не проявили пластических свойств, хотя также подвергались воздействию ФИП. На нижней части рисунка 10 явно видны следы трещин, она проявила свойства твердого вещества. Отсюда можно сделать вывод, что определяющее значение для проявления пластических свойств в данной структуре имел размерный параметр. Часть структуры, перешедшая через размерный порог проявил пластические свойства, в то время как та часть что не перешла – проявила повышенную твердость, в соответствии с классическими представлениями, изложенными в законе Холла-Петча [14] (см. рисунок 1 в разделе 1.1 настоящей диссертационной работы).

Контроль процессов получения многокомпонентных пленок

Один из путей развития микроэлектронной технологии состоит в переходе к использованию новых материалов. Среди них широкое применение получили как материалы, которые не применялись ранее, такие как медь, никель, тантал, гафний, так и легированные пленки, такие как бор-, фосфор- и фторсодержащие силикатные стекла, легированный поликремний и другие, процесс контроля которых был разобран в предыдущем разделе. Также, широкое применение в современной технологии получают многокомпонентные пленки, имеющие сложный нестехиометрический состав, среди которых, например, группа соединений под общим названием «Low-K диэлектрики» и «High-K диэлектрики», среди которых встречаются соединения оксида, нитрида и карбида кремния: SiOC, SiON, SiCN, SiCOH, а также окида и силиката гафния (HfO2, HfxSiyOz), и другие. Обычно, такие пленки получают методом плазмостимулированного осаждения из газовой фазы [91].

Общее у этих материалов то, они представляют собой смесь разнородных материалов, и их стехиометрический состав зависит от условий роста этих пленок. В свою очередь, стехиометрия их состава определяет и их оптические свойства.

Для контроля толщин таких пленок, например, с помощью группы интерферометрических методов, таких как эллипсометрия или спектрофотометрия, необходимо с хорошей точностью знать их оптические свойства. Однако, как уже было сказано выше, оптические свойства данных пленок находятся в зависимости от их состава, который может меняться от одной реализации процесса к другой. Поэтому, для точного измерения толщины таких пленок необходимо одновременно измерять и их оптические свойства. Этот процесс тоже уже был подробно разобран в данной диссертационной работе в предыдущем разделе на основе собственных результатов и в аналитическом обзоре (в разделе 2 главы 1) на основе опубликованных данных.

В этом разделе будет описан выполненный эксперимент, иллюстрирующий как комплексный подход позволяет повысить число одновременно определяемых параметров и какие преимущества это дает для технологии производства изделий микроэлектронной техники. В разделе будет описан процесс контроля операции нанесения пленки SixCyNz, применяющейся в технологии «Low-K» межслойной изоляции современного процесса медной металлизации в качестве диффузионно-барьерного слоя и стоп-слоя для травления. Для этого применена методика спектральной эллипсометрии, в которой определяемыми параметрами были и толщина, и оптические свойства данной пленки. Комплексный подход в данном случае будет заключаться не во взаимодополняющей стратегии применения методик, а в повышении числа одновременно определяемых параметров. В данном эксперименте будет показано, как с помощью метода спектральной эллипсометрии оценивать состав двухкомпонентных пленок, на примере контроля пленки SixCyNz.

Материал пленки SixCyNz может быть представлен как смесь нитрида и карбида кремния стехиометрических составов, в неизвестных пропорциях. Это можно сделать через так называемое приближение эффективной среды. Одна из самых распространенных моделей такого приближения - это модель Бруггемана, в которой комплексная функция диэлектрической проницаемости є многокомпонентного материала представляется в виде суперпозиции комплексных диэлектрических функций каждых из компонент [92], причем вклад каждой из них пропорционален его объемной доли в составе. Где є, ЄА, SB - комплексные функции диэлектрической проницаемости материала и его составных компонент А и В соответственно, а/4 и/В=(1-/А) - их объемные доли соответственно. В случае, когда оптические свойства компонент A и В известны, и при применении спектральной эллипсометрии, состав пленок может быть найден одновременно с их толщиной, путем варьирования толщины и объемной доли одного из компонент при решении обратной задачи. У подобного подхода есть преимущества, так как он позволяет напрямую находить объемные доли компонент, однако его применимость, с физической точки зрения, должна быть проанализирована. Это связано с тем фактом, что в основе модели Бруггемана заложено предположение что материал представляет собой матрицу основного материала, в котором присутствуют макроскопические включения второго материала [93]. Это, а также предположение, что материал остается оптически однородным для электромагнитной волны пока размеры этих макроскопических областей, не превышают длину волны, использовалось для вывода уравнения (2). Эти предположения, выполняются для диэлектрических пленок номенклатура которых была определена в начале данного раздела и включающих «Low-K» и «High-K» материалы, так как для них смешение фаз происходит на атомарном уровне.

В работе [94] было показано, что по крайней мере для полупроводников, модель Бруггемана не позволяет получить достоверный результат и предлагается использование для них модели сплава двух материалов. Отличие этой модели состоит в том, что она представляет функцию диэлектрической проницаемости не в виде вкладов отдельных дискретных компонент, как в модели Бруггемана, а в виде усреднения. Неточности модели Бруггемана особенно сильно проявляются в районе критических точек на графиках дисперсионных зависимостей их оптических свойств [55], т.е. при тех энергиях фотонов, при которых максимальна вероятность того что фотон будет поглощён электронами валентной зоны. Полупроводники обычно имеют критические точки в ближней УФ части спектра, в районе энергий 3-5 эВ (248-410 нм). Таким образом, если измерительная техника использует тот же диапазон спектра, использование модели Бруггемана для полупроводников должно исключаться. В диапазоне энергий ниже (в более длинных волнах), однако, модель работает хорошо [95].

Диэлектрики, по своей природе, имеют критические точки на более высоких энергиях. Это объясняется шириной их запрещенной зоны, которая и определяет их диэлектрические свойства, а также обуславливает прозрачность. Энергии критических точек для них обычно выше 7 эВ, что соответствует длинам волн менее 180 нм, которые редко применяется в спектральных интерферометрических методиках исследования. Для рассматриваемого нами материала SixCyNz, обе составляющие компоненты, SiC и Si3N4 являются диэлектриками. Примененный в исследовании спектральный эллипсометр имел спектральный диапазон 240-780 нм. Для проверки применимости модели Бруггемана в этом диапазоне были экспериментально найдены дисперсионные зависимости показателей преломления и коэффициентов затухания в указанном спектральном диапазоне «чистых» компонент исследуемой пленки, т.е. пленок SiC и Si3N4 (Рисунок 13).

Из представленных графиков видно, что критические точки для Si3N4 отсутствуют, а для SiC находятся в диапазоне длин волн 210-230 нм, т.е. вне интересующего нас спектрального диапазона. Следовательно, модель Бруггемана может быть применена для анализа такой пленки. Из представленных графиков также видно, что для определения объемной доли углерода в пленке можно использовать данные по поглощению материала, так как оно определяется в основном содержанием SiC. Отметим, что в используемых в технологии пленках SiCN содержание углерода не высоко, обычно в пределах 10% по объему. На рисунке 14 представлены рассчитанные по модели Бруггемана оптические свойства рассматриваемой пленки SiCN для различных объемных долей компонентов. Из представленных данных видно, что дисперсионные зависимости претерпевают сильные изменения при изменении состава пленки, особенно для кривой поглощения. Поэтому, можно построить методику оперативной оценки изменения состава пленки по изменению ее оптических свойств.

В технологическом цикле, измерение пленок, входящих в «Low-K» структуру межслойной металлизации, проводится на двойной структуре, содержащей пленки SiCN и SiCOH, последовательно нанесенные поверх слоя меди. При этом, в моделях для эллипсометрических измерений медь выступает в качестве подложки. Слой меди при измерениях в технологическом цикле позволяет избавиться от влияния нижележащих слоев. В данном исследовании, для разработки методики, пленки наносились на кремниевую пластину. Схематическое изображение структуры образца представлено на рисунке 15а. Разработанная методика затем была адоптирована для использования в технологическом цикле путем замены в теоретической структуре кремниевой подложки на медную, т.е. путем подстановки других дисперсионных зависимостей для подложки. Одновременно измеряемыми параметрами являлись: толщина слоя SiCOH, толщина слоя SiCN, объемная доля углерода в пленке SiCN. Номинальные толщины слоев, заданные параметрами процессов, составляли: для SiCN – 85 нм, для SiCOH – 180 нм. На рис. 14 (б) представлены спектральные зависимости основных эллипсометрических величин tg и cos , полученные экспериментально.

Контроль процессов травления

Оперативный технологический контроль процессов травления традиционно осуществлялся, в основном, при помощи определения латеральных размеров получаемых элементов методами растровой электронной микроскопии (РЭМ), а также методами оптической интерферометрии для определения скоростей травления различных материалов. Современную технологию микроэлектроники нельзя более назвать планарной, поэтому появляется необходимость характеризовать весь профиль травления получаемых структур, включая глубину канавок травления и наклон их стенок. Переход к такой трехмерной системе контроля наметился на технологическом уровне 120 нм, на котором аспектное соотношение толщины и длины затвора транзистора перешагнуло пороговое значение, составляющее единицу. Для этого технологического уровня, необходимая воспроизводимость измерения критических размеров составляет 1,8 нм [115]. Для структуры затвора, имеющего аспектное соотношение 1:1, изменение угла наклона стенки на 1о приведет к изменению наблюдаемого размера, измеренного по верху и по низу затвора более чем на 10 % от допустимого на этом технологическом уровне отклонения процесса (Рисунок 26). Разница в размерах, измеряемых по верхнему и по нижнему основанию структуры, из простых геометрических соображений, пропорциональна: где SWA - угол наклона стенки структуры, H - ее высота.

Таким образом, становится необходимым не только измерять критический размер полученного затвора с требуемой воспроизводимостью, но и точно знать, на какой его высоте происходит измерение. Для достижения этого, необходима методика, позволяющая производить измерение полного профиля получаемой трехмерной структуры элементов, включающей измерение их латеральных размеров, толщин и угла наклона стенок. Этого можно достичь по рассматриваемой в работе комплементарной методологии, при помощи подключения атомно-силовой микроскопии (АСМ) для измерения глубин элементов и угла наклона их стенок к уже применяемой методике РЭМ для контроля критических размеров. Однако, применение АСМ для операционного контроля затруднено по следующим причинам. Во-первых, АСМ характеризуется низкой производительностью, и поэтому не полностью удовлетворяет предъявляемым к процессам оперативного технологического контроля требованиям, которые были рассмотрены в разделе 1.2 главы 1 настоящей работы, в частности требованию к оперативности применяемых методик. Во-вторых, АСМ характеризуется нестабильностью получаемого результата, который находится в зависимости от геометрических параметров используемых кантилеверов, а они могут изменяться со временем, в следствие износа. Устранение этого недостатка АСМ возможно, путем увеличения частоты смены кантилеверов, что также снижает производительность контрольной операции.

Рисунок 26. РЭМ-микрофотография затворов, используемых в КМОП-технологии 90 нм, выполненная сразу после операции травления поликремния, на которой отмечен размер структуры, полученный при измерении по верхнему основанию и по нижнему. Угол наклона стенки – 89,25о. Масштабная линейка 200 нм. В данной работе для контроля операций травления предлагается использование методики оптической скаттерометрии [38], которая была описана в разделе 1.2 главы 1 настоящей диссертационной работы и которая позволяет проводить полную трехмерную характеризацию получаемых структур [40]. Скаттерометрия активно применяется для контроля критических размеров в фотолитографических процессах [39] и процессах травления [40]. В связи с тем, что в настоящее время российские микроэлектронные предприятия активно переходят на технологические нормы порядка 100 нм, они начали активно внедрять методику оптической скаттерометрии в качестве средства эффективного контроля технологических процессов. В частности, этой методикой обладают предприятия ПАО «Микрон» и ОАО «Ангстрем-Т». Необходимые размеры решетки для скаттерометрии определяются размером светового пятна на образце и точностью позиционирования этого пятна, и для современных приборов могут составлять величины порядка 50х50 мкм [41], что позволяет встроить контрольную площадку под эту методику в дорожку скрайбирования между кадрами мультипликации, не занимая дополнительной полезной площади на пластине.

Как уже отмечалось в разделе 1.2 главы 1 настоящей диссертационной работы, для использования скаттерометрии для контроля того или иного технологического процесса требуется построить оптико-геометрическую схему (модель), которая должна с хорошей точностью отражать исследуемый объект. Сама по себе методика способна лишь уточнять параметры этой схемы, находя соответствие между моделью и экспериментальными данными используя численные методы [46]. Для разработки начальной оптико-геометрической модели для скаттерометрии необходимо с хорошей точностью охарактеризовать параметры образца и принять во внимание диапазоны возможных изменений этих параметров, которые могут возникать при многократных реализациях технологических процессов их формирования. Это достигается с помощью использования комплексного использования перекрестных методов, система которых и является предметом рассмотрения настоящей диссертационной работы.

В данном разделе рассматривается процесс построения такой оптико-геометрической схемы образца для применения методики скаттерометрии для контроля процесса травления щелевой изоляции технологии производства КМОП ИС с проектными нормами 180 нм. Также, в разделе исследуется нижняя граница применимости данной методики. Геометрическая схема образца строилась с помощью перекрестных методов контроля, а оптические свойства пленок для использованных в структуре материалов были получены экспериментально, с помощью комбинированной методики, описанной в [66]. Ранее, в технологическом цикле для контроля критического размера использовался специализированный электронный микроскоп для измерения критических размеров CD-SEM (Critical Dimension Scanning Electron Microscope). Результат такого контроля представлен на рисунке 27. Оценка других параметров структуры, а именно глубины канавок травления и угла наклона ее стенок, на регулярной основе не проводилась. Рисунок 27. РЭМ-изображение канавок травления щелевой изоляции. Указана ширина канавки травления для одной из контрольных точек. Операция исключена после модернизации операции контроля с применением комбинированной методики оптической скаттерометрии.

Образцы для данного исследования готовились следующим образом. Кремниевая пластина с кристаллографической ориентацией (100) окислялась термически до толщины 12–13 нм. Затем в диффузионной печи наносился нитрид кремния толщиной 160 нм. Оптические параметры входящих в исследуемую структуру пленок, т.е. дисперсионные зависимости показателей преломления n и поглощения k в используемом спектральном диапазоне (для данного исследования 250-800 нм) являются справочными данными [116]. Однако для тонких пленок значения этих параметров могут отличаться от табличных значений. Как показал эксперимент, это особенно необходимо учитывать для пленки нитрида кремния. Поэтому, для уточнения дисперсионных зависимостей его оптических свойств изготавливался отдельный образец данной пленки, осажденный на кремниевую подложку в режимах, аналогичных технологическому процессу формирования щелевой изоляции. Уточненные оптические зависимости, полученные комплементарным методом, предполагающим совместное использование спектральной эллипсометрии и рентгеновской рефлектометрии по методике, описанной в [66], а также, для сравнения, табличные данные из [116], представлены на рисунке 28.

В описываемом эксперименте результирующие значения толщин пленок составили 159,1 нм для нитрида кремния и 12,8 нм для его оксида.