способ контроля дефектности диэлектрических пленок

Формула изобретения

Способ контроля дефектности диэлектрических пленок, включающий эллипсометрические измерения показателя преломления пленки, отличающийся тем, что перед измерениями к пленке перпендикулярно ее поверхности в течение 90-120 мин прикладывают постоянное электрическое напряжение, величина которого в 10-50 раз меньше напряжения пробоя, и о степени дефектности пленки судят по скорости изменения ее показателя преломления после снятия напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к неразрушающим способам диагностики структурного совершенства диэлектрических слоев, осажденных на проводящую или полупроводниковую подложку, и может использоваться в технологии микроэлектроники для контроля качества подзатворных диэлектриков, маскирующих, защитных или изолирующих слоев.

Известен способ электрографического контроля дефектности, прежде всего сквозной пористости, диэлектрических пленок путем получения изображения на фотобумаге, соответствующего картине распределения пор по поверхности пленки при пропускании электрического тока через систему полупроводник (кремневая подложка) - диэлектрик - смоченная в водном растворе гидрохинона фотобумага [1] .

Недостаток известного способа в том, что он позволяет контролировать только наличие в диэлектрике сквозных пор с диаметром более 0,1 мкм.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ контроля дефектности диэлектрических пленок путем эллипсометрических измерений их показателя преломления, по величине которого можно судить о плотности материала пленки и о наличии в ней микро- и макроскопических пор [2] .

Недостаток способа [2] заключается в низкой чувствительности обычных эллипсометрических измерений к пористости пленок в случае, когда эти макроскопические неоднородности экранируются примесными атмосферами, компенсирующими частично или полностью собственные поля упругих напряжений пор, особенно в случае замкнутой формы последних.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение чувствительности контроля дефектности диэлектрических пленок за счет снижения экранирующего дефекты влияния примесей.

Технический результат достигается тем, что в способе контроля дефектности диэлектрических пленок, включающем эллипсометрические измерения показателя преломления пленки, перед измерениями к пленке перпендикулярно ее поверхности в течение 90-120 мин прикладывают постоянное электрическое напряжение, величина которого в 10-50 раз меньше напряжения пробоя, и о степени дефектности пленки судят по скорости изменения ее показателя преломления после снятия напряжения.

Новым, необнаруженным при анализе научно-технической и патентной литературы в заявляемом способе является то, что перед измерениями показателя преломления к пленке перпендикулярно ее поверхности в течение 90-120 мин прикладывают постоянное электрическое напряжение, величина которого в 10-50 раз меньше напряжения пробоя, и о степени дефектности пленки судят по скорости изменения ее показателя преломления после снятия напряжения.

Технический результат в заявляемом способе достигается благодаря тому, что приложение постоянного электрического поля к структуре с пленкой, перпендикулярного ее поверхности, и выдержка в этом поле в течение определенного времени сопровождаются растворением окружающих дефекты, прежде всего макро- и микропоры, примесных атмосфер, состоящих преимущественно из ионов, притягивающихся в зависимости от знака к отрицательному или положительному электродам. Это приводит к уменьшению экранирующего влияния примесей на собственные поля упругих напряжений, связанных с порами, в результате чего амплитуда этих полей увеличивается, а следовательно, изменяется оптическая плотность материала диэлектрической пленки и ее показатель преломления. После того как внешнее поле снято, примеси за счет диффузионно-дрейфовых процессов вновь образуют примесные атмосферы вокруг дефектов (пор) и значение показателя преломления восстанавливается до исходного, т. е. величины, свойственной пленке без выдержки в электрическом поле. Скорость такого восстановления пропорциональна концентрации дефектов. Это позволяет путем сопоставления результатов, полученных на структурах с пленками различной дефектности, определять концентрацию дефектов. Ограничение, накладываемое на величину напряженности электрического поля, которая должна быть меньше критического значения пробоя диэлектрической пленки, обеспечивает неразрушающий контроль пленок по заявляемому способу.

Заявляемый способ реализуют следующим образом. Перед началом измерений показателя преломления пленки стандартным эллипсометрическим методом [2] структуру с пленкой помещают между металлическими электродами, к которым прикладывают постоянное электрическое напряжение величиной в 10-50 раз меньшей, чем напряжение пробоя материала пленки. Напряжение пробоя конкретных диэлектрических материалов, используемых в электронной технике, известны по справочной литературе. В случае контроля дефектности модифицированных или вновь разработанных диэлектриков напряжение пробоя определяют предварительно известными методами [3] . Структуры выдерживают в электрическом поле в течение 90-120 мин, а затем проводят эллипсометрические измерения показателя преломления пленки, фиксируя его изменение во времени. По полученным данным определяют скорость изменения (восстановления) показателя преломления, по величине которой судят о степени дефектности, например, пористости диэлектрической пленки. Численные значения концентрации дефектов в пленках определяют по градуировочным графикам (таблицам) или аналитическим зависимостям, аппроксимирующим экспериментальные данные. Для нахождения таких зависимостей для пленок конкретных материалов предварительно выполняют комплекс эллипсометрических измерений релаксации показателей преломления после обработки в электрическом поле структур с пленками, в которых концентрация дефектов уже известна, например определена электрографическим методом [1] . А далее по найденным зависимостям (в графическом, табличном или аналитическом виде) и измеренным на эллипсометре скоростям изменения показателя преломления для данной контролируемой пленки вычисляют концентрацию дефектов в ней. При низком значении концентрации дефектов ее определяют путем интерполяции с использованием градуировочных зависимостей.

Пример практической реализации заявляемого способа.

Пластины кремния марки КДБ-12(001) толщиной 460 мкм окисляли в потоке влажного кислорода при 1420 K и выращивали на поверхности пленку диоксида кремния толщиной 0,56-0,58 мкм. Затем структуры отжигали в потоке сухого азота в течение 10 мин при различных температурах и по изменению показателя преломления фиксировали температуру, при которой начинается процесс уплотнения пленок диоксида кремния, т. е. начинается процесс растворения пор. Исходное значение показателя преломления до отжига пленок в азоте, измеренное на эллипсометре ЛЭФ-601, составляло 1,472 0,01. Измерения показателя преломления проводились не менее чем в 10 точках поверхности пленок и усреднялись с надежностью 0,98.

Минимальное значение температуры начала уплотнения пленок, фиксировавшееся по способу-прототипу и заявляемому способу, однозначно соотносится с чувствительностью способа определения дефектности диоксида кремния: чем ниже температура, при которой начинается процесс растворения микропор, регистрируемый данным способом, тем, очевидно, чувствительнее этот способ к степени дефектности исследуемой пленки. При измерениях по заявляемому способу структуры выдерживали в постоянном электрическом поле при напряжении от источника Б5-47 в режиме стабилизации напряжения в течение различного времени. Предварительно на тестовых структурах было определено напряжение пробоя пленок, которое было равным 240 В, т. е. напряженность пробивного поля 4,210⁶ В/см. Поэтому прикладываемое к структурам напряжение варьировали от 4 до 30 B. Измерения релаксации показателя преломления после выдержки в электрическом поле заданной величины проводили при комнатной температуре с временным шагом 1 час в течение нескольких суток. Точность измерений приращений показателя преломления на эллипсометре 0,001. Результаты измерений представлены в таблице.

Как видно из данных таблицы, применение известного способа позволяет зафиксировать начало уплотнения пленки только при температурах отжига Т = 1140 K. Заявляемый способ позволяет зарегистрировать начало процесса растворения микропор при более низких температурах 950-1080 K. Причем оптимальными при реализации способа являются выдержка структур в течение 90-120 мин в электрическом поле под напряжением в 10-50 раз меньшем, чем напряжение пробоя, т. е. при значениях напряжения из интервала 5,0-25 В. Таким образом, заявляемый способ более чувствителен к изменению степени дефектности диэлектрических пленок по сравнению с известными.

Литература

1. Курносов А. И. , Юдин В. В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М. : Высш. шк. , 1986, с. 134-135.

2. Палатник Л. С. , Черемской П. Г. , Фукс М. Я. Поры в пленках. М: Энергоиздат, с. 180-190 (прототип).

3. Корзо В. Ф. , Чернов В. Н. Диэлектрические пленки в микроэлектронике. М. : Энергия, 1977, с. 196-257.