Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для контроля качества различных слоев и активных поверхностей при операционном контроля в процессе производства различных изделий микроэлектроники.
При изготовлении и исследовании изделий микроэлектроники актуальна задача операционного неразрушающего контроля качества используемых материалов, например, подложек или различных проводящих и диэлектрических слоев, активных поверхностей, получаемых на различных этапах создания изделий микроэлектроники.
Актуальность задачи резко возрастает при переходе к субмикронной и нано-технологиям.
Известен способ контроля качества изделий микроэлектроники [1] включающий задание напряжения смещения на контролируемом объекте и измерение уровня фликкерного шума тока [1] f шума, протекающего через объект, при этом по уровню фликкер-шума прогнозируется надежность изделий.
Указанный способ обладает низкой чувствительностью и позволяет прогнозировать надежность лишь готовых изделий. Способ невозможно использовать для операционного контроля изделий микроэлектроники в процессе их производства, а также для исследования твердых тел.
Наиболее близким к предлагаемому является способ контроля качества высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) керамики, включающий задание напряжения смещения на контролируемом объекте и определение уровня фликкер-шума тока, протекающего через объект [2] Для задания тока через контролируемый объект в автоэлектронный микроскоп помещают эмиттер из исследуемой ВТСП-керамики и по характеристикам низкочастотных флуктуаций полевого тока определяют время деградации ВТСП-керамики. Результаты измерения фликкер-шума с помощью автоэлектронного микроскопа позволяют проводить анализ поверхностных и объемных процессов в твердотельных эмиттерах.
Однако этот способ обладает низкой чувствительностью, в частности не позволяет определять локальные микродефекты в исследуемом материале. Кроме того, он не позволяет осуществлять контроль качества диэлектрических слоев и поверхностей реальных структур микроэлектронных устройств.
Задача изобретения создание способа неразрушающего контроля с повышенной экспрессностью измерений позволяющего расширить класс исследуемых материалов до туннельно-прозрачных диэлектриков.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе контроля, включающем приложение постоянного потенциала на образце относительно подложки, определение величины, фликкер-шума тока, протекающего через образец и оценку годности по измеренному шуму, задание потенциала на контролируемом объекте осуществляют с помощью иглы растрового туннельного микроскопа (РТМ), уровень фликкер-шума измеряют в полосе частот 0,5 1,5 кГц, а о годности образца судят на основе сравнения уровня шума системы образец туннельный зазор - игла с уровнем шума системы эталонный образец туннельный зазор игла.
Между контролируемым образцом и иглой РТМ устанавливается зазор порядка 10 
, задается напряжение смещения на системе контролируемый объект - туннельный зазор игла (напряжение на образце относительно иглы), при этом в системе образец туннельный зазор игла, возникает ток, обусловленный процессом туннелирования электронов. Для диагностирования состояния поверхности контролируемого образца измеряется фликкер-шум в системе образец - туннельный зазор игла, и сравнивается с величиной шума в системе эталонный образец туннельный зазор игла.
Повышение полезного сигнала при измерении уровня фликкер-шума при использовании РТМ объясняется тем, что туннельный ток протекает через весьма малую область на поверхности образца. В зависимости от радиуса острия иглы, используемых материалов, режима работы РТМ удается получить эффективную область на поверхности образца диаметром 
.
Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, существенное влияние на величину туннельного тока оказывает лишь эффективная область вблизи контакта объемом порядка 10 х 10 х 10 нм.
Для низкочастотных фликкерных флуктуаций эмпирическое уравнение Хуга дает следующую зависимость для величины SI(f)/I2 от числа носителей, участвующих в создании тока:
где SI(f) спектральная плотность токового шума, I ток, αн - постоянная Хуга, f частота, N число носителей.
Из приведенной математической формулы следует, что относительная величина флуктуаций тока обратно пропорциональна числу носителей, т.е. эффективному объему исследуемого материала. Следовательно, применение РТМ при изменении уровня фликкер-шума позволяет повысить величину полезного сигнала на входе измерителя по сравнению с другими методами измерения при прочих равных условиях (для данного материала, заданной плотности и т.п.).
Таким образом, использование РТМ при измерении уровня фликкер-шума позволяет повысить отношение сигнал-шум измерителя и тем самым увеличить полезный сигнал.
Для полупроводниковых материалов РТМ позволяет уменьшить эффективный объект при измерении фликкер-шума по крайней мере на 2 3 порядка, соответственно возрастает уровень полезного сигнала на входе измерителя. Для металлов или ВТСП-керамики, как в прототипе, следует судить об эффективной площади на поверхности образца из-за эффекта экранирования поля. В прототипе активной является вся поверхность эмиттера, поэтому РТМ позволяет уменьшить эффективность площадь на поверхности объекта на несколько порядков и повысить уровень полезного сигнала.
Возникновение фликкер-шума связано и с различными дефектами. Доля шумового тока Iш, обусловленного влиянием локального дефекта, в суммарном токе IΣ, протекающем через исследуемую поверхность, определяется отношением площади дефекта Sдеф и общей площади поверхности SΣ, через которую протекает ток
Для РТМ это соотношение близко к максимально возможному единице. Поэтому, применение РМТ позволяет повысить чувствительность при измерении уровня фликкер-шума по сравнению с интегральными методами измерения, что также объясняется локальностью воздействия на объект. Указанное соотношение характеризует фактически чувствительность способа к отдельным локальным дефектам.
Локальность воздействия в РМТ позволяет также создавать при измерении уровня фликкер-шума высокие плотности тока, не вызывая деградационных изменений в исследуемом материале благодаря интенсивному теплообмену.
Экспоненциальная зависимость туннельного тока от потенциала на поверхности (работы выхода) и расстояния между иглой и поверхностью обуславливает "транзисторный эффект" высокую чувствительность способа к изменению потенциала на поверхности и локального воздействия.
На чертеже представлена блок-схема устройства.
Устройство (растровый туннельный микроскоп РТМ) содержит пьезодвигатель 1, на котором закреплена игла 2. На исследуемый образец 2 пленку, нанесенную на проводящую подложку, подается напряжение смещения от программируемого источника 4. Туннельнный ток, протекающий через систему игла туннельный зазор объект (или эталонный объект), подается на преобразователь "ток - напряжение" 5, к выходу которого подключены интегратор 6, определяющий полосу пропускания канала слежения микроскопа, и усилитель 7 канала измерения уровня шума. С выхода интегратора сигнал подается на высоковольтный усилитель 8, к выходу которого подключен пьезодвигатель (внутренняя обкладка цилиндрического пьезоманипулятора). При обычном режиме работы РТМ сигнал с выхода интегратора подается также на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, на входе которого имеется двухканальный коммутатор. В режиме измерения шума сигнал с выхода преобразователя "ток-напряжение" подается на полосовой фильтр 10 и далее на детектор 11. С выхода детектора однополярный сигнал подается на второй вход коммутатора АЦП. Таким образом, выбор режимов работы РТМ осуществляется переключением коммутатора АЦП.
На внешние обкладки пьезодвигателя, обеспечивающие перемещение иглы в горизонтальной плоскости по осям "Х" и "Y", подается напряжение развертки. Управление работой устройства и сбор информации осуществляется с помощью ЭВМ.
При реализации предложенного способа контролируемый (или эталонный) образец 3 помещают в РТМ и, подводя к поверхности объекта иглу 2 РТМ, создают систему объект туннельный зазор игла, при этом микроскоп должен работать в режиме поддержания постоянного туннельного тока. Таким образом, задание напряжения смещения на объекте (Uo) и измерение уровня фликкер-шума, протекающего через объект тока, осуществляется с помощью РТМ. Уровень фликкерного шума измеряется в полосе частот от 0,5 до 1,5 кГц, определяемой полосовым фильтром 10. Коэффициент усиления в канале измерения шума изменяется в пределах 105 107.
Канал измерения шума, как это видно из блок-схемы, не входит в цепь обратной связи РТМ и не изменяет режима его работы. Поэтому, кроме определения поверхностного распределения мощности фликкер-шума, одновременно можно проводить стандартные для РТМ измерения, например, топографические.
Измерения уровня фликкер-шума, также как и топографические измерения, проводятся в точках (локально) при неподвижной игле микроскопа. Для получения достоверных статистических результатов измерения проводят по большой площади исследуемого объекта, в пределах поля зрения РТМ (при необходимости в нескольких кадрах). Число измерений определяется требуемой точностью.
По результатам измерений определяются математическое ожидание и дисперсия для уровня шума. В зависимости от поставленной задачи может быть проведена отбраковка исследуемых образцов по среднему значению уровня шума, а значит и дефектности, по неоднородности распределения уровня шума (степени дефектности) по поверхности образца, а также по максимальному значению уровня фликкер-шума, т. е. по наличию ярко выраженных локальных дефектов. Возможно проведение спектральных измерений и получение с помощью Фурье-анализа спектров фликкер-шума в отдельных точках.
Выбор критериев для оценки качества объекта производится с использованием стандартных методов статистической обработки результатов измерений.
Пример. Для реализации предложенного способа использовался РТМ с трубчатым пьезодвигателем. Поле зрения микроскопа составляло X х Y 4 х 4 мкм, диапазон слежения по оси Z составлял DZ 1,2 мкм. Игольчатый электрод РТМ был изготовлен из вольфрамовой проволоки ВРН диаметром 1 мм, длиной 6 мм. Острие иглы диаметром не более 10 нм было получено электрохимическим травлением, диаметр и форма острия контролировались на растровом электронном микроскопе. Применение в РТМ иглы с диаметром острия менее 10 нм позволило получить на поверхности образца эффективную область локального воздействия диаметром не более 5 нм.
Режим измерения: постоянное смещение Uсм 0,2 В; туннельный ток Im 1,0 нА; полоса пропускания петли обратной связи РТМ 0 200 Гц; полоса измерения шума 0,5 1,5 кГц.
Предложенным способом исследовались пленки Мо, осажденные методом магнетронного распыления на подложке окисленного кремния при давлении аргона Par в камере установки распыления Par 7 • 10-3 Па при температуре подложки +330oC. Пленки осаждали при мощностях разряда W1 2,4 кВт (высокая скорость осаждения) и W2 1,0 кВт (низкая скорость осаждения). Пленки были сплошными и имели положительный ТКС α = 3 10-3K-1. Толщина пленки, полученной при низкой скорости осаждения (W2 1 кВт) составила 247 нм, полученной при высокой скорости осаждения W1 2,4 кВт) 167 нм.
Кроме шумовых измерений были проведены структурные исследования пленок методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии. Пленка, осажденная с низкой скоростью, не имела четко выраженной структуры, зерна материала были расположены равномерно по поверхности пленки, средний размер зерен 30 40 нм. Пленка, осажденная с высокой скоростью, имела четко выраженную текстуру с ориентацией (110) и содержала зерна размером 40 80 нм.
Уменьшение размера зерен в пленках, полученных с малой скоростью осаждения, объясняется влиянием реактивных газов на структуру пленки - уменьшение концентрации примесей реактивных газов в пленке с ростом скорости осаждения способствуют образованию более равномерной структуры с большими размерами зерен и концентрацией дефектов, в первую очередь вакансий, которые располагаются по границам зерен.
Это нашло подтверждение при испытаниях пленки на электромиграционную стойкость. Установлено, что крупнозернистая пленка обладает большей стойкостью к электромиграциям, т.е. обладает меньшей дефектностью, чем мелкозернистая пленка.
По результатам измерений установлено, что среднее значение спектральной плотности мощности шума SI в полосе частот 0,5 1,5 кГц составляло для системы: крупнозернистая пленка туннельный зазор игла SI(f) 10 рА/Гц, а при мелкозернистой пленке SI 103 рА/Гц (крупнозернистая пленка использовалась в качестве эталонного образца).
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет осуществить контроль поверхностей реальных структур микроэлектронных устройств, а также туннельно-прозрачных диэлектрических слоев.
Благодаря уменьшению эффективной области на поверхности исследуемого образца на 2 3 порядка в сравнении с прототипом, предложенный способ обеспечивает увеличение полезного сигнала при измерении уровня фликкер-шума, а следовательно, и точности контроля качества исследуемого объекта.
Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для контроля качества проводящих пленок. Сущность изобретения: качество пленки определяют на основании величины измеренного фликкер-шума, тока проходящего через пленку и измеренного с помощью иглы растрового туннельного микроскопа. 1 ил.
Способ оценки годности проводящей пленки, включающий приложение к пленке постоянного потенциала относительно подложки, измерение величины фликкер-шума тока, протекающего через проводящую пленку и оценку годности проводящей пленки, отличающийся тем, что постоянный потенциал подают с помощью иглы растрового туннельного микроскопа, а в качестве величины фликкер-шума тока измеряют фликкер-шум туннельного тока в полосе частот 0,5 1,5 кГц для эталонной проводящей пленки и проводящей пленки, при этом оценку годности проводящей пленки производят относительно эталонной проводящей пленки.
| Пряников В.С | |||
| Прогнозирование отказов полупроводниковых приборов, "Энергия", М., 1978, стр.209-214 | |||
| Материалы докладов Всесоюзной научно-технической школы, "Союзприбор", М., 1990, стр.52-53. |
