способ контроля дефектности пленок кремния на диэлектрических подложках

Формула изобретения

Способ контроля дефектности пленок кремния на диэлектрических подложках, включающий эллипсометрические измерения показателя преломления пленок, отличающийся тем, что измерение показателя преломления выполняют при различных положениях структуры, устанавливаемых путем вращения ее вокруг нормали к поверхности, и по измеренным значениям определяют коэффициент анизотропии А=1-n_max /n_min, где n_max, n_min - максимальное и минимальное значение показателя преломления, а о степени дефектности судят по величине коэффициента анизотропии.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к неразрушающим способам диагностики структурного совершенства эпитаксиальных слоев кремния, выращенных на диэлектрических подложках, и может использоваться в технологии микроэлектроники для контроля качества приборных слоев в композициях типа "кремний на сапфире".

Характерной особенностью таких структур является высокий уровень остаточных механических напряжений и кристаллографических дефектов (дефектов упаковки, двойников, дислокации, примесей и т.п.) в приборном слое, возникающих вследствие различий периодов кристаллических решеток и термомеханических свойств кремния и сапфира, а также остаточных структурных нарушений на поверхности подложек. Наличие напряжений и структурных дефектов в пленках кремния ухудшает электрофизические, функциональные и надежностные характеристики формируемых на них дискретных приборов и интегральных схем. При этом снижается процент выхода годных изделий. В связи с этим в технологии весьма важен прецизионный контроль дефектности исходных кремниевых слоев до начала изготовления на них элементов активных приборов. Причем контроль должен осуществляться неразрушающими методами, обеспечивающими возврат структур после диагностики в технологический процесс или их отбраковку.

Известен способ контроля дефектности пленок кремния на диэлектрических подложках путем регистрации дифракционной картины рентгеновских лучей, отраженных от пленки, и определение углового положения и полуширины дифракционных пиков, по величине которых судят о степени дефектности пленок [1]. Этот метод является неразрушающим и достаточно чувствительным к наличию дефектов и упругих напряжений в материалах. Недостаток способа [1] в том, что при контроле тонких пленок толщиной менее 1 мкм (а именно они используются в современной полупроводниковой микроэлектронике) из-за искажений дифракционных кривых отражениями от диэлектрической монокристаллической подложки увеличивается погрешность в определении угловых положений и полуширины брэгговских пиков от пленки, а следовательно, снижается мера адекватности результатов рентгеновской диагностики реальной картине распределения дефектности в исследуемом слое. Кроме того, при рентгеновском анализе, особенно тонких слоев, т.е. малых углах дифракции, получаемая информация усреднена по большой площадям диагностируемого слоя, т.е. способ [1] не позволяет проводить локальный контроль дефектности приборных слоев.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ контроля дефектности пленок кремния на диэлектрических подложках, например сапфире, путем эллипсометрических измерений показателя преломления, по значению которого судят о структурном совершенстве пленок и переходного слоя на границе с подложкой [2]. Вывод о степени дефектности эпитаксиальных слоев делается на основе сопоставлении измеренного показателя преломления с показателем преломления для монолитного монокристаллического кремния. Чем больше различие между измеренным и эталонным показателями, тем выше степень дефектности пленок. Этот способ также является неразрушающим и при использовании лазерного излучения с малой угловой расходимостью зондирующего луча позволяет в отличие от рентгеновского метода контроля осуществлять локальный контроль дефектности материалов.

Недостаток способа [2] в том, что при его реализации измерения показателя преломления проводятся либо в отдельных точках поверхности, либо при линейном сканировании, т.е. поступательном перемещении диагностируемой структуры. При такой процедуре измерений эллипсометрический метод чувствителен к неоднородности распределения дефектности вдоль поверхности пленок, но не фиксирует анизотропию распределения дефектов и упругих напряжений, которая характерна для гетерогенных композиций. Низкая чувствительность к угловой зависимости распределения дефектности (в плоскостях, параллельных поверхности структуры) повышает вероятность ошибок при разбраковке структур.

Технический результат заявляемого способа - повышение чувствительности эллипсометрического контроля дефектности пленок кремния на диэлектрических подложках.

Технический результат достигается тем, что в способе контроля дефектности пленок кремния на диэлектрических подложках, включающем эллипсометрические измерения показателя преломления пленок, измерение показателя преломления выполняют при различных положениях структуры, устанавливаемых путем вращения ее вокруг нормали к поверхности, и по измеренным значениям определяют коэффициент анизотропии А=1-n_mах/n_min, где n_mах, n _min - максимальное и минимальное значение показателя преломления, а о степени дефектности судят по величине коэффициента анизотропии.

Новым, не обнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы, в заявляемом способе является то, что измерение показателя преломления выполняют при различных положениях структуры, устанавливаемых путем вращения ее вокруг нормали к поверхности, и по измеренным значениям определяют коэффициент анизотропии А=1-n_mах /n_min, где n_mах, n_min - максимальное и минимальное значение показателя преломления, а о степени дефектности судят по величине коэффициента анизотропии.

Технический результат в заявляемом способе достигается тем, что измерения показателя преломления при различных положениях структуры, устанавливаемых поворотом ее по нормали к поверхности, позволяют определить анизотропию изменения оптических свойств пленок в любой точке поверхности, связанную с неоднородным распределением в кремниевой пленке структурных дефектов и упругих напряжений. На основе результатов таких измерений может быть восстановлена более точная картина топологического распределения дефектов и сделаны оценки значений их концентрации (плотности) в различных зонах кремниевой пленки, а следовательно, и более строго и точно осуществить разбраковку структур по качеству.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Исследуемую структуру "кремний на диэлектрике" после очистки помещают на столик эллипсометра и производят определение показателя преломления. Столик со структурой поворачивают вокруг вертикальной оси на заданный угол и производят следующий цикл измерений. Угловой шаг поворота выбирают в соответствии с симметрией поверхности кремниевой пленки. Например, при ориентации (001) целесообразно поворачивать структуры на углы, кратные 45°; при ориентации (111) - на углы, кратные 30° или 60°. Операцию проводят при каждом повороте столика на заданный угол до возвращения структуры в исходное угловое положение. Из полученного ряда значений показателя преломления находят минимальное (n_min) и максимальное (n_max) значения и рассчитывают величину коэффициента анизотропии по формуле

А=1-n_max/n_min .

Полученное значение коэффициента анизотропии сравнивают с максимально допустимым значением А_mах. Структуры считаются годными, если выполняется соотношение А<А_mах .

Пример практической реализации заявляемого способа.

Контролю на дефектность по способу [2] и заявляемому способу подвергали структуры "кремний на сапфире" с толщиной пленок кремния n-типа проводимости толщиной 0,3 мкм с ориентацией [001] на подложках толщиной 480 мкм. Измерения показателя преломления проводили на автоматизированном цифровом эллипсометре ЛЭФ-601 на длине волны 0,63 мкм. Показатель фиксировался не менее чем на 20 точках поверхности. Точность измерений была n=±10 ^-3 с надежностью 0,95. При контроле дефектности по заявляемому способу показатель преломления в каждой точке регистрировался после поворота структуры вокруг нормали к поверхности с дискретным шагом на угол 45°. Структура отбраковывалась, если показатель преломления пленки кремния отличался от показателя преломления для контрольного монокристалла КЭФ - 4,5 (001) n=3.871 более чем на 30%. Такое ограничение обусловлено тем, что по рентгеновским измерениям упругие напряжения в пленках, у которых показатель преломления отличается от "эталонного" более чем на 30%, достигает величины (0,5-0,6) ГПа. При таких напряжениях структуры, как правило, разрушаются в процессе изготовления микросхем. Дефектность и такого уровня упругие напряжения в пленках обуславливают анизотропию показателя преломления с максимальным коэффициентом анизотропии А_mах=0,16-0,17. Это значение коэффициента анизотропии также использовалось как ограничение при разбраковке по заявляемому способу - годными считались структуры, для которых А<А_mах.

Качество структур, признанных годными после разбраковки, оценивалось по измерению показателя преломления после рентгеновского излучения с энергией 70 кэВ экспозиционной дозой 30 Р. При таком воздействии в структурах происходит трансформация дефектов, влияющая на показатель преломления. Облучение в этих же режимах контрольных кристаллов КЭФ - 4,5 не изменяет их показатель преломления.

Результаты экспериментов по разбраковке партии структур из 23 шт. представлены в таблице.

Таблица Число годных структур после разбраковки
Способ разбраковки	Количество структур, шт.
	До облучения	После облучения
Известный способ [2]	19	13
Заявляемый способ	14	13

Как видно из таблицы, использование заявляемого способа позволяет более точно осуществить разбраковку структур по степени дефектности эпитаксиального слоя кремния.

Таким образом, технический результат повышения чувствительности эллипсометрического контроля дефектности пленок кремния на диэлектрических подложках.

Литература

1. Зайцев А.А., Корнеев Д.Е., Тихомиров Г.В. Рентгенодифракционные методы контроля структур "кремний на сапфире" // Электронная техника. Сер.2. Полупроводниковые приборы. 1986, вып.5 (184), с.42-43.

2. Гастев В.В., Сухоруков О.Г., Стрижков Б.В. Особенности переходного слоя эпитаксиальный кремний - сапфир // Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1988, вып.4 (233), с.28-31.