СПОСОБ ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТОПОГРАФИЧЕСКОГО РЕЛЬЕФА, МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФЕКТНОСТИ ПЛЕНОК НА ПОДЛОЖКАХ Российский патент 2021 года по МПК G01N21/21 G01B11/16 G01N21/88 

Изобретение относится к неразрушающей измерительной технике, а именно к оптическим способам измерения и контроля дефектности, механических напряжений и сопутствующих параметров в пленках и структурах на их основе.

Основная область применения изобретения - это межоперационный контроль механических напряжений и структурной дефектности (локальных всплесков внутренних механических напряжений), а также сопутствующих параметров - топографического рельефа (локальных радиусов кривизны поверхности) - в функциональных слоях (пленках) и структурах на их основе, формируемых в производстве микроэлектронных приборов. Следует отметить, что в связи с интенсивным развитием мембранных технологий микроэлектроники, разработка таких неразрушающих способов контроля является актуальной и практически важной задачей.

Известен способ определения механических напряжений в пленках по формуле Стоуни на основе измеренных данных о радиусе кривизны поверхности пластины с пленкой, полученных, например, методом оптической профилометрии [1, 2]:

где σ - величина механических напряжений в пленке, d_ƒ - толщина пленки, d_s - толщина подложки, ν - коэффициент Пуссона подложки, E_s - модуль Юнга подложки, R - эффективный радиус кривизны подложки с пленкой. R=(R₁⋅R₂)/(R₁-R₂), где R₁ - радиус кривизны подложки до нанесения на нее пленки, R₂ - радиус кривизны подложки после нанесения на нее пленки. В большинстве практических случаев R₁>>R₂ и R≈R₂.

Недостатками данного способа являются: необходимость регулярного применения оборудования для определения топографии поверхности, ограниченная возможность и значительная длительность получения карты распределения механических напряжений по поверхности пластины. Это делает неприменимым использование указанного способа в качестве способа межоперационного контроля в производстве микроэлектронных приборов.

Известен способ контроля дефектности диэлектрических пленок, вызванной механическими напряжениями, который включает эллипсометрические измерения их показателя преломления [3]. В этом способе о дефектности в пленке, вызванной механическими напряжениями, судят по изменению ее показателя преломления, определяемого до и после деформации пластины с пленкой путем осесимметричного изгиба посредством кольцевого пуансона с микрометрическим перемещением.

Недостатками данного способа являются: необходимость осуществления искусственной деформации пластин на специальном стенде, а также проведение эллипсометрических измерений дважды. Это делает нежелательным применение указанного способа для оперативного межоперационного контроля в связи с наличием высокого риска повреждения рабочих структур при осуществлении искусственной деформации.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ контроля дефектности пленок кремния на диэлектрических подложках, включающий эллипсометрические измерения показателя преломления пленок [4]. При этом измерения показателя преломления выполняют при различных положениях подложки, устанавливаемых путем ее вращения на столике вокруг нормали к поверхности на определенные углы поворота, связанные с кристаллической ориентацией подложки. Далее по измеренным значениям показателя преломления определяют коэффициент его анизотропии:

где n_max и n_min - максимальное и минимальное значение показателя преломления пленки при вращении подложки. С помощью калибровки посредством рентгеновского дифрактометра в пленках кремния определяют максимальные значения механических напряжений и концентрации дефектов, которые приводят к разрушению структуры. Эти значения сравнивают с максимальным значением коэффициента анизотропии A_max. Определяют максимальное значение коэффициента анизотропии A_max=0,17 (значение отбраковки), выше которого пленки считают негодными и отбраковывают из-за высоких уровней механических напряжений и дефектности. Годными считают структуры с пленками, для которых А<A_max.

Недостатками прототипа являются: необходимость проведения многократных измерений показателя преломления исследуемой структуры, что увеличивает время измерений; неприменимость на эллипсометрах без вращающегося столика; а также длительность и сложность процедуры предварительной калибровки значений механических напряжений и дефектности посредством дорогостоящего рентгеновского дифрактометра.

Указанные недостатки не позволяют использовать прототип для оперативного межоперационного контроля механических напряжений и дефектности в функциональных слоях и структурах, формируемых в производстве микроэлектронных приборов.

Задача настоящего изобретения - значительно уменьшить время, сложность и стоимость контроля дефектности и механических напряжений в функциональных слоях и структурах до уровня, приемлемого для межоперационного контроля, а также расширить номенклатуру измеряемых сопутствующих параметров за счет определения топографического рельефа (локальных радиусов кривизны поверхности) исследуемых структур.

Суть настоящего изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе эллипсометрического контроля топографического рельефа, механических напряжений и дефектности пленок на подложках, включающем эллипсометрические измерения показателя преломления на локальных участках пленки по поверхности подложки, на каждом участке пленки проводят однократное определение толщины d_ƒ и показателей преломления исследуемой пленки, одновременно двух лучей обыкновенного n_o и необыкновенного n_e, по которым рассчитывают значения величины двойного лучепреломления Δn:

карту механических напряжений σ и вызванных ими дефектов в пленке по поверхности подложки определяют по закону фотоупругости [5, 6]:

где k - упругооптическая постоянная, значения которой для исследуемой пленки предварительно калибруют по формуле:

с использованием величины σ, определенной по формуле Стоуни;

а топографический рельеф - локальные радиусы кривизны поверхности - определяют по величине двойного лучепреломления Δn и толщине слоя d_ƒ с использованием вышеприведенных соотношений.

Новым, не обнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы, в заявляемом способе является то, что на локальных участках пленки по поверхности подложки посредством автоматического пошагового перемещения столика эллипсометра проводят однократное определение толщины d_ƒ и показателей преломления исследуемой пленки, одновременно двух лучей обыкновенного n_o и необыкновенного n_e, по которым рассчитывают значения величины двойного лучепреломления Δn. Данная процедура производится в процессе межоперационного контроля толщины пленок и не требует дополнительных затрат времени и манипуляций с исследуемой структурой. Также новым является возможность контроля топографического рельефа посредством эллипсометрии.

Оценка сопоставимости топографии поверхности и двойного лучепреломления показана на примере структуры со слоем SiO₂ толщиной 450 нм, сформированном на кремниевой подложке. Топография поверхности анализировалась посредством оптического профилометра Veeco Wyko NT 9300, представлена на Фиг. 1. Толщина слоев и оптические характеристики определялись на спектральном эллипсометре Horiba Auto SE, распределение разницы показателей преломления Δn представлено на Фиг. 2 (а - численные значения, б - цветовое отображение). Можно видеть наличие двух локальных возвышенностей на пластине, расположение которых совпадает на Фиг. 1 (показаны темно-красным цветом) и Фиг. 2 (показаны синим цветом). Данные распределения можно использовать для последующего расчета и анализа распределения механических напряжений, локальных радиусов кривизны и оценки дефектности пленок.

Способ включает в себя следующие действия:

1) эллипсометрические измерения для определения одновременно толщины пленки d_ƒ и величины двойного лучепреломления Δn=(n_o-n_e);

2) однократное определение величины упрогооптической постоянной k, характеризующей материал исследуемой пленки;

3) расчет механических напряжений исходя из величины двойного лучепреломления Δn и упрогооптической постоянной k;

4) анализ и построение контрольных карт распределения следующих параметров по поверхности пластины: двойного лучепреломления, механических напряжений, дефектности пленки, локальных радиусов кривизны поверхности.

Мощное программное обеспечение современных спектральных эллипсометров позволяет с использованием выражения (1), (4) оперативно строить контрольные карты распределения механических напряжений, толщины, локальных радиусов кривизны (топологического рельефа) и плотности дефектности в пленках по всей площади исследуемой пластины. Таким образом, предложенный способ может быть эффективно использован в качестве наглядного и многофункционального межоперационного контроля параметров пленок в процессе производства микроэлектронных приборов.

Реализация предложенного способа с целью оценки величины механических напряжений σ показана на примере пластин со слоем SiO₂, сформированным на установке Novellus в процессе плазмоактивированного химического осаждения из газовой фазы (PECVD осаждение) на кремниевых подложках толщиной 675 мкм и диаметром 150 мм. Толщина слоев, радиус кривизны и среднее значение разницы показателей преломления Δn представлены в Таблице 1.

Данные по образцу №1 использовались для вычисления упругооптической постоянной k для данного слоя SiO₂, полученного методом PECVD осаждения. Расчет механических напряжений σ по формуле (1) производился с учетом того, что E/(1-ν)=1,81⋅10¹¹ Па. Коэффициент k составил 0,0114 [1/ГПа].

Используя определенное значение упругооптической постоянной k и измеренные величины двойного лучепреломления Δn, были рассчитаны значения механических напряжений σ (6 столбец Таблицы 1), которые соответствуют данным, полученным по формуле Стоуни (5 столбец Таблицы 1).

Источники информации

1. Stoney G.G. The Tension of Metallic Films Deposited by Electrolysis // Proceedings of the Royal Society of London. Series A., 1909. - Vol. 82, Is. 553. - C. 172-175.

2. Дюжев H.A., Дедкова A.A., Гусев Е.Э., Новак А.В. Методика измерения механических напряжений в тонких пленках на пластине с помощью оптического профилометра // Известия высших учебных заведений. Электроника. - 2016. - Т. 21, №4. - С. 367-372.

3. Патент РФ 2167470.

4. Патент РФ 2256256 - Прототип.

5. Савельев И.В. Курс общей физики, том III. Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: Наука, 1978. - 528 с.

6. Матяш И.Е., Минайлова И.А., Сердег Б.К., Хируненко Л.И. Остаточные напряжения в кремнии и их эволюция при температурной обработке и облучении // Физика и техника полупроводников. - 2017. - Т. 51, №. 9. - С. 1155-1159. - DOI: 10.21883/FTP.2017.09.44876.8527.

Способ может использоваться при межоперационном контроле механических напряжений и дефектов в функциональных слоях. Способ включает эллипсометрические измерения показателя преломления на локальных участках пленки, однократное определение на каждом участке пленки толщины d_ƒ и показателей преломления для обыкновенного n_o и необыкновенного n_e лучей, по которым рассчитывают значения величины двойного лучепреломления Δn: Δn=(n_o-n_e). Карту механических напряжений σ и вызванных ими дефектов определяют по закону фотоупругости: σ=Δn/k, где k - упругооптическая постоянная, определяемая по формуле: k=Δn/σ, с использованием величины σ, определенной по формуле Стоуни: где d_s, ν и E_s - соответственно толщина, коэффициент Пуассона и модуль Юнга подложки, R - эффективный радиус кривизны подложки с пленкой. Топографический рельеф - локальные радиусы кривизны поверхности - определяют по величине двойного лучепреломления Δn и толщине слоя d_ƒ. Технический результат - уменьшение времени и сложности контроля дефектности и механических напряжений и расширение номенклатуры измеряемых параметров. 1 табл., 2 ил.

Способ эллипсометрического контроля топографического рельефа, механических напряжений и дефектности пленок на подложках, включающий эллипсометрические измерения показателя преломления на локальных участках пленки по поверхности подложки, отличающийся тем, что на каждом участке пленки проводят однократное определение толщины d_ƒ и показателей преломления исследуемой пленки, одновременно двух лучей обыкновенного n_o и необыкновенного n_e, по которым рассчитывают значения величины двойного лучепреломления Δn:

Δn=(n_o-n_e),

карту механических напряжений σ и вызванных ими дефектов в пленке по поверхности подложки определяют по закону фотоупругости:

σ=Δn/k,

где k - упругооптическая постоянная, значения которой для исследуемой пленки предварительно калибруют по формуле:

k=Δn/σ,

с использованием величины σ, определенной по формуле Стоуни:

где d_s, ν и E_s - соответственно толщина, коэффициент Пуассона и модуль Юнга подложки, R - эффективный радиус кривизны подложки с пленкой;

а топографический рельеф - локальные радиусы кривизны поверхности - определяют по величине двойного лучепреломления Δn и толщине слоя d_ƒ с использованием вышеприведенных соотношений.