стр
4
10
10
14
23
23
25
27
27
27
27
28
29
29
31
31
34
37
37
40
42
44
46
50
52
53
53
53
54
57
57
57
58
59
59
60
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Анализ современных и перспективных проблем создании н диагностики гетерогенных твердотельных наносистем.
Введение.
Особенности функционирования энергонезависимых микросхем памяти. Методы и аппаратура измерения электрического потенциала и электрофизических параметров микроэлектронных структур. Элсктронно-зондовая и ИК- эмиссионная микроскопия.
Контактное микрозондовое тестирование.
Сканирующая зондовая микроскопия.
Сканирующая туннельная микроскопия.
Электростатическая силовая микроскопия.
Микроскопия сканирования емкости.
Сканирующие зондовые микроскопы.
Прецизионные сканирующие ионио — лучевые технологии.
Введение.
Нанотехнологический комплекс на основе электронно-ионного сканирующего микроскопа.
Электронно-ионный сканирующий микроскоп Nova 600 NanoLab. Создание кросс-секций.
Высокоселективное ионно-стимулированное осаждение и травление материалов с использованием газовой инжекционной системы. Особенности использования газовой инжекционной системы.
Процесс осаждения платины (Pt).
Процесс осаждения диэлектрика (TEOS).
Процесс ускоренного травления материалов (ЕЕ).
Процесс селективного травления материалов в среде XeF2 (IEE). Создание диагностических контактов на коммутационных токопроводящих шинах.
Создание мембран в локальных областях полупроводниковой структуры кристалла для «тонкого» структурного анализа методом сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии.
Технологическая подготовка интегральных микросхем ;щя проведения исследований методами атомно-силовой микроскопии.
Декапсуляция кристаллов интегральных микросхем для анализа с верхней стороны кристалла.
Рентгеновская интроскопия корпусов интегральных микросхем. Методика локального декапсулирования кристалла интегральной микросхемы.
Подготовка образцов для зондовых исследований с нижней стороны кристаллов
Механическая обработка.
Селективная химическая полировка.
Химическая чистка поверхности.
Методы атомно-зондового контроля электрофизических и морфологических свойств гетерогенных твердотельных систем (интегральные микросхемы).
Сканирующая зондовая микроскопия.
Контактная атомно-силовая микроскопия.
62
64
64
68
72
80
80
85
85
86
87
87
90
93
95
95
98
112
114
116
.>
Колебательные методики атомно-силовой микроскопии. «Полуконтактный» метод атомно-силовой микроскопии.
Микроскопия электростатических сил.
Взаимодействие зонда и образца при приложении напряжения. Методики измерения электрического потенциала с помощью сканирующей зондовой микроскопии.
Экспериментальные исследовании электрофизических и морфологических свойств гетерогенных твердотельных наносистсм (сверхбольшие интегральные схемы).
Аппаратно-программный комплекс на базе сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) для исследований электрофизических и морфологических свойств гетероген игах твердотельных малоразмерных систем.
Экспериментальные исследования пространственного, временного разрешения и чувствительности при измерении электрического потенциала на поверхности гетерогенных твердотельных объектов. Тестовые структуры.
Калибровка измерительной системы.
Оценка пространственного разрешения метода МЗК.
Оценка временного разрешения методов ЭСМ и МЗК.
Оценка чувствительности измерений электрического потенциала на поверхности гетерогенных объектов методов ЭСМ и МЗК. Экспериментальные исследования пространственного распределения концентрации электрически активных примесей в полупроводниковых областях кристаллов.
Исследования логических состояний энергонезависимой памяти с помощью аппаратно- программного комплекса методами СЗМ. Экспериментальные исследования логических состояний ячеек памяти интегральной микросхемы Рю12С508а.
Экспериментальные исследования логических состоянии ячеек памяти интегральной микросхемы Р1с161784а.
Оценка возможности использования разрушающих (обратная сторона кристалла) методов сверхлокального контроля функциональных областей памяти.
Выводы.
Литература.
Введение.
Актуальность темы.
Современный этап развития физики конденсированных сред характеризуется устойчивым ускорением в проведении фундаментальных и прикладных исследований свойств гетерогенных твердотельных наносистем, наноматериалов и сложных объектов различного назначения, созданных на их основе.
Характерные размеры элементарных объектов и областей их взаимодействия присущие внутреннему строению ианоразмерных систем находятся в диапазоне - 1-400 нм, поэтому применение большинства хорошо известных физических методов исследований оказываются малопригодными. Последнее обстоятельство приводит к необходимости создания принципиально новых и адаптации существующих экспериментальных методов изучения физических явлений.
Среди разнообразных и многоплановых проблем создания и аналитической диагностики современных наномагериалов и наноустройств на основе кремния особое место занимают физико-химические аспекты изучения объектов современной микроэлектроники. К таковым относятся сверхбольшие интегральные схемы, являющиеся на сегодня основой большинства информационных систем. В связи с этим возрастают требования как к технологическому оборудованию и способам интегралыго-групнового производства сверхбольших интегральных схем с наноразмерными проектными нормами, так и к методам кот-роля изделий на стадии разработки, проведения испытаний на надежность, а в ряде случаев и на оценке степени обеспечения информационной безопасности. Это связано не только со сверхмалыми геометрическими параметрами базовых активных элементов, но и с конструктивной сложностью изделий наноэлектроники, представляющих собой многослойные нано размерные гетерогенные твердотельные системы, использующие, как правило, низкие рабочие напряжения, высокие частоты функционирования при чрезвычайно высокой «чувствительности» к процессу измерений параметров.
Особое место в структуре сверхбольших интегральных микросхем занимают микросхемы памяти, реализованные по «металл-оксид-полупроводинк» технологии и широко применяющиеся в системах телеметрического контроля объектов космического, воздушного, морского и наземного базирования как гражданского, так и специального назначения. В случае разрушающих воздействий внешней среды (механические нап->узки, ионизирующее излучение, высокие температуры, химически агрессивные среды) единственным носителем информации об особенностях функционирования в экстремальных условиях всего комплекса исполнительных систем объекта служат микросхемы памяти. При этом нарушение внутрикристальных коммутационных связей между отдельными функ-
циональными областями исключает непосредственное электрическое тестирование данных устройств существующими штатными средствами. Однако особенности физической реализации элементарных ячеек памяти позволяют с определенной вероятностью хранить, записанную в них информацию в двоичном представлении. В связи с этим актуальной становится разработка технических средств, технологических процессов и соответствующих методов неразрушающей и разрушающей диагностики кристаллов микросхем памяти с целью анализа физического состояния ячеек памяти.
Исходя из ранее указанных особенностей объектов исследований, настоящая работа направлена на создание комплекса аппаратных средств и высокоразрешающих методов диагностики электрофизических и морфологических свойств интегральных микросхем, основанных на применении остросфокусированттого (~ 7 нм) ионного зонда и сканирующей зондовой микроскопии. Ионно-зондовые методы обеспечивают наноразмерное, прецизионное избирательное (при использовании нонно-стимулированных химических реакций) препарирование гетерогенных твердотельных объектов, в то время как атомно-зондовые методы с большим пространственным разрешением дшот возможность не только наблюдать объект, но и осуществлять бесконтактным неразрушающим способом количественный контроль электрофизических п электрических параметров сверхбольших интегральных микросхем.
Несмотря на то, что современные сканирующие зондовые микроскопы оснащены достаточно большим набором измерительных режимов, их практическое применение выявило ряд недостатков, ограничивающих возможности их эффективного использования для решения поставленной задачи. Большинство методик применяется только на «идеальных» со структурно-морфологической точки зрения образцах. Предоставляемая информация часто трудно интерпретируема нз-за зависимости результатов сразу от нескольких свойств образца. Вследствие чего потребовалось создание тестовых образцов с известными физическими свойствами и проведение комплекса измерений, что позволило осуществить калибровку аппаратных средств и с высокой достоверностью интерпретировать результаты исследований.
В данной работе в качестве объектов исследований были выбраны современные серийные образцы интегральных микросхем широко применяемых в информационных системах.
5
Цель работы.
Целыо диссертационной работы являлась разработка фнзико-тсхнологических основ комплекса аппаратных средств и высокоразрешающих методов диагностики электрофизических и морфологических свойств интаральных микросхем, изготовленных по суб-микронным и наноразмерным проектных! нормам, основанных на применении остросфо-кусированного (~7 нм) ионного зонда и сканирующей зондовой микроскопии.
В соответствии с указанной целыо в работе решались следующие задачи:
1. Проведение комплексных исследовании по разработке методов нано-размерного ионно-зондового препарирования кристаллов кремниевых интегральных микросхем, основанных на свсрхлокальных процессах:
ионного распыления материалов под действием остросфокусированного ионного пучка при высоких ускоряющих напряжениях;
- избирательного травления и осаждения материалов с использованием акти-
вации остросфокусироваииым ионным пучком газовых реагентов, т.е. с помощью иошю-стимулированных химических реакций.
2. Разработка методов сверхлокалыюго контроля распределения электрически активных примесей в субмикронных и наноразмерпых полупроводниковых областях кристаллов интаралытых микросхем, основанных на сочетании процессов локального ионно-зондового препарирования и атомно-зондовых измерений концентрации электрически активных примесей.
3. Разработка неразрушающих (верхняя сторона кристалла) и разрушающих (обратная сторона кристалла) методов свсрхлокального коптро;1Я электрического потенциала функциональных областей (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства) кристаллов интеграчьных микросхем, основанных на проведении электрических измерений с помощью сканирующего зондового микроскопа в электростатической моде и в режиме зонда Кельвина.
Научная новизна.
Предложен комплекс взаимно скоррелированных сверхлокальиых физико-технологических методов и аппаратных средств, основанных на применении остросфоку-сированного (~ 7 нм) ионного и атомного силового зондов для решения задач препарирования и тестирования кристаллов сверхбольших интегральных микросхем с целыо контроля их морфологических, элскгрофизическнх и элекгрических параметров при проведении работ, связанных с обеспечением надежности, информационной безопасности, вос-
6
становления телеметрической информации «черных ящиков» в условиях перехода к элементной базе с субмикронными и наноразмерными проектными нормами, включая:
- сверхлокалыюе (разрешение не хуже 50 нм) ионно-лучевое и ионно-
стимулированное химическое травление кремния, поли кристаллического кремния, диок-
сида и нитрида кремния, нитридов тугоплавких металлов и металлических композиций;
- сверхлокальное (разрешение не хуже 50 нм) ионно-стимулированное химическое осаждение диэлектрических и металлических материалов на кремниевую подложку;
свсрхлокальный (разрешение не хуже 10 нм) контроль распределения электрически активных примесей (в диапазоне 1015 —10 ° ем’3) в субмикронных и наноразмер-ных полупроводниковых областях кристаллов интегральных микросхем;
- сверхлокальный (до 10 нм) контроль распределения электрического потен-
циала (чувствительность нс хуже 100 мВ) на поверхности функциональных областей кристаллов ишчлральных микросхем, в том числе, при сохранении се работоспособности.
Научная и практическая ценность.
1. Предложена и реализована методика прецизионного локального препарирования сверхбольших интегральных микросхем с помощью остросфокусированного ионного пучка, включающая рекомендации по обеспечению свсрхлокалыюсти и избирательности травления отдельных материалов в составе многослойной композиции (до 9 слоев коммутации).
2. Предложен и реализован метод конгроля распределения электрически активных примесей в субмикронных и наноразмерных структурообразующих полупроводниковых областях сверхбольших интегральных микросхем в диапазоне концентрации 1015-1019 см’3 е пространственным разрешением не хуже 10 нм, основанный на нетрадиционной методике:
- создания свсрхлокального косого шлифа ионио-лучевым травлением кристалла под малым углом к поверхности;
- применения атомно-зондового сканирования во вскрытой области по глубине в режиме емкостной моды.
3. Предложены и реализованы методики свсрхлокального контроля электри-
ческого потенциала в функциональных областях (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства) кристаллов сверхбольших инте1ральных микросхем с помощью сканирующего зондового микроскопа вэлектроета-
7
тической моде или при использовании метода зонда Кельвина с пространственным разрешением до 10 нм и чувствительностью не хуже 100 мВ, в том числе:
- через защитные изолирующие диэлектрические слои без препарирования и нарушения функционирования кристаллов (верхняя сторона);
- через тонкий окисел, вскрытый локальным селективным травлением подложек кремния.
4. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ.
Основные положения, вынесенные на защиту.
1. Предложена и реализована методика прецизионного препарирования гетерогенных твердотельных наноразмерных систем (сверхбольших интегральных микросхем) с помощью остросфокусированного ионного пучка и ионно-стимулированных химических реакций, обеспечивающая сверхлокальность, избирательность травления и осаждения отдельных материалов в составе многослойной композиции структурообразующих слоев.
2. Показано, что для контроля распределения электрически активных примесей в субмикронных и наноразмерных структурообразующих полупроводниковых областях сверхбольших интегральных микросхем эффективной является методика, основанная на сочетании процессов создания локального косого шлифа под малым углом к поверхности кристалла остросфокусированным ионным пучком и последующего атомно-зондового сканирования вскрытой вглубь кристалла области в режиме емкостной моды.
3. Экспериментально установлено, что для обеспечения локального контроля электрического потенциала в функциональных полупроводниковых областях (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства) кристаллов сверхбольших интегральных микросхем эффективна методика, основанная на проведении электрических измерений с помощью сканирующего зоидового микроскопа в электростатической моде или при использовании метода зонда Кельвина
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и симпозиумах:
III Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», 14-19 сентября 2003 г., Кисловодск. Ставрополь: СевКавГТУ,
8
Ежегодный научно- технический семинар «Вакуумная техника и технология», 1-3 июня 2004, Санкт-Петербург, IV Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», 19-24 сентября 2004 г., г. Кисловодск, IX международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники», Дивноморское, Россия, 12-17 сентября 2004 г., IX международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники», Дивно-морское, Россия, 12-17 сентября 2004.
9
Глава 1. Анализ современных и перспективных проблем создания и диагностики гетерогенных твердотельных наносистем.
Введение.
Развитие современной микроэлектроники на протяжении последних сорока лет неуклонно подчиняется закону Мура, который гласит, что число транзисторов на чипе удваивается каждый год. В доказательство потенциала закона Мура для современной кремниевой технологии можно привести успешные работы Intel (США) (и некоторых других ведущих мировых компаний) по разработке и внедрению более «тонких» технологических процессов производства микросхем, работы по которым идут полным ходом, и где уже видны некоторые успехи. Например, производство памяти и процессоров по технологии 32 нанометров уже отлажено, а в 2011 году настанет черёд технологического процесса 22 нм. Причём в корпорации Intel уже есть конкретные научно-технические разработки, которые позволяют реализовать все эти планы.
Анализ современных и перспективных технологических процессов, материалов, конструктивно-технологических и схемотехнических решений применяемых при изготовлении сверхбольших интегральных схем, выполненных по субмикрон-ной и наноразмерной технологии.
Наиболее полное представление о современном состоянии технологии микроэлектроники дает анализ работ в этой области ведущих микроэлектронных фирм мира. Так NEC, Sony и Toshiba (Япония) совместно разрабатывают 22-нанометровый технологический процесс для производства чипов. Компания NEC присоединилась к Sony и Toshiba, н теперь три корпорации будут вместе работать над созданием более высокоточной технологии производства LSI-чипов (LSI - Large Scale Integration, интеграция в больших масштабах). В настоящее время чипы LSI используются в телевизорах, сотовых телефонах, плеерах и другой потребительской электронике. Вместе NEC, Sony и Toshiba разработают 22-нанометровый технологический процесс, что сделает чины компактнее, экономнее и функциональнее. Это позволит создавать значительно более прогрессивные устройства, даст возможность реализовать в бытовой технике возможности, которые несколько лег назад были только в уникальных приборах. Первыми работу над более совершенным технологическим процессом начали Sony и Toshiba. Разработка сверхтонких технологий производства очень дорога. Стоимость современных фабрик по производству полупроводников, использующих самые современные технологии, уже существенно превышает 2,5 миллиарда долларов США, что могут позволить себе только самые крупные корпорации или альянсы крупных компаний.
10
- Київ+380960830922