Способ определения внутренних механических напряжений сжатия в тонких пленках Советский патент 1981 года по МПК H01L21/66 

от материала подлож,ки и свободно провисают ;над лунками вытравленного кремлия, если пленка на кремдиевой подложке находится в состоянии сжатия. Деформация таких мостиков (стрела ирогиба Д) оценивается по ,рез,кости ,н:аводки металло графического м-икроскопа на .центр и край мостика.

Величину относительной дефо,р,маци;и е определяют из формулы, связывающей А с длиной деформироваиной лолости Окисла /о

/- 2kfiE{mo)

-

(1) (то)

/п где / - начальная длина моста; п 0, 1, 2 ... Л( -f A%)2/2.t; / f (гло) (1 - - 6 эллиптический интеграл второго рода с параметромНапряжение а определяют из формулы ° где ЕО - модуль Юнга для окионой пленки;V - коэффициент Пуаюсона, Точность описанного способа определяется ценой деления микрометрического винта для фокусирования 1М|Икроскопа на исследуемую пове,рх1ность (3-5) мкм и недостаточна для тачного определения Л1,алых значений деформации. Недостатком известного способа является то, что он требует применения специальных тестовых структур. Целью изобретения является по1выщение точности и упрощение процесса измерений. Цель достигается тем, что подложку подтравливают с одной стороны пленки, измеряют глубину подтрава и длину полуволны деформированного края пленки с помощью микроинтерферометра, а величину внутреннего напряжения сжатия определяют по формуле 12(1-v) V b где 0 - .модуль Юига дин/см ; V - коэффициент Пуассона; б - толщина плецки, см;

b - глубина подтрава пленки, см; и - параметр, определяемый по номограмме потери устойчивости пластины, закрепленной с одного края, по отношению длины полуводны деформированного края пленки к глубине ее подтрава.

Известно, что при потере устойчивости пленка при вспучивании разделяется в продольном направлении х на т полуволн, а в поперечиом направлении у на п полуволн, и ее прогиб со выражается формулой

ппу

Л sin

(4)

in а гДе А - (постоянная; а - длина пластинки; b - ширина пластинки. Если лленка деформируется только в продольном на-правлени-и (т.е. 1),то справедлива формула (3). Описываемый способ состоит в следующем. Пластину кремиия с рабочими окиснопленочными эл1ементами ИС иротравливают в растворе едкото натра до отделения края Окисной лленки от подложки и получения четкой микроинте|рфером1етрической картины одноразмерной продольной деформации освобожденного края пленки. На М1Икроинтер|ферометре измеряют ширину свободно п,рависаю(щего . пленки b и дяину . полуволны деформир|0В1аНного края и. По отношению этих величин по номограмм.ам потери устойчивости пластины, закрепленной с одного края, определяют параметр упругой деформации U. По из;вестной и ее упругим параметрам (модулю Юнга и коэффициенту Пуассона) вычисляют величину внутреннего напряжения сжатия б по формуле (3). Пример. Для (ПлеНКН термического окисла толщиной 0,25 мкм на (100)-Si отношение длины полуволны деформируемого края пленки к глубине ее подтрлва --.- составляло 1,6, а отношение толщины пленки К глубине подтрава -т- равнялось 6,5 - 10 Определенное из HOiMorpaiMMbi значение параметра t/ составляло 13,1. Величина вычислялась по формуле (3) 7,2.,1 , ,„ .., „,., °-Г2.(,17))- 3,4-10 Д11П/СМ-. Таким образом, микрои,нтерферо.метричесвое наблюдение волновой картины деформации лодтравленного края окисла значительно повышает точность способа, определяемую полудлиной волны падающего света (десятые доли микрона) по сравнению с прототипом (.М(Икроскапическое на блюдбние имеет точность на порядок ниже, 3-б мкм).

Уи.рОщение процесса измерения состоит ,в том, что по предлагаемому способу на кремния не требуется фотолитографического изготовления оиециалыных тестовых структур на пленке окисла, поэтому спо-соб может использоваться непосредственно на технических деталях. В 1част1ности, для измерения напряжения могут быть использованы прямоугольные в пленке SiOg, формирующие элементы ИС.

Предложенный способ позволяет п,роиз.водить быструю Оценку локальных механических напряжений сжатия на участках с микронными (размерами в пленках двуокиси кремния на кремнии по измерению параметров дефор1мируемаго края подтравленной полоски окисла.

Способ может быть использован и для .других диэлектрических пленок на разных .подложках (если они при нанесании на подложку оказываются в сжатом состоянии). Для этого нео бходимо подобрать травитель, который избирательно травит подложку и нейтрален по отношению к пленке. Для пленки Si02 на кремниевой подложке этим требованиям отвечает водный рактвар едкого натра (1 М/л).

Способ прост и надежен (свободный узкий край подтравленной пленки, прочная структура вплоть до толщин пленки 0,005- 0,010 мкм), в то (время как локальное определение меха.нических яап1ряжений на микроскопических участках «мостиковым :и «балочным м етодам;и связано с большими трудностями из-за непрочности этих структур, освобожденных от подложки. По предлагаемому способу значительно упрощается и ускоряется по сравнению с прототипом сам продесс травления, поскольку

для получения гофрированной структуры подтравленного с одной стороны края пленки требуется значительно меньшее время, чем для, полного 0(Свобожден,ия от подложки «мостиков и «балок, подтравливаемых с двух сторон до полного отделения их от подложки. KipoMe того, при описывае1мо.м способе расчет величины напряжения сведен к сравнительно простой формуле, включающей легко определяемые эксперимен0тальные параметры.

Формула изобретения

Способ определения внутренних механи5ческих напряжений сжатия в тонких пленках путем подтр:авл;ива;н1ия подложки, И31мерения геометрических размеров деформированной пленки и вычисления величины напряжения сжатия, отличающийся тем, что, с .целью повы|Щ|ения точности и упрощ.ения процесса измер1ений, подложку подтравливают с одной стороны пленки, измеряют глубину нодтрава н длину полуволiHbi деформированного края пленки с помо5щью микроинтерфераметра, а величину внутреннего напряжения сжатия определяют по формуле

Е,и

30

(J

12(1 -V-) V b

где EQ - модуль Юнга, дин/см ;

V - коэффициент Пуассона; 35б - толщина пленки, см;

b - глубина подтрава пленки, см; и - параметр, определяемый по иомограмме потери устойчивости плас-шны, закрепленной с одного края, по отношен.ию 40 длины полуволны деформированно го края пленки к глубине ее подтрава.