Полупроводниковая тестовая микроструктура для интегральной схемы Советский патент 1988 года по МПК H01L27/04 

4ib 4ib ts9 Предлагаемое изобретение относится к микроэлектронике, а предлагаемая структура может быть использована как тестовая в технологии производства лолупроводниковых интегральных схем для межоперационного контроля, отработки и корректировки изго товления, анализа брака и отказов. Известна тестовая структура для определения параметров интегральных схем, представляющая собой паразитный транзистор, состоящий из кремниевой подложки, в которой сформированы исток и сток транзисторов, диэлектрической пленки из двуокиси кремния и алюминиевой металлизации, обеспечивающей контакты с истоком, стоком и лежащим на диэлектрической пленке затвором и содержащей три KOH тактные площадки для подсоединения этих областей к установке измерения электрофизических параметров. Недостатком тестовой структуры является то, что ее топология (конструкция) непригодна для точного контроля микрогеометрии отдельных элементов и микроучастков современных микросхем высокой степени интеграции, например, путем использования растрового электронного микроскопа, значимость которого в производстве интегральных схем будет расти вместе с ростом степени интеграции их элементов . Например, невозможно получение нужной информации в тех случаях, ког р,а необходимо выявление формы краев (профиля) элементов нижележащих слое (козырьков сверху, локальных подтрав ливаний снизу и тому подобных отклонений от плоскости, определяющей кли травления пленки в ее средней части) или когда нужна количественная оценка утоньшения пленок на ступеньках, образованных фотолитографией и нижележащих слоях, и тому подобно влияни микрогеометрии на параметры интегральных схем. Непригодность топологии обусловле на прежде всего тем, что вышележащие .слои закрывают элементы нижележащих слоев и топология отдельных слоев не приспособлена для контроля с помощью растрового электронного микроскопа (например, если в верхнем слое струк туры вскрыть окно простой формы квадратное, то точный профиль травления края этого слоя не выявить и с помощью растрового электроного микроскопа) . Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является полупроводниковая тестовая микроструктура, содержащая полупроводниковую подложку, последовательно расположенные на ней диэлектрические и проводящие слои, повторяющие структуру интегральной схемы. Контрдль параметров интегральной схемы с помощью такой тестовой структуры осуществляется измерением ее характеристик после подключения к установке измерения электрофизических параметров. Эта и ей подобные тестовые структуры позволяют простыми средствами выявлять сам факт брака в любых слоях, но оказываются недостаточно эффективными при выяснении технологических первопричин брака и корректировке технологии изготовления. Таким образом, недостаток тот же, что и у аналога: ее топология не обеспечивает точного технологического контроля микрогеометрии элементов слоев интегральных схем. Целью изобретения является повышение точности технологического контроля микрогеометрии элементов слоев интегральных схем. Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковой тестовой микроструктуре, содержащий полупроводниковую подложку, последовательно расположенные на ней диэлектрические и проводящие слои, повторянлцие структуру интегральной схемы, одна часть этой структуры восцроизводит геометрию диэлектрических и проводящих слоев рабочего участка интегральной схемы, а другая часть представляет собой выступающие друг изпод друга микроучастки контролируемых слоев, образунщих рабочий участок, заканчивающиеся торцами, выполненными перпендикулярно подложке и боковым поверхностям пленок, образующих ступеньки для вьшележащих пленок, и позволяющими визуализировать профили травления и толщины пленок на участках, прикрытых на интегральной схеме вышележащими слоями. На фиг. 1 приведена топология микроструктуры для определения причин разрывов алюминиевых пленок на

краях контактных окон в диэлектрических СЛОЯХ} на фиг.2 - топология структуры для контроля степени сплавления фосфорносиликатного стекла и определения причин разрывов алюминиевых пленок на ступеньках в слое стекла; на фиг.З - топология структуры для количественной оценки утоньшения межслойной изоляции на краях элементов нижележащего проводящего слоя.

На кремниевой подложке 1 (фиг.1) последовательно расположены слои из двуокиси кремния 2 и фосфорносиликатного стекла 3, в каждом из которых выполнены несколько отличающиеся по размерам окна такой формы,что в центре структуры образованы две лежащие друг на друге пленки крестообразной формы, нижняя из которых со всех сторон выступает из-под верхней. Невытравленные участки слоя 2 заштрихованы параллельными линиями одного направления, а слоя 3 - другого направления (следовательно, на участках, содержащих пересекающиеся линии обоих направлений, имеются и двуокись кремния, и фосфорносиликатное стекло). Поверх диэлектрических слоев лежит слой 4 алюминия так, что он проходит через их края, имитируя тем самым соответствующий участок интегральной схемы. Топология слоя 4 . проста (квадрат в центре структуры) и для упрощения чертежа еще один вид штриховки не вводится, а показаны лишь границь пленки.

На участке, отмеченном кружком (фиг.1), каждый из невытравленных участков слоев 2 и 3 имеет прямой угол, что обеспечивает выявление формы Ьгибающей линии (профиля травления) краев этих слоев. При просмотре в направлении стрелки этого участка в растровом электронном микроскопе можно одновременно визуализировать (сфотографировать) и возможное место разрыва слоя алюминия на краях диэлектрических слоев, а клин травления этих слоев, который обычно непостоянен по высоте.

Неудовлетворительная форма краев элементов (козырьки, подтравыи т.д.) создающих ступеньки для алюминиевого слоя, является одной из главных причин возможных разрывов последнего и отсутствия контакта с подложкой

(другая причина - плохо отработанный процесс напыления алюминия). В случае разрыва аломиниевого слоя предлагаемая микроструктура позволяет не только увидеть разрыв, но и по форме профиля травления каждого диэлектрического слоя определить необходшюсть доработки режима травления конкретно го слоя (для получения профиля ступенек нужной формы) и контролировать сам процесс доработки, тогда как по структуре, подобной прототипу, легко установить

5 лишь сам факт разрыва.

Крестообразность формы диэлектрических слоев, образующих в структуре ступеньки, позволяет проводить обследование их краев с четырех сторон,

0 причем с каждой стороны можно обследовать профили, как минимум, двз ступенек одного слоя, боковые поверхности которых обращены в противоположные стороны (это важно, так как

5 форма профиля травления при фотолитографии может зависеть, например, даже от направления погружения в травитель кремниевой пластины и поэтому противоположные края одного и то-

0 го же элемента в слое могут иметь разный клин травления, что в конечном счете может привести к односторонним разрывам алюминиевых планок). В связи с этим, нужно отметить, что на фиг. 1-3 кружками отмечены для

5 простоты только по одному участку обследования, тогда как на каждой из них имеется по восемь подобных по топологии участков, каждый из

Q которых может иметь несколько отличающиеся профили травления краев одного и того же слоя, характеризуя соответственно расположенные края элементов на интегральной схеме и обеспечивая возможность обойтись од5ной структурой вместо нескольких. Кроме того, структуры содержат и по нескольку одинаково расположенных ступенек (фиг.1-3), что исключает случайность в определении профиля

0

краев и толщин пленок.

Таким образом, структура, П1)иведенная на фиг.1, позволяет выяснить технологические причины брака в слоях, прикрытых на рабочем участке интегральной схемы другими слоями, а также может использоваться для отработки технологии, межоперационного и

периодического контроля и анализа отказов.

Другим примером конкретного исполнения является микроструктура для периодического контроля режима оплавления фосфорносиликатного стекла и анализа причин брака и отказов металлизации (топология дана на фиг,2) На кремниевую подложку нанесен сплошной слой двуокиси кремния, на котором сформирован слой 5 из поликристаллического кремния крестообразной формы на который, в свою очередь, последовательно нанесены два сплошных слоя второй слой двуокиси кремния и слой 3 фосфорносиликатного стекла, а сверху сформирован квадратный алюминиевый слой 4. Для упрощения чертежа подложка и сплошные слои отмечены общей штриховкой одного направления, слой 5 поликремния - штриховкой другого направления, а слой алюминия 4 не заштрихован и показаны лишь его границы, г

При просмотре в направлении стрелки участка этой структуры, отмеченного кружком (фиг.2), в растровом электронном микроскопе можно определить качество оплавления фосфорносиликатного стекла, влияющее на целостность алюминиевой металлизации я районе ступеньки, образованной краем слоя поликремния.

На фиг.З показан еще один важный пример конкретного исполнения и применения предлагаемых микроструктур топология структуры для количественной оценки качества межслойной изоляции и борьбы с утечками и низкими пробивными напряжениями диэлектрических слоев. На кремниевой подложке расположен сплошной слой 2 двуокиси кремния, на котором сформирован поликремниевый слой 5 крестообразной формы. Над ним последовательно сформированы два одинаковых по размеру диэлектрических слоя крестообразной формы из двуокиси кремния и фосфорносиликатного стекла, границы которых совпадают. Поверх слоя стекла лежит алюминиевый слой квадратной формы. Для упрощения чертежа подложка и слои 2 и 4 не заштрихованы, слои 3 отмечены общей штриховкой одного направления, а слой 5 - штриховкой другого направления.

В такой структуре могут возникнуть утечки и снижается пробивные напряжения из-за утоньшения диэлектрических слоев на острых или отвесных краях поликремниевого слоя. При просмотре в направлении стрелки участка этой структуры, отмеченного кружкбм (фиг. 3), в растровом электронном микроскопе можно увидеть в одном пол зрения (и сфотографировать) боковые поверхности (торцы) и профили травления почти всех слоев, что позволяет:

а)оценить толщину диэлектриков в самом ТОНКОМ; месте (накраю поликремниевого слоя) и выявить ее зависимость от клина травления (формы края) поликремниевого слоя и режимов нанесения и оплавления фосфорносиликатного стекла;

б)выяснить причины возможных разрывов алюминиевого слоя на ступеньках оплавленного и неоплавленного стекла;

в)выбрать режимы травления поликремния, нанесения диэлектрических слоев и оплавления фосфорносиликат- кого стекла.

Полупроводниковые микроструктуры (фиг.1-3) не только воспроизводят ситуацию на соответствующем участке интегральной схемы, но и содержат окна, выполняющие два назначения, открывают доступ к элементам нижележащих слоев для прямого контроля их геометрии и формируют микроучастки, по которьпу удобно визуализироват профиль травления краев элементов, создающих ступеньки для вышележащих слоев, и толщины слоев на критических участках.

Такая конструкция микроструктур обеспечивает возможность эффективного применения для контроля растрового электронного микроскопа, имеющего значительно большую разрешающую способность и глубину фокуса,чем используемый для контроля структур

оптический микроскоп. I

Вьщ1е о писанные конструкции структур занимают очень мало площади и для них легко найти свободный участок порядка 30 х 30 или 50 х 50 мкм между элементами интегральной схемы, например, в районе контактных площадок.

К достоинствам предлагаемых структур следует отнести и то, что, благодаря наличию окон в вышележащих слоях, при анализе причин брака или

отказов можно обойтись без послойного травления, тем более, что оно не всегда приводит к успеху в связи, с тем что дефектное место травится по другим законам, чем бездефектное.Это позволит более точно определить случаен ли дефект, приведший к браку или отказу, или он был обусловлен одним из неудачно проведенных техпроцессов ,

Как и в случае обычных тестовых структур, предлагаемые микроструктуры не требуют специального времени для изготовления: они включаются в топологический чертеж интегральной схемы и изготавливаются фотолитографией одновременно с самой интегральной схемой.

Технико-экономическая эффективность от внедрения в отрасли предлагаемого изобретения для микросхем с большой степенью интеграции буДет сравнима с тем эффектом, который дало внедрение обычных тестовых структур для интегральных схем вообще.

ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ТЕСТОВАЯ МИКГОСТВУКТУРА ДПЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ, содержащая полупроводниковую подложку, последовательно расположенные на ней диэлектрические и проводящие слои, повторяющие структуру интегральной схемы, отличающаяс я тем, что, с целью повьшения ; точности технологического контроля микрогеометрии элементов слоев интегральных схем, она выполнена так, что одна часть этой структуры воспроизводит геометрию диэлектрических и проводящих слоев, рабочего участка интегральной , а другая часть представляет собой выступающие друг из-под друга мйкроучастки контролируемых слоев, образукяцих рабочий участок, заканчивающиеся торцами, выполненными перпендикулярно подложке и боковым поверхностям плёнок, образующих ступеньки для вьшележащих пленок, и позволяющими визу(Л ализировать профили травления и толщины пленок на участках, прикрытых на интегральной схеме вышележащими слоями. 2

Фиг.Ъ