СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ПЛЕНКИ Российский патент 1997 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для контроля качества туннельно-прозрачных диэлектрических пленок, проводящих слоев и поверхностей проводящих полупроводниковых подложек, применяемых при изготовлении изделий микроэлектроники, например, интегральных микросхем.

Известен способ определения качества диэлектрической пленки, заключающийся в том, что на нанесенную на проводящую подложку диэлектрическую пленку накладывают перемещающийся щуп, подключают щуп и подложку через резисторы к источнику питания, к измерительным резисторам подключают фильтры нижних и верхних частот и измеряют величину низкочастотного и высокочастотного сигналов, проходящих через пленку. Отношение указанных сигналов представляет собой нелинейность диэлектрика, по которой и оценивают дефектность диэлектрика.

Указанный способ позволяет выявлять дефекты, вызывающие протекание токов утечки через диэлектрическую пленку. Однако точность оценки дефектности невелика из-за несовершенства контакта щуп пленка. Невелика и производительность процесса из-за ограниченной скорости механического перемещения щупа. Кроме того, существует возможность механических повреждений пленки перемещающимся щупом.

Известен способ контроля качества диэлектрических пленок, нанесенных на проходящую подложку, включающий задание тока через контролируемую пленку путем воздействия на нее потоком электронов, регистрацию протекающего через пленку тока и определение нелинейности пленки. Контролируемую пленку перед регистрацией тока облучают импульсным электронным лучом, параметры которого отвечают определенным условиям.

Данный способ является неразрушающим и не приводит к механическому повреждению контролируемых пленок. Однако его разрушающая способность и чувствительность также невелики, особенно при контроле локальных точечных дефектов. Производительность его также невелика, поскольку требуется создание вакуума. Кроме того, указанным способом нельзя оценить качество проводящих пленок или поверхностей проводящих подложек.

Известен способ определения неоднородности проводимости полупроводниковых слоев, заключающийся в установке зонда над поверхностью полупроводника с определенным зазором, приложении напряжения прямой, а затем обратной полярности между зондом и полупроводником, измерения ВАХ и сканирования по поверхности образца. Тип проводимости локального участка полупроводникового слоя определяют по ВАХ. Этот способ является прототипом изобретения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа определения неоднородности пленок обеспечивающегося повышение локальности, достоверности измерения и расширения класса исследуемых материалов, включая туннельно-прозрачные диэлектрики.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения неоднородности, включающем создание системы зонд-зазор-образец, подачу постоянного напряжения на образец, измерение тока в этой системе и сканирование по поверхности пленки в качестве зонда используют иглу туннельного растрового микроскопа (РТМ), постоянное напряжение модулируют с частотой f_в<f<3 кГц, где f_в верхняя граница полосы пропускания РТМ, измеряют туннельный ток на частоте 3f, а с неоднородности пленки судят на основе сравнения измеренного тока в системе образец - туннельный зазор игла.

С помощью туннельной микроскопии обеспечивается получение минимально достижимой в настоящее время локальности воздействия на образец. В зависимости от режима работы (величины туннельного тока, напряжения на туннельном зазоре), размеров острия иглы, а также используемых материалов, обеспечивается получение эффективной области, через которую протекает туннельный ток, диаметром в пределах 0,1 100 А.

Размер эффективной области воздействия непосредственно определяет разрешающую способность измерений.

Минимальная область воздействия на образец позволяет повысить достоверность при определении неоднородности образца. Это объясняется тем, что при наличии в объекте локальных дефектов использование данного метода позволяет повысить отношение:
,
где I_g ток, протекающий через дефектную область;
I_Σ полный ток, протекающий через объект;
S_g площадь поверхности, соответствующая дефектной области;
S_Σ суммарная площадь поверхности объекта, через которую протекает ток;
s_п проводимость.

Минимальные размеры области воздействия позволяют создавать высокие локальные плотности тока через образец, не вызывая в нем при этом катастрофических изменений, так как перегрева области воздействия из-за интенсивного теплообмена не происходит. Увеличение амплитуды сигнала воздействия позволяет получить увеличение амплитуды сигнала отклика.

Предложенный способ позволяет увеличить производительность измерений, поскольку все измерения проводят не в вакууме, а на воздухе.

На чертеже изображена блок-схема устройства для осуществления способа.

Устройство + растровый туннельный микроскоп (РТМ) содержит пьезодвигатель 1, на котором закреплена игла 2. На исследуемый объект 3 пленку, нанесенную на проводящую подложку, подается напряжение смещения от программируемого источника 4. Для модуляции напряжения смещения к источнику 4 подключен генератор синусоидального напряжения 5. Туннельный ток, протекающий через систему игла туннельный зазор объект, подается на преобразователь "ток-напряжение" 6. К выходу преобразователя подключен интегратор 7, определяющий полосу пропускания канала слежения микроскопа, полосовой усилитель 8, настроенный на 3-ю гармонику модулирующей частоты. С выхода интегратора сигнал подается через усилитель 9 на пьезодвигатель 1. При обычном режиме работы микроскопа сигнал с выхода интегратора подается также на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, имеющий коммутатор на входе. В режиме измерения нелинейности на 2-й вход коммутатора АЦП подается через полосовой усилитель и детектор 11 сигнал 3-ей гармоники модулирующей частоты. Выбор режимов работы осуществляется переключением коммутатора. Управление работой устройства и сбор информации осуществляются с помощью ЭВМ.

На объект, кроме постоянного смещения U_o, подают синусоидальное напряжение U₁ 0,1 U_o частоты f, которую выбирают из условия , где f_в верхняя граница полосы пропускания РТМ.

Нелинейность системы образец (эталонный образец) туннельный зазор - игла определяют методом 3-ей гармоники путем выделения из туннельного тока составляющей частоты 3f аппаратно-программными средствами РТМ. Неоднородность объекта определяют путем сравнения измеренных параметров этих систем.

П р и м е р. Предлагаемым способом исследовались пленки M_o, полученные методом магнетропного распыления при давлении аргона в камере P_ar 7•10^-3 Па при температуре подложки 330^oC. Пленки осаждают на подложки из окислительного кремния при двух мощностях разряда W₁ 2,4 кВт (высокая скорость осаждения) и W₂ 1 кВт (низкая скорость осаждения). Пленки были сплошными и имели положительный ТКС α ≈ 3 10^-3K^-1. Толщина пленки, полученной при малой скорости осаждения (W₂ 1 кВт) составляла h 247 нм. Толщина пленки, полученной при высокой скорости осаждения (W₁2,4 кВт) h 167 нм.

Были проведены структурные исследования пленок молибдена методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии. Пленка осажденная с малой скоростью, не имела четко выраженной текстуры. Зерна материала расположены равномерно по поверхности пленки, средний размер зерен d≈30 нм. Пленка, полученная с высокой скоростью осаждения, содержала зерна со средним размером d≈40 нм.

Максимальный размер зерен достигал d≈80 нм. Пленка имела четко выраженную текстуру с ориентацией (110). Уменьшение размера зеpен в пленках, полученных с малой скоростью осаждения, объясняется влиянием реактивных газов на структуру пленки. Уменьшение концентрации способствует образованию более равновесной структуры с большими размерами зерен и меньшей концентрацией дефектов различных видов, и, прежде всего, вакансий, которые располагаются в основном на границах зерен.

Для подтверждения последнего положения, пленки М₀ были подвергнуты испытаниям на электромиграционную стойкость. Установлено, что крупнозернистая пленка М₀ обладает большей стойкостью к электромиграциям, а значит, меньшей дефектностью, что мелкозернистая.

При исследовании пленок М_о предлагаемым способом использовался РМТ с трубчатым пьезодвигателем. Поле зрения РТМ составляло X • Y 4 мкм • 4 мкм, диапазон слежения по оси Z составлял ΔZ 1,2 мкм.

Игольчатый электрод РТМ был изготовлен из вольфрамовой проволоки ВРН диаметром 1 мм, длиной 6 мм. Острие с диаметром не более 100 А было получено электрохимическим травлением. Диаметр острия контролировался на растровом электронном микроскопе (РЭМ). Применение в РМТ электрода с диаметром острия d ≅ 100 А позволило получить на поверхности пленки эффективную область локального воздействия с диаметром не более 50 А.

Режим измерения:
постоянное смещение на пленке U_см 0,2 В;
туннельный ток I_m 1 нА;
полоса пропускания петли обратной связи РМТ О 200 Гц;
частота модулирующего напряжения на пленке f_м 1 кГц;
амплитуда модулирующего напряжения на пленке U_м 50 мВ.

Для проведения измерений по предложенному способу контролируемые образцы с полученными пленками (эталон и исследуемый образец) помещают поочередно в РТМ. После задания режима измерения, иглу РТМ подводят к поверхности пленки на расстояние, при котором между иглой и пленкой возникает туннельный ток заданной величины. РТМ работал в режиме поддержания постоянного туннельного тока, поэтому расстояние между иглой и поверхностью пленки поддерживалось постоянным при измерениях. Частоты модулирующего напряжения и его гармоник, возникающих при протекании тока через систему пленка туннельный зазор - игла, лежат за пределами полосы пропускания петли обратной связи РТМ.

Поэтому процесс измерения нелинейности системы пленка туннельный зазор игла методом 3-й гармоники не нарушает режима слежения РТМ и не изменяет расстояния (зазора) между иглой и пленкой. Для регистрации компонент туннельного тока, содержащих первую и третью гармоники модулирующей частоты, усиленный сигнал снимается после предварительного усилителя РТМ перед фильтром, определяющим полосу пропускания РТМ. Измерение уровня третьей гармоники модулирующего сигнала, также как и топографические измерения, проводят в точках, при неподвижной игле РТМ. Статистический характер результатов измерений по площади пластины требует проведения большого числа измерений. Измерения проводятся в пределах поля зрения РТМ (при необходимости в нескольких кадрах). Число измерений определяется требуемой точностью. По результатам измерений определяют математическое ожидание и дисперсия для уровня 3-й гармоники модулирующей частоты. В зависимости от поставленной задачи, по результатам измерений можно проводить отбраковку исследуемых образцов по среднему значению неоднородности, а значит и дефектности, степени дефектности по поверхности образца, а также по наличию ярко выраженных локальных дефектов.

Выбор критериев для оценки качества объекта производится с использованием стандартных методов статистической обработки результатов эксперимента.

По результатам измерений было установлено, что средний уровень 3-й гармоники для пленки М_о с мелким зерном на 40 дБ выше, чем у пленки с крупным зерном (крупнозернистая пленка была использована в качестве эталона).

Среднеквадратичное отклонение

где σ² дисперсия;
U_i уровень 3-й гармоники при i-м измерении;
среднее значение уровня 3-й гармоники.

Уровень 3-й гармоники для мелкозернистой пленки на 20 дБ выше, чем для эталона.

Для проверки эффективности (объективности) предлагаемого метода контроля были проведены исследования пленок М₀ по способу, описанному в прототипе. Было установлено, что уровень нелинейности для мелкозернистой пленки превышает уровень нелинейности для крупнозернистой пленки (эталона) всего на 10 дБ.

Использование предложенного способа помимо увеличения достоверности, локальности и производительности контроля обеспечивает контроль для туннельно-прозрачных диэлектрических пленок.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для определения неоднородности пленок. Сущность изобретения: при определении неоднородности пленки используют туннельный микроскоп, при этом к переходу игла-пленка-подложка одновременно с постоянным напряжением прикладывают переменное напряжение, а о неоднородности пленки судят по величине туннельного тока. 1 ил.

Способ определения неоднородности пленки, включающий подачу напряжения на поверхность пленки, сканирование поверхности пленки постоянным напряжением, измерение тока при сканировании, оценку неоднородности пленки, отличающийся тем, что постоянное напряжение прикладывают с помощью иглы растрового туннельного микроскопа при одновременной подаче переменного напряжения на частоте f_b<f≅3 кГц, где f_b верхняя граница полосы пропускания растрового туннельного микроскопа, а в качестве измеряемого тока выбирают туннельный ток на частоте 3f, при этом оценку неоднородности пленки производят по величине этого тока относительно эталонного образца.