Разработка способов исследования слоистых структур монолитных интегральных приборов СВЧ на основе спектроскопии и эллипсометрии

Содержание
Введение
1 Обзор способов изучения молекулярной структуры, электрофизических характеристик, относительных атомных концентраций и толщин поверхностных пленок материалов и многослойных структур микроэлектронных устройств на основе оптических методов и метода количественной оже-спектроскопии
2 Разработка способов исследования молекулярной структуры слоистых сред монолитных интегральных приборов СВЧ на основе методов ИК-спектроскопии
2.1 Изучение колебательных спектров поглощения пленок 8Ю2, полученных различными технологическими приемами и подвергнутых импульсному отжигу
2.2 Изучение колебательных спектров поглощения пленок нитрида кремния, подвергнутых воздействию окислительной среды
2.3 Изучение колебательных спектров поглощения и оптических постоянных пленок иоликристаллического кремния, легированных азотом и кислородом методами ИК-спсктросконии пропускания и эллипсомстрии
2.4 Изучение оптического поглощения пленок карбида кремния в инфракрасной области спектра
2.5 Исследование колебательных спектров поглощения пленок нитрида алюминия, прошедших различные температу рные обработки
3 Разработка способов исследования и контроля геометрических и электрофизических характеристик слоев структур монолитных интегральных приборов СВЧ на основе оптической спектроскопии и эллипсометрии
3.1 Пропускание в видимой и инфракрасной областях спектра сильно легированных пленок кремния, свободных от подложки
3.2 Исследование возможности определения толщины сильно легированных слоев кремния по спектрам отражения методом Фурье-спектрометрии в далекой инфракрасной области
3.3 Исследование возможности определения толщины переходного слоя в кремниевых «п - п » структурах по спектрам отражении в инфракрасной области
3.4 Исследование возможности определения электрофизических параметров слоев поликристаллического кремния, сильно легированною мышьяком, по спектрам отражения и амплитудно-фазовым характеристикам отраженного свега в да-
лекой инфракрасной области
3.5 Определение оптических постоянных и исследование возможности использования спектров отражения для контроля процесса образования пленок силицида платины
3.6 Применение метода эллипсометрии для оценки качества геттерирующих полупроводниковых слоев 8* и структурного совершенства полупроводниковых слоев СаАв
3.7 Исследование возможности раздельного определения толщины пленок двуокиси кремния и нитрида кремния в двухслойной системе «двуокись кремния - нитрид кремния» по колебательным спектрам поглощения
4 Разработка способов исследования и контроля относительных атомных концентраций и толщин поверхностных пленок структур в технологии монолитных интегральных приборов СВЧ на основе метода количественной электронной оже-спектроскопии Заключение Приложение А Приложение Б Приложение В Библиография
Введение
Актуальность темы
Современная СВЧ-электроника основана на использовании монолитных интегральных приборов СВЧ (МИЛ СВЧ). В технологии МИЛ СВЧ находят широкое применение слоистые структуры, состоящие из однородных слоев или слоев, свойства которых меняются по толщине.
Как правило, такими слоями являются диэлектрические, полупроводниковые эпитаксиальные и поликристаллические, а также металлические пленки.
Эффективными методами исследования пленок являются:
- инфракрасная спектроскопия, основанная на резонансном поглощении излучения молекулами вещества;
- оже-электронная спектроскопия, в основе которой лежит анализ энергетического спектра оже-электронов;
- эллипсометрия, основанная на анализе амплитудно-фазовых характеристик отраженного света.
Известные достоинства перечисленных методов, такие как высокая чувствительность к параметрам исследуемых систем, экспрессность, невозмущающий характер воздействия на объект исследования делают их весьма привлекательными и объясняют их широкое применение при исследовании полупроводниковых, диэлектрических и металлических пленок.
Благодаря появлению технологии МИЛ СВЧ и в связи с практическими потребностями, появились объекты для исследования: геттерирующие слои кремния, имплантированного аргоном, и пленки карбида кремния, пленки окиси и двуокиси кремния, полученные в специфических для технологии МИП СВЧ режимах, пленки нитрида алюминия, полученные различными технологическими приемами.
При синтезе монолитных интегральных структур возникает необходимость исследования процесса окисления пленок нитрида кремния, а также изучения влияния импульсного отжига на молекулярную структуру пленок двуокиси кремния, полученных различными технологическими приемами.
В технологии МИП СВЧ возникает необходимость синтеза нового класса кремниевых пленок SIPOS, легированных кислородом и азотом. Изучение молекулярного состава указанных пленок, определение оптических постоянных является необходимым как для отработки технологии их получения, так и для последующего контроля качества.
Для технологии МИП СВЧ требуется разработка методик неразрушающего контроля свободных от подложки пленок кремния, сильно легированного бором, а также одновременное определение толщины диэлектрических слоев двуокиси кремния и нитрида кремния в двойной слоистой структуре «Si02 -Si^Np> на рабочих кремниевых структурах.
Другой аспект рассматриваемой проблемы связан с изучением возможности применения методов эллипсометрии, ИК-спектроскопии и оже-электронной спектроскопии для:
4
оценки структурного совершенства поверхности и ионно-имплантированных кремнием слоев в структурах на основе арсенида галлия;
исследования поликремниевых структур сильно легированных мышьяком;
контроля процесса образования пленок силицида платины; неразрушающего определения геометрических и электрофизических параметров сильно легированных слоев в кремнии;
экспрессной неразрушающей оценки толщины переходного слоя в структурах «эпитаксиальный слой - скрытый слой»;
- количественной оценки относительных атомных концентраций гомогенных структур, а также относительных атомных концентраций и толщины пленочных структур МИП СВЧ.
Следует отметить, что:
1) молекулярная структура пленок ЙОг» 51зЫ4 исследовалась многими авторами, однако указанные пленки, полученные с учетом особенностей технологии МИП СВЧ, ранее не исследовались. Не исследовалось и влияние технологических условий на молекулярную структуру указанных пленок;
2) нитрид алюминия исследовался многими авторами в виде прессованных таблеток. В пленочном виде на кремнии нитрид алюминия ранее не исследовался;
3) исследование карбида кремния (51С) проводилось рядом авторов у нас в стране и за рубежом. В основном изучались спектры люминесценции, а также проводились рентгеноструктурные и электронографические исследования. Информация но спектрам поглощения 81С неоднозначна, молекулярные характеристики многими авторами были получены расчетными методами квантовой химии;
4) толщина пленок 8Ю2 и 81зЫ4 в двухслойной системе традиционно определяется методом эллипсометрии с использованием номограмм, рассчитанных с учетом заведомо известных оптических постоянных как пленок, так и подложки, на которую они нанесены, что в реальном технологическом процессе не достигается. В последнее время разработан метод эллипсометрии с использованием иммерсионных жидкостей (В.А.Швец, ИФП СО РАН). При этом точность определения толщины пленок гораздо выше, чем с использованием номограмм. Однако подобные измерения можно проводить только на спутниках. Кроме того, метод является довольно трудоемким - структуры после проведения измерений необходимо химически обрабатывать, что является недопустимым для реального технологического процесса;
5) толщина свободных от подложки пленок кремния, сильно легированных бором, нашедших в технологии широкое применение в качестве мембран рентгеношаблонов, определяется с помощью микроскопа типа МИИ-4. Метод является неразрушающим и экспрессным, однако при этом требуется, с одной стороны - качественная юстировка микроскопа, а с другой стороны - высокая квалификация оператора. При этом возрастает субъективная погрешность в определении толщины пленок. Кроме того, при определении толщины предполагается заранее известным показатель преломления пленок, что является не
5
вполне корректным, поскольку показатель преломления пленок может изменяться в широких пределах от процесса к процессу;
6) толщина сильно легированных слоев кремния и оценка толщины переходного слоя определяется общеизвестными методами косого и сферического шлифа в сочетании с зондовыми методами измерения поверхностного и удельного сопротивления. Некоторыми исследователями для оценки толщины переходного слоя использовался метод ИК-эллипсометрии (к = 10,6 мкм), но в этом случае измерения проводились на специально подготовленных образцах, в то время как в технологическом процессе существует необходимость определения упомянутых величин на рабочих структурах;
7) поскольку пленки поликремния, сильно легированного мышьяком, были синтезированы в технологии МИЛ СВЧ впервые, информация об их исследовании не обнаружена в отечественной и зарубежной литературе;
8) слои силицида платины ранее исследовались электрофизическими методами у нас в стране и за рубежом.
Информация об исследовании оптическими методами пленок силицида платины отсутствует;
9) слои кремния, имплантированного ионами аргона, в диапазоне энергий (от 20 до 40 кэВ) изучались A.C. Мардежовым (ИФП СО РАИ) методом эллип-сометрии в видимой области спектра.
Информация по изучению названных слоев, имплантированных ионами аргона при высоких энергиях (более 40 кэВ) и больших дозах легирования отсутствует.
Отсутствует также информация по исследованию слоев арсенида галлия, облученного ионами кремния, методом эллипсомегрии в видимой области спектра;
10) методические основы количественной оже-электронной спектроскопии разработаны В.А.Гореликом (НИТИ, г.Рязань). Им же с сотрудниками предложены методики проведения анализа реатьной поверхности кремния и арсенида гаглия, а также оценка стехиометрии кварца методом количественной оже-электронной спектроскопии.
Информация по применению метода количественной оже-спектроскопии применительно к структурам, получаемым в технологии МИП СВЧ (силицид платины, GaAs - 'Pi - Au), отсутствует.
Разработками методов исследования и контроля материалов и структур занимались группы ученых Москвы (НПО «Пульсар», НИИ молекулярной электроники), Ленинграда (НИИ интроскопии, физико-технический институт, ИПО «Светлана»), Минска (Институт физики полупроводников, политехнический институт, ИПО «Интеграл»), Киева (Институт физики полупроводников, Институт проблем материаловедения), Новосибирска (ИФП СО АН СССР). В этом направлении достигнуты серьезные успехи. Однако в связи с усложнением технологии производства, возрастанием степени интеграции элементов интегральных схем, уменьшением толщины диэлектрических, металлических и полупроводниковых структур перед исследователем, материаловедом, техноло-
6
гом стоит задача как совершенствования известных, так и разработки новых методов и методик для исследования и диагностики создаваемых структур.
Особенно это необходимо при создании монолитных интегральных приборов СВЧ (МИЛ СВЧ). Типичная структура МИЛ СВЧ приведена на рисунке 1. Возрастание трудоемкости и финансовых затрат на производство еще более усложняет создавшуюся ситуацию.
Основные требования, предъявляемые к методам исследования и контроля качества структур современной технологии, заключаются в следующем.
Методы должны быть:
• бесконтактными, поскольку механический контакт с исследуемой структурой может провести к разрушению исследуемой структуры в точке контакта, а также к изменению характеристик исследуемого объекта, что неизбежно может привести к ложному результату;
• невозмущающими, поскольку под воздействием собственного электромагнитного, теплового и прочих полей может произойти как временное, так и необратимое изменение электрофизических и структурных характеристик исследуемого объекта;
• неразрушающими (по возможности), поскольку разрушение исследуемого объекта делает невозможным его дальнейшее использование в технологии.
Проведение же исследований на образцах-спутниках дает лишь косвенную, а для современной технологии зачастую ложную информацию об исследуемом объекте. К методам, используемым для контроля технологии, предъявляется еще одно требование - это экспрессностъ, поскольку технологический цикл создания интегральных приборов предполагает малый межопера-ционный временной промежуток, для того чтобы избежать осаждения на поверхность нежелательных примесей, а также образования нежелательных поверхностных пленок на технологической структуре.
Как подсказывает опыт работы многих ученых как в России, так и за рубежом, требованиям, отмеченным выше, наиболее удовлетворяют оптическая и электронная спектроскопия и эллипсометрия.
В связи с задачами, поставленными технологией интегральных приборов СВЧ, возникла острая необходимость исследования возможности методов оптической спектроскопии и эллипсометрии видимого и инфракрасного диапазонов электромагнитного излучения, а также метода электронной оже-спектроскогши с целью создания методов диагностики качества структур интегральных приборов.
Для проведения подобных исследований возникла необходимость разработки программного обеспечения для расчета оптических функций исследуемых объектов (зависимость показателя преломления и показателя поглощения от волнового числа или длины волны), а также для проведения количественного анализа методом электронной оже-спектроскопии.
Все это и определило цель настоящей работы.
7
Эпитаксиальные структуры пп
5 КЭФ 1.0 /в________________ ,
40 250 ЭКЭС 0.01-7Г, (111) 11111 р'
» I —
р
п
п
БЮ
? тер и
8Гл~1СГсм3
ЭисЮ^см'3
ею
2 пир
Пошит имплантация В
БЮ
Ж ШшШ,
р
п
п
2 пиэ
Бі
Ч
БЮ,
п
бю:
пироп
бі
\ Б і О,
Ді
терн
Контакт к <7тс
Рисунок 1 - Технологическая схема изготовления транзисторных структур со сгуненчатыми электродами
Цель работы - разработка способов исследования слоистых структур монолитных интегральных приборов СВЧ на основе методов оптической и оже-электронной спектроскопии и эллипсометрии.
Указанная цель достигается путем решения следующих задач.
1. Изучение колебательных спектров поглощения пленок:
- двуокиси кремния, полученных различными технологическими приемами и подвергнутых импульсному отжигу;
- нитрида кремния, подвергнутых воздействию окислительной среды, методами ИК-спектроскопии и эллипсометрии;
- нитрида алюминия при высокотемпературных обработках;
- SIPOS (N2) и SIPOS (02), также их оптических постоянных методами ИК-спсктроскогши пропускания и эллипсометрии;
- карбида кремния в инфракрасной области спектра.
2. Исследование возможности использования спектров отражения, пропускания и амплитудно-фазовых характеристик отражения в видимой и инфракрасной области спектра для определения электрофизических параметров, толщины и контроля процесса образования:
- сильнолегированных пленок кремния, свободных от подложки;
- сильнолегированных слоев кремния в кремниевой подложке ПО спектрам отражения методом Фурье-спектрометрии;
- переходного слоя в кремниевых «п - п'» структурах;
- слоев поликристаллического кремния, сильно легированного мышьяком;
- слоев силицида платины;
- геттерирующих полупроводниковых слоев кремния, ионно-имплантированного аргоном;
- полупроводниковых слоев арсеиида галлия, легированного кремнием;
- пленок двуокиси кремния и нитрида кремния в двухслойной системе «двуокись кремния - нитрид кремния».
3. Исследование возможности контроля относительных атомных концентраций и толщины поверхностных пленок структур в технологии МИГ! СВЧ на основе метода количественной оже-спектроскопии.
Научная новизна
Научная новизна диссертационной работы заключается в поиске и разработке новых способов исследования слоистых структур МИП СВЧ с использованием методов оптической и электронной оже-спектроскопии, а также эллипсометрии в видимой и ИК-областях спектра.
При этом впервые:
1) применены методы оптической спектроскопии, Фурье-спектрометрии и количественной оже-электронной спектроскопии в далекой ИК-области спектра, а также эллипсометрии в видимой и далекой ИК-области спектра для исследования слоистых структур МИП СВЧ.
9
Предложены и экспериментально реализованы способы проведения исследования с применением указанных методов;
2) в ходе проведенных исследований получены следующие результаты:
- методами ИК-спектроскопии оценена молекулярная структура диэлектрических слоев на кремниевой подложке (Si02, Si3N4, AIN), полученных различными технологическими приемами, характерными для технологии МИЛ СВЧ, и подвергнутых действию окислительной среды и различным видам отжига;
- методами ИК-спектроскопии и эллипсометрии оценены оптические характеристики поликристаллических пленок кремния, сильно легированных мышьяком, а также легированных кислородом (SIPOS (02)) и азотом (SIPOS (N2));
- в ИК-спектрах слоев карбида кремния экспериментально обнаружена полоса поглощения в области волновых чисел 800 см'1, отнесенная автором к валентному колебанию связи Si—С;
в приближении модели гармонического осциллятора проведена количественная оценка величины силовой постоянной связи Si—С; предложен и экспериментально реализован неразрушающий метод экспрессной оценки качества образования геттерирующих слоев Si С;
методом эллипсометрии предложены и экспериментально реализованы способы оценки качества геттерирующих слоев кремния, ионно-имплантированного аргоном, и слоев арсенида галлия, ионно-имплантированного кремнием;
3) на основе методов оптической спектроскопии, Фурье-спектрометрии в далекой ИК-области и эллипсометрии предложены и экспериментально реализованы способы неразрушаюшего, невозмущающего, бесконтактного и экспрессного определения толщины, оптических и электрофизических характеристик:
сильнолегированного слоя кремния в кремниевой подложке; переходной области в кремниевых структурах «эпитаксиальный слой - скрытый слой»;
свободных от подложки пленок кремния, сильно легированных
бором;
слоев силицида платины;
4) на основе метода количественной оже-электронной спектроскопии предложен способ исследования и определения относительных атомных концентраций и толщины слоев структур, применяемых в технологии МИП СВЧ:
поверхности кремния, алюминия, бора, титана, силицида платины, арсенида галлия для различных технологических режимов; металлизации на кремнии и арсениде галлия.
Практическая значимость работы
Предложены и экспериментально реализованы способы:
ю
1) неразрушающего, невозмущающего, бесконтактного и экспрессного определения толщины слоев структур методом оптической спектроскопии и эллипсометрии:
а) сильнолегированного слоя кремния в кремниевой подложке;
б) переходной области в кремниевых структурах «эпитаксиальный слой - скрытый слой»;
в) свободных от подложки пленок кремния, сильно легированных
бором;
г) пленок двуокиси кремния и нитрида кремния в двухслойной системе «двуокись кремния - нитрид кремния»;
2) количественной оже-электронной спектроскопии для определения относительных атомных концентраций и толщины слоев:
а) на поверхности кремния, арсенида галлия, алюминия, бора, титана, силицида платины для различных технологических режимов;
б) металлизации на кремнии и арсениде галлия;
3) неразрушающей экспрессной оценки качества образования геттери-рующих слоев 81С на основе метода ИК-спектроскопии;
4) оценки качества геттерирующих слоев кремния, ионно- имплантированного аргоном, и слоев арсенида галлия, ионно-имплантированного кремнием на основе метода эллипсометрии;
5) неразрушающий бесконтактный экспрессный способ оценки качества образования слоев силицида платины методами ИК-спектроскопии и эллипсометрии.
Результаты научных исследований были использованы при выполнении тридцати восьми НИОКР по Программам развития твердотельной микроэлектроники и внедрены в технологические процессы изготовления приборов.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Разработан и внедрен в производство комплекс способов исследования слоистых структур монолитных интегральных приборов СВЧ на основе методов оптической спектроскопии и эллипсометрии.
2. Установлено, что оптическая спектроскопия и эллипсометрия являются универсальными методами при исследовании молекулярного состава аморфных и кристаллических диэлектрических, а также полупроводниковых структур (8Ю2, Л1М, 81Р08(02) и 81Р08(Ы2)) в технологии монолитных интегральных приборов СВЧ (МИТ I СВЧ).
3. Методами инфракрасной спектроскопии и эллипсометрии:
- установлено влияние импульсного отжига на молекулярную структуру пленок 8Ю2, полученных различными технологическими приемами;
- предложена феноменологическая модель процесса окисления пленок
81зЫ4;
- экспериментально установлено существование полосы поглощения 81-С в карбиде кремния, предложен и экспериментально реализован критерий оценки качества образования слоев карбида кремния.
11
4. 11редложены и экспериментально реализованы способы бесконтактного, невозмущающего, неразрушающего определения толщины с использованием методов Фурье-спектрометрии и инфракрасной спектроскопии в далекой и средней инфракрасных областях спектра:
- сильно легированных бором пленок кремния, свободных от подложки;
- пленок БЮг и 81зЫ4 в системе « 8Ю2- 81з1М4» на рабочих структурах;
- сильнолегированного слоя кремния в кремниевой подложке;
- переходной области на 1ранице раздела структуры «эпитаксиальный слой - скрытый слой» при эпитаксиальном наращивании кремния.
5. Показана принципиальная возможность использования оптической спектроскопии и эллипсометрии при определении электрофизических характеристик и толщины пленок поликристаллического кремния, сильно легированного мышьяком, а также для контроля процесса образования пленок силицида платины (Р181).
6. Предложены и экспериментально реализованы:
- эллипсометрический способ исследования качества геттерирующего слоя и структурного совершенства полупроводниковых слоев в технологии МИП СВЧ;
- метод количественной электронной оже-спектроскопии диэлектрических, полупроводниковых и металлических слоев для структур МИП СВЧ.
Апробация работы
Научные результаты, включенные в диссертацию, представлялись на:
• двух областных научно-технических конференциях, посвященных Дню советской науки и Дню радио (1983 - 1984г., г. Новосибирск);
• Всесоюзной конференции «Анапитические методы исследования материалов и изделий микроэлектроники» (1991г., г. Кишинев);
• Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (1999г., г. Н.- Новгород);
•Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений» (2000г., г. Н.- Новгород);
• ежегодных научно-технических конференциях «Современные проблемы геодезии и оптики» СГГА (1995-2001 г., г. Новосибирск);
• Четвертом Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-2000), посвященном памяти М.А.Лаврентьева (1900-1980) (2000г., г. Новосибирск);
• научно-технических советах по НИР «Оазис-3» и поисковой НИР «Оазис-5» предприятия ОАО «Октава» (1987 - 1992г., г. Новосибирск).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 24 печатных работы, в том числе: тезисы докладов на одной Всесоюзной конференции, двух Всероссийских конференциях, на Четвертом Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной
12
математике, посвященном памяти М.А. Лаврентьева (1900-1980), двух областных научно-технических конференциях, посвященных Дню советской науки и Дню радио, двух научно-технических конференциях СГГЛ, один зарегистрированный научно-технический отчет но ОКР. Список опубликованных работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и трёх приложений, изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 54 рисунка, 19 таблиц и библиографию из 148 наименований.
13