СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ НИЖНИХ СЛОЕВ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР Советский патент 1996 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к технологии производства полупpоводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС) и может быть использовано при контроле дефектов слоев кремниевых структур.

Цель изобретения упрощение аппаратурной реализации контроля.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе оптического контроля дефектов нижних слоев кремниевых структур, включающем вкрытие диэлектрического слоя, нанесенного на контролируемый слой, путем удаления верхних слоев структуры и визуальный контроль с помощью оптического микроскопа, на диэлектрический вскрытый слой дополнительно наносят планаризующий диэлектрический слой, коэффициент преломления которого составляет 0,8-1,2 коэффициента преломления вскрытого диэлектрического слоя, а толщина d удовлетворяет условию
(1)
где В средняя глубина неровностей на поверхности диэлектрического слоя, мм;
А апертура объектива;
Δf глубина резкости объектива.

Нанесение планаризующего диэлектрического слоя на поверхность кремниевой структуры с оптическими характеристиками, близкими к характеристикам слоем ИМС, позволяет снизить и практически ликвидировать микрорельеф на поверхности структуры, т.е. создать поверхностный слой без микрорельефа и тем самым уменьшить диффузию составляющую коэффициента отражения верхнего слоя. Ликвидация рассеивающей поверхности уменьшение диффузной составляющей коэффициента отражения позволяет увеличить чувствительность контроля, т.е. различать более мелкие дефекты структуры.

Если толщину планаризующего диэлектрика выбрать меньше, чем средняя глубина неровностей В на поверхности верхнего слоя, то в этом случае не происходит ликвидации микрорельефа на поверхности верхнего слоя, и диффузная составляющая коэффициента отражения будет по-прежнему ухудшать чувствительность и достоверность контроля.

Если толщина планаризующего диэлектрика будет больше, чем указано в соотношении, то в этом случае произойдет снижение чувствительности и достоверности контроля вследствие изменения условий фокусирования для разных участков объектива. Действительно, введение дополнительного слоя планаризующего диэлектрика толщиной d и с показателем преломления приведет к появлению дополнительной сферической аберрации.

На чертеже приведен схематический ход лучей без дополнительного слоя планаризующего диэлектрика (сплошная линия) и в случае наличия дополнительного слоя планаризующего диэлектрика (штриховая линия);
где D расстояние между объектом и объективом микроскопа в случае отсутствия планаризующего слоя;
d толщина слоя планаризующего диэлектрика; n показатель преломления планаризующего диэлектрика;
d₁ расстояние между верхней поверхностью планаризующего диэлектрика и объективом микроскопа;
δ расстояние между плоскостями оптимальной резкости для центрального и периферийных участков объекта (величина дополнительной сферической аберрации, вносимой слоем планаризующего диэлектрика);
1 положение плоскости оптимальной резкости для объектива без планаризующегося диэлектрика;
1¹ положение плоскости оптимальной резкости для периферийной зоны объектива после введения слоя планаризующего диэлектрика;
2 поверхность планаризующего диэлектрика;
3 положение объектива без планаризующего диэлектрика;
3¹ положение объектива после введения слоя планаризующего диэлектрика.

Величину D, на которую необходимо приблизить объектив к объекту после введения дополнительного слоя планаризующего диэлектрика легко рассчитать из постоянства оптического хода для центральной части объектива:
(2)-(4)
Вследствие изменения расстояния между объективом и объектом, а также из-за наличия планаризующего диэлектрика с показателем преломления и, положение плоскости оптимальной резкости для периферийных участков микроскопа изменится на величину δ, которую можно рассчитать из соотношения:
(5)
где α₁ угол падения лучей на границу воздух планаризующий диэлектрик;
α₂ угол преломления света в слое планаризующего диэлектрика;
С учетом (3) и (4) соотношение (5) легко преобразуется:
(6)
Для того, чтобы дополнительная сферическая аберрация, определяемая соотношением (6), не приводила к ухудшению качества изображения, необходимо, чтобы глубина резкости Δf объектива микроскопа превышала δ, т.е.

Dt ≅ δ (7)
отсюда
(8)
С учетом того, что
(9)
(10)
соотношение (8) примет вид:
(11)
Таким образом, если толщина d слоя планаризующего диэлектрика будет больше, чем следует из соотношения (1), то величина сферической аберрации, обусловленная дополнительным слоем планаризующего диэлектрика, превысит глубину резкости объектива, что приведет к частичной дефокусировке изображения, и, следовательно, к снижению чувствительности и достоверности контроля дефектности нижних слоев ИМС.

П р и м е р. Заявляемый способ контроля дефектов был опробован при анализе схем типа "Дублер 510" и аналогичных ИМС с 3-х уровневой разводкой. Вскрытие пластмассовых корпусов проводилось в кипящей концентрированной серной кислоте в течение 3-5 мин, после чего кристаллы ИМС промывались в ССl₄ и воде. Удаление пассивирующего слоя фосфоросиликатного стекла толщиной d_pcc 0,70-0,80 мкм проводилось на установке плазменного травления 08 ПХО-100Т-004 в среде "Хладон-218" со скоростью 1000 А^o/мин.

После контроля качества удаления пассивирующего слоя проводилось травление верхнего слоя алюминиевой металлизации толщиной d_Al 1,0±0,1 мкм на установке 08 ПХТ=100-006 в среде CCl₄ в течение 5 мин.

В результате указанных операций травления на поверхности кристалла образовывался микрорельеф, представляющий собой ямки и бугорки травления и т.н. "Спейсеры", образующиеся по периметру шин металлизации. Средняя величина непланарности составляла 0,70±0,12 мкм. Оценка глубины ямок травления и высоты "спейсеров" и бугорков проводилась на растровом электронном микроскопе типа JSM-840.

После удаления пассивирующего слоя и слоя верхней металлизации проводился контроль дефектов нижнего слоя поликремниевой разводки по способу-прототипу, однако, из-за наличия микрорельефа на поверхности ИМС минимальный размер элементов, доступных для контроля, составлял 5,0 мкм. Затем поверхность кристалла тщательно очищалась на установке кистевой мойки и на поверхность контролируемого кристалла наносился слой планаризующего диэлектрика, в качестве которого были взяты полиимид, фоторезист и кремний органический наполнитель толщиной 0,5-10 мкм. Равномерность толщины планаризующего диэлектрика по всей поверхности кристалла достигалась путем центрифугирования на установке "Лада-125" со скоростью вращения (3-6)•10³ об/мин.

Толщина планаризующего слоя определялась с помощью микроспектрофотометра типа MPVSP. После этого на микроскопе типа "Металлоплан" с 50^* - объективом проводился визуальный контроль дефектов.

Величина аппаратуры объектива А при полностью открытой диафрагме составляла 0,85, а при полностью закрытой диафрагме 0,25 соответственно. Глубина резкости микроскопа оценивалась с помощью соотношения:
(12)
где Г 500^* увеличение микроскопа;
ε 0,0012 рад угловое разрешение глаза.

Кроме того, глубина разности микроскопа Df определялась экспериментально путем наблюдения тестовой структуры, представляющей собой набор параллельных линий различной ширины и наклонной к плоскости изображения микроскопа под углом α = 2^°. Глубина резкости Δf определялась с помощью выражения:
(13)
где l линейный размер области с контрастным изображением.

Таким образом, с помощью изменения толщины планаризующего диэлектрика и величины А отношение толщин d/d_макс изменялось в пределах 0,1-1,3,
(14)
Чувствительность контроля оценивалась по минимальному размеру контролируемых дефектов. Результаты сведены в таблицу.

Как следует из таблицы, минимальный размер контролируемых элементов по способу-прототипу составляет 5 мкм, т.е. элементы с размером менее 5 мкм не подлежат контролю. Нанесение планаризующего диэлектрического слоя с показателем преломления и, составляющим 0,8-1,2 от величины коэффициента преломления верхнего диэлектрического слоя, и толщиной d, удовлетворяющей соотношению (1), позволяет увеличить чувствительность контроля. При оптимальных условиях минимальный размер контролируемых элементов составляет 1,0 мкм, чем практически достигается теоретический предел разрешения оптической микроскопии. В случае, если толщина планаризующего слоя не удовлетворяет соотношению (1), либо различие в показателях преломления превышает 20% то увеличение чувствительности контроля не наблюдается.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при контроле дефектов слоев кремниевых структур. Предлагаемый способ заключается в том, что на диэлектрический слой, нанесенный на контролируемый нижний слой и вскрытый путем удаления верхних слоев структуры, дополнительно наносят планаризующий диэлектрический слой, коэффициент преломления которого составляет 0,8-1,2 от коэффициента преломления вскрытого диэлектрического слоя, а толщина d удовлетворяет условию

где В - средняя глубина неровностей на поверхности диэлектрического слоя, мкм; А - апертура объектива; Δf - глубина резкости объектива. Способ значительно упрощает аппаратурную реализацию контроля и позволяет использовать любые оптические объективы. 1 табл., 1 ил.

Способ оптического контроля дефектов нижних слоев кремниевых структур, включающий вскрытие диэлектрического слоя, нанесенного на контролируемый слой, путем удаления верхних слоев структуры и его визуальный контроль с помощью оптического микроскопа, отличающийся тем, что, с целью упрощения аппаратурной реализации контроля, на диэлектрический вскрытый слой дополнительно наносят планаризующий диэлектрический слой, коэффициент преломления которого составляет 0,8 1,2 коэффициента преломления вскрытого диэлектрического слоя, а толщина d удовлетворяет условию

где B средняя глубина неровностей на поверхности диэлектрического слоя, мкм;
A апертура объектива;
Δf глубина резкости объектива.