Технология получения полупроводниковых подложек кремния. Способ определения глубины нарушенного слоя полупроводниковой пластины Роль глубины нарушенного слоя

Введение

Глава 1. Аналитический обзор литературы 11

1.1. Общие характеристики метода ионной имплантации 11

1.1.1 Теория пробегов и распределения ионов в твердых телах 11

1.1.2. Образование радиационных дефектов при ионной имплантации 15

1.1.3. Формирование профилей распределения радиационных дефектов

1.2. Влияние параметров имплантации протонов на микроструктуру, профиль распределения, механические и электрофизические свойства кремния

1.2.1. Влияние энергии протонов 27

1.2.2. Влияние дозы протонов 29

1.2.3. Влияние постимплантационного отжига 33

1.2.4. Влияние разной ориентации подложек 38

1.3. Применение имплантации протонов в технологии изготовления полупроводниковых приборов

1.4. Заключение по Главе 1 45

Глава 2. Методы исследования структуры нарушенных слоев 46

2.1. Метод рентгеновской дифрактометрии 47

2.1.1. Метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии 48

2.1.2. Метод трехкристальной рентгеновской дифрактометрии 51

2.1.2.1. Диффузное рассеяние рентгеновских лучей на микродефектах в монокристаллах

2.1.2.2. Профили интенсивности ТРД в случае монокристаллов с дефектами кулоновского типа

2.2. Метод рентгеновской топографии 64

2.3. Метод просвечивающей электронной микроскопии 66

2.4. Заключение по Главе 2 67

Глава 3. Объекты исследования и методики экспериментов и измерений 68

3.1. Кристаллы кремния, имплантированные с различными энергиями и дозами ионами водорода после имплантации и отжига

3.2. Методика облучения 69

3.3. Построение профилей распределения внедренного водорода и радиационных дефектов в кремнии по программе TRIM

3.4. Методика измерения профиля удельного сопротивления 72

3.5. Методика рентгеновских исследований 73

3.5.1. Идентификация нарушенного слоя с помощью метода рентгеновской топографии

3.5.2. Изучение структуры ионноимплантированных слоев методом рентгеновской дифрактометрии

3.5.3 Метод определения интегральных характеристик нарушенного слоя

3.5.4. Методика получения профилей деформации по кривым дифракционного отражения

3.5.5. Определение параметров микродефектов по результатам измерения интенсивности диффузного рассеяния рентгеновских лучей

3.6. Методика подготовки образцов для исследования методом просвечивающей электронной микроскопии

3.7. Заключение по Главе 3 89

Глава 4. Результаты комплексного исследования ионноимплантированных слоев и их обсуждение

4.1. Результаты исследования влияния облучения на структурные свойства кремния

4.1.1. Результаты исследования влияния дозы и температуры протонного облучения на интегральные характеристики нарушенного слоя

4.1.2. Результаты исследования влияния поля механических напряжений на формирование нарушенного слоя при имплантации ионов водорода в кремний

4.1.3. Результаты исследования влияния постимплантационной термической обработки на процесс дефектообразования

4.1.4. Результаты определения параметров и качественных изменений характера микродефектов в имплантированных протонами слоях кристаллов кремния

4.1.5. Анализ изменения характеристик микродефектов кристаллов кремния, облученных протонами при термической обработке

4.2. Результаты исследования возможности применения 146 имплантации протонов для коррекции характеристик рІп- фотодиодов

4.3. Заключение по Главе 4 158

Основные результаты и выводы по диссертации 160

Литература 163

Введение к работе

В последние десятилетия возможности традиционной металлургии полупроводников были существенно расширены за счет использования технологии ионной имплантации, которая позволяет вводить в материал практически любые примеси с концентрациями, не ограниченными пределом растворимости . В настоящее время достаточно хорошо изучены основные закономерности процессов, протекающих при этом способе легирования, выявлены его достоинства и возможности использования, а сама ионная имплантация стала одним из базовых технологических процессов.

Долгое время практически единственным применением ионной имплантации, как в планарной, так и непланарной технологии являлось введение легирующих примесей в полупроводники при производстве дискретных приборов и интегральных схем . В последние годы область применения ионной имплантации существенно расширилась.

Актуальность работы обусловлена быстро развивающимися направлениями практического использования ионной имплантации в современной технологии производства приборов микроэлектроники. В частности, для контролируемого введения радиационных нарушений с целью разделительной изоляции элементов интегральных схем, ускорения диффузии и стимуляции электрической активности внедренных примесных атомов, прецизионной корректировки и создания высокоомных резисторов, получения аморфизированных слоев, геттерирования нежелательных примесей, управления свойствами контакта металл-полупроводник и др. . Но за стремлением получить оптимальные параметры ионноимплантированного материала, готового для производства на его основе прибора, остается в тени изучение процессов, происходящих в кристалле во время проведения в нее имплантации ионов, что тоже важно для микроэлектронных технологий. С отсутствием четкого представления о механизме структурных изменений в

приповерхностных пересыщенных дефектами слоях ионноимплантированных структур связано большинство технологических проблем.

Исследования, выполненные в последние годы, показали перспективность облучения кремния легкими ионами (водород, гелий) для формирования, так называемых "нарушенных" слоев и областей. Особенностью таких слоев является существование в них большого количества структурных дефектов, создаваемых имплантацией ионов водорода и последующей термообработкой. В зависимости от режимов имплантации, температуры и времени отжига возможно создание областей, насыщенных дефектами различного вида: кластерами и скоплениями точечных дефектов, микропорами, газовыми пузырями, заполненными водородом. Изучение природы и характеристик дефектов, возникающих при имплантации, позволит расширить возможности метода ионной имплантации в области создания новых технологий и управления характеристиками микроэлектронных устройств. Информация о структуре ионноимплантированных образцов позволит решить вопрос о подборе доз и энергий ионной имплантации, а также температуры отжига с целью оптимизации свойств нарушенного слоя для конкретного практического применения. Все это делает данную работу актуальной.

Целью данной работы являлось выявление основных закономерностей формирования дефектной структуры слоев кремния, имплантированных ионами водорода в различных условиях и ее эволюции при термической обработке, а также исследование возможности использования имплантации протонов для модификации свойств поверхностных слоев кремния с целью улучшения параметров и увеличения выхода годных электронных приборов.

Для достижения указанных целей необходимо было решить следующие основные задачи :

1). Установить зависимость характера дефектообразования от условий имплантации (энергии и дозы);

2). Выяснить роли внешних факторов (температура, поля механических напряжений) в формировании дефектной структуры в процессе имплантации;

3). Определить структурные и электрофизические характеристики слоев кремния, нарушенных имплантацией протонов и проследить их изменения в ходе последующей термической обработки;

4). Идентифицировать и определить характеристики микродефектов, возникающих в процессе имплантации ионов водорода и проследить их эволюцию в процессе термической обработки;

5). Выявить возможности использования свойств нарушенных слоев, созданных имплантацией протонов для управления характеристиками кремниевых электронных приборов.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

Получены новые результаты об изменениях структурных и электрофизических свойств нарушенных слоев кристаллов кремния при облучении его протонами с энергиями в диапазоне от 100 до 500 кэВ, дозами от 10 15 до 2-10 16 смЛ

Впервые выявлены особенности формирования нарушенных слоев ^ при воздействии внешних факторов: температуры и поля механических напряжений.

Изучено изменение структурного состояния слоев кремния, имплантированного протонами при термической обработке в широком диапазоне температур (100 - 1100С).

Впервые определены характеристики микродефектов, формирующих нарушенный слой, и исследованы их изменения при термической обработке.

Предложена модель эволюции микродефектов в нарушенных имплантацией протонов (Е = 100-500 кэВ, D = 10 15 -2-10 16 см* 2) слоях кристаллов кремния при термической обработке в диапазоне температур Т = 200-1100С.

6. Показана эффективность использования нарушенных слоев кристаллов кремния, образованных при протонном облучении и отжиге, для коррекции характеристик кремниевых рІп-фотодиодов.

Практическая значимость результатов работы:

Разработана методика проведения измерений и обработки экспериментальных данных для определения параметров нарушенных слоев методом рентгеновской дифрактометрии высокого разрешения.

Отработана неразрушающая методика определения природы и характеристик микродефектов с разными знаками дилатации. Методика на основе анализа асимптотического диффузного рассеяния позволяет расширить спектр наблюдаемых микродефектов.

Установленная роль внешних факторов ионной имплантации в процессе формирования дефектной структуры должна учитываться в технологии создания нарушенных слоев.

Результаты определения характеристик микродефектов в кристаллах кремния, имплантированных протонами различных доз и энергий, подвергнутых термообработке в широком интервале температур, могут быть использованы для создания нарушенных слоев с оптимальными свойствами.

Разработан метод защиты поверхности кремниевых pin-фото диодов, включающий облучение периферии p-n-переходов протонами и последующий отжиг. Определен оптимальный режим облучения и отжига для данного типа приборов, повышающий выход годных.

Основные положения, выносимые на защиту:

Результаты определения интегральных характеристик нарушенного слоя кристаллов кремния, облученных протонами с энергией 150 кэВ и дозами от 2,5-Ю 15 см" 2 до 2-Ю 16 см" 2 в интервале температур от 50 до 610С.

Результаты изучения воздействия внешних факторов ионной имплантации: дозы, температуры и поля механических напряжений, на процесс формирования дефектной структуры в кристаллах кремния.

Результаты исследований структурных и электрофизических характеристик нарушенных слоев кремния, формируемых при облучении протонами сЕ = 200, 300, 100+200+300 кэВ, D = 2-Ю 16 см" 2 и последующей термической обработке в интервале температур от 100 до 900С.

Экспериментально установленная немонотонная зависимость интегральных и электрофизических характеристик нарушенного слоя от температуры отжига.

Модель эволюции радиационных микродефектов в имплантированных ионами водорода (Е= 100-500 кэВ, D= 10 I5 -2-I0 16 см" 2) слоях кремния при термической обработке в интервале температур от 200 до 1100С.

Результаты исследований механизма влияния структурных и электрофизических параметров поверхностных слоев кремния, модифицированных облучением протонами и последующим вакуумным отжигом, на В АХ ріп-ф ото диодов; режимы оптимальной протонной обработки диффузионных pin-фото диодов с глубиной залегания р-п-переходов - 3 мкм.

Апробация работы

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ (ТУ) (Москва, 1998 г.), IX Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1999 г.), Второй Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния «Кремний -2000» (Москва, 2000 г.), X Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2000 г.), Третьей Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - XXI век» (Зеленоград, 2000 г.), Третьей Международной конференции «Водородная обработка материалов» (ВОМ-2011) (Донецк - Мариуполь, 2001 г.), VI Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификации

материалов методами нетрадиционных технологий» (MHT-VI) (Обнинск,

г.), XI Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2001 г.), 2-ой Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2001 г.), XII Международном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2002 г.), Совещании по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры кремния «Кремний - 2002» (Новосибирск, 2002 г.), IV Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - 2002» (Зеленоград,

г.), Третьей Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний - 2003» (Москва, 2003 г.).

Работа отмечена Дипломом I степени, как лучшая научная работа, представленная на научно-техническую конференцию - конкурс студентов, аспирантов и молодых специалистов 1998 г. (МГИЭМ (ТУ)).

Публикации

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 172 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 101 наименование.

Теория пробегов и распределения ионов в твердых телах

Дефектообразование при имплантации ионов водорода и влияние дефектов на физико-химические параметры кремния являются серьезной проблемой при создании кристаллов с заданными свойствами. Микродефекты (МД), образовавшиеся в результате коагуляции точечных дефектов и создающие вокруг себя сильные поля упругих искажений, приводят к возникновению дополнительного изменения свойств кристалла и их существенной локальной неоднородности . Интерес к исследованию МД определяется недостаточной изученностью, как самой природы МД, механизмов их образования, так и влияния их на физические свойства кристалла и, соответственно, на основные характеристики приборов на их основе.

С целью исследования МД, а также возможности применения имплантации ионов водорода в технологии изготовления полупроводниковых структур необходимо рассмотреть влияние параметров имплантации протонов на свойства кремния,

Метод ионной имплантации универсален и неспецифичен, позволяет вводить в любые мишени ионы различных элементов в строго контролируемых количествах, задавать распределения концентраций по глубине последовательностью ионных доз с различными энергиями; во многих случаях такие распределения просто невозможно получить иными методами .

Первичным процессом при ионной имплантации является проникновение ионов в вещество и их торможение до тепловых скоростей. Установившееся в результате этого распределение внедренных атомов по глубине называется профилем распределения, отличающееся от окончательного распределения примесных атомов, в которое часто вносят вклад диффузные процессы. Теория торможения ионов средних энергий в аморфных телах была разработана Линдхардом, Шаффом и Шиотом (теория ЛШШ) . Сущность теории ЛШШ кратко сводится к следующему. При бомбардировке твердых тел заряженными частицами определяющую роль играют неупругие соударения со связанными электронами тормозящего вещества (электронное торможение), в которых кинетическая энергия движущегося иона расходуется на электронные переходы в атомах, а также на возбуждение коллективных колебаний электронов и упругие соударения с ядрами (ядерное торможение), в которых энергия передается атомам как целым. Какой из этих эффектов будет преобладать, зависит от энергии и массы ускоренных частиц и массы и порядкового номера атома мишени.

Согласно теории ЛШШ распределение пробегов ионов оказывается гауссовым и характеризуется средним нормальным (проецированным) пробегом Rp и среднеквадратичным (стандартным) отклонением ARP (рис. 1.1.1). падающий ион поверхность мишени Рис. 1.1.1. Схематическое изображение полной длины пробега R, нормального пробега Rp и стандартного отклонения ARp. Результирующие траектории ионов представляют собой сложные кривые и имеют в аморфном веществе статистический характер. Общая траектория движения иона называется длиной пробега R. Если масса иона Ы\ много больше массы атома мишени М2, то отклонения малы и ион движется почти прямолинейно. Поэтому длина его пути вдоль траектории R слабо отличается от Rp. Если же Mi М2, а энергия иона Е не слишком велика, то траектория извилиста и Rp значительно меньше R. Вследствие статистического характера движения ионов величины Rp и R не имеют определенного значения, а колеблются около средних значений .

Следует отметить, что вклад ядерного торможения доминирует при малых энергиях имплантации, а электронного - при больших. При сложении кривых потери энергии за счет ядерного и электронного торможений суммарная величина потери энергии постоянна в очень широком диапазоне энергий падающих ионов. В результате этого полная длина пробега ионов R приблизительно пропорциональна первоначальной энергии падающего иона.

Простейшим профилем распределением ионов является нормальное, или гауссово, для построения которого требуется лишь два первых момента - проективный пробег Rp и стандартное отклонение ARP . Гауссово распределение является удовлетворительным приближением к реальным распределениям примеси по пробегам или по глубине в тех случаях, когда эти пробеги являются достаточно симметричными. Однако это выполняется не всегда. Особенно заметны отступления от симметрии в случаях бомбардировки легкими ионами более тяжелых мишеней при условии преобладания электронных потерь.

Можно использовать различные виды асимметричных профилей распределения. Классическим методом построения распределения пробегов ионов является распределение Пирсона IV- распределение в приближении четырех параметров: Rp, ARP, асимметрии распределения и эксцесса р. Подробно этот метод рассмотрен в . Для ряда значений асимметрии в рассчитаны таблицы функций распределения Пирсона в безразмерных единицах. Таблицы позволяют для любых известных значений Rp, ARp и асимметрии легко построить профиль распределения внедренной примеси для широкого круга мишеней, ионов и их энергий.

Чтобы получить профиль концентрации N(x) примеси, распределение Пирсона нужно умножить на дозу: N(x) = N0-f{x). (1.1.3) Существует еще один метод получения распределения пробегов ионов, который называется методом Монте-Карло . Идея метода состоит в том, что в ЭВМ моделируется некоторый элемент твердого тела, задаются законы, по которым происходит взаимодействие иона с атомами, а затем на такое смоделированное «твердое тело» в случайное место его поверхности выпускается ускоренный до определенной энергии «ион». Иными словами, проводится машинный эксперимент, при котором можно проследить весь путь иона, в том числе и место его остановки. После многократного повторения этой операции так, чтобы погрешности, связанные со среднестатистическими отклонениями, были малы, можно построить распределение ионов по глубине. Соответствие результатов таких машинных экспериментов реальным, определяется правильностью задания законов взаимодействия. Одновременно с исследованием пробегов ионов методом Монте-Карло можно получить такие сведения, как распределение числа первично смещенных атомов мишени по глубине (концентрацию дефектов). Во всех методах разделяют торможение на упругую и неупругую компоненты, не учитывая реальной обол очечной структуры атома, полностью вторичные процессы, используются некоторые другие упрощающие допущения . В итоге ошибка при расчете средних значений Rp и ARP может достигать 20-25%.

Таким образом, профиль распределения имплантированных ионов в монокристаллах зависит от многочисленных факторов: направления ионного пучка, его расходимости, состояния поверхности, совершенства структуры кристалла, а также температуры мишени, поскольку она влияет на амплитуду тепловых колебаний и кинетику накопления радиационных дефектов.

Метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии

Метод основан на регистрации углового распределения дифрагированного пучка исследуемым образцом (то есть на измерении кривой дифракционного отражения), с дальнейшим анализом параметров полученной кривой . Наиболее информативным и удобным для исследования монокристаллов является метод записи кривых качания в геометрии Брэгга . Наличие на поверхности кристалла слоя с различной степенью нарушения по разному влияет на параметры дифракционных кривых (процентное отражение, полуширина, интегральный коэффициент отражения, закон спадания «хвостов»). По величине отклонения этих параметров, при сравнении с теоретически рассчитанными для идеального образца, можно делать заключение о характеристиках нарушенного слоя, таких как среднее изменение параметра решетки, эффективная глубина нарушенного слоя и определять профили деформации.

Исследуемый образец, обычно, освещается пучком рентгеновских лучей, предварительно монохроматизированных отражением от кристалла монохроматора, который остается неподвижным, в то время как исследуемый кристалл осуществляет вращение вблизи угла дифракции . Кривую, характеризующую зависимость интенсивности, отраженного кристаллом излучения от угла поворота, называют кривой качания, или кривой дифракционного отражения (КДО). Характеристиками совершенства структуры кристаллов являются следующие параметры кривой качания: интегральный коэффициент отражения R, который определяется как отношение всей интенсивности, отраженной исследуемым кристаллом, умноженной на угловую скорость, к интенсивности, отраженной кристаллом-монохроматором; полуширина кривой качания, т.е. полная ширина кривой на половине высоты, определяющая интервал углов поворота, в котором интенсивность уменьшается наполовину от максимума.

Дефекты в кристаллах могут влиять на указанные характеристики кривых качания за счет изменения кривой отражения исследуемого кристалла, т.е. коэффициент отражения R2 и форма кривой R(P) изменяются. Сравнение расчетных и экспериментальных кривых качания является основой для оценки совершенства структуры кристаллов.

Если исследуемый кристалл отражает по схеме Брэгга , то в обычном случае дислокации при плотности, большей 5 104 см 2, вызывают появление таких разориентировок, которые могут быть легко замечены по уширению кривой качания. Если уширение обусловлено только разориентировками, кривая качания является суммой отдельных кривых, сдвинутых друг относительно друга на угол разориентировки, так как при повороте кристалла разные участки последовательно попадают в отражающее положение. Такое уширение не зависит от брэгговского угла. При этом, так как полуширина кривой качания равна обычно нескольким секундам, если монохроматор и образец - совершенные кристаллы, то дополнительное уширение в одну или несколько секунд надежно фиксируется. Если уширение кривой качания вызвано наличием в отражающем объеме участков с различным значением межплоскостных расстояний dj, то оно зависит от угла отражения: Д Ь = -(L)tg9. (2.1.4) При достаточно развитой субструктуре, когда дислокации сгруппированы в плоские сетки, кривые качания от отдельных субзерен могут разделяться, и общая кривая качания будет иметь несколько максимумов. Расстояние между ними равно разориентировке вокруг оси, параллельной оси вращения образца.

Если размер субзерен больше толщины слоя полупоглощения, тогда каждое субзерно отражает независимо от соседних и общая площадь кривой качания, состоящей из нескольких максимумов, будет как для совершенного кристалла. Если же их размер меньше толщины слоя полупоглощения, тогда субзерна, которые не экранируются лежащими над ними субзернами, уже вышедшими из отражающего положения полностью или частично, также могут давать существенный вклад в общую отраженную интенсивность. В результате существенно возрастает общий рассеивающий объем и угловой интервал отражения, что и приводит к сильному увеличению интегрального коэффициента отражения, который в пределе стремится к интегральному коэффициенту отражения, соответствующему кинематической теории.

Однако метод записи кривых дифракционного отражения в двухкри стальной схеме обладает существенным недостатком. Данный метод является интегральным, поскольку регистрируемая интенсивность собирается с широкой области обратного пространства вдоль сечения сферы Эвальда. При этом невозможно различить вклад в интенсивность кривой качания дифракционной (когерентной) и диффузной (некогерентной) компоненты рассеяния. При исследовании тонких слоев велик вклад диффузного рассеяния от структурных несовершенств нарушенного слоя (кластеры радиационных точечных дефектов, частично аморфизованные зоны и т.п.) в результирующую интенсивность. Это затрудняет однозначную трактовку получаемых результатов. Разделение этих эффектов требует подробного анализа распределения интенсивности окрестности узла обратной решетки, который может быть реализован на трехкристальном рентгеновском дифрактометре. 2.1.2. Метод трехкристальной рентгеновской дифрактометрии Возможности рентгенодифракцио иного метода в исследовании структуры тонких нарушенных слоев можно сильно расширить, если в дифракционную схему ввести третий кристалл-анализатор, как это показано на рисунке 2.1.1 .

Назначение этого кристалла - анализ углового распределения рентгеновских лучей, отраженных исследуемым кристаллом . На совершенных кристаллах-анализаторах можно проводить такой анализ углового распределения с точностью до долей секунд. Получаемые трехкристальные кривые качания, отражают природу структурных изменений, прошедших в приповерхностных слоях кристалла, т.к. имеют высокую чувствительность к типу и характеристикам дефектов монокристаллов . Тем самым, представляется возможность судить о типе дефектов уже на основании самого только вида профилей интенсивности, измеряемых методом ТРД. Более того, высокая разрешающая способность метода ТРД позволяет извлекать весьма точную количественную информацию о характеристиках дефектов .

Отличие метода ТРД от обычных трехкристальных схем, в которых первые два совершенных кристалла служат для коллимации и монохроматизации излучения, падающего на третий кристалл-образец, заключается в том, что исследуемый образец выступает в качестве второго кристалла, а третий (совершенный) кристалл-анализатор осуществляет развертку углового распределения излучения, дифрагированного вторым кристаллом (рис. 2.1.1). Кристалл-образец отклоняют от точного условия Брэгга на угол а, а кристалл-анализатор вращают в некотором угловом диапазоне вблизи точного угла Брэгга. Регистрируемая детектором интенсивность рентгеновских лучей во время вращения третьего кристалла представляет собой спектр ТРД. При данной схеме записи, спектр обычно состоит из трех пиков, которые согласно сложившейся терминологии называют главным, псевдо и диффузным пиками. Угловые положения пиков определяются законами вращения кристаллов и геометрии дифракции.

Построение профилей распределения внедренного водорода и радиационных дефектов в кремнии по программе TRIM

Процессы дефектообразования при ионной имплантации зависят от многих факторов: температура мишени, доза и энергия имплантируемых ионов, их химическая активность, соотношение масс иона и атомов мишени, ориентации подложки. Не всегда есть возможность учесть влияние всех этих факторов. Программа TRIM (Transport of Ions in Matter) позволяет произвести приблизительные оценки первичных процессов ионной имплантации и дает возможность наглядно представить, как будет происходить проникновение иона в мишень и каковы будут последствия .

Расчеты профилей распределения ионов водорода и радиационных дефектов по глубине, производимые по программе TRIM, основываются на методе Монте-Карло . Сущность и точность данного метода описаны в Гл. 1, п. 1.1.1, 1.1.3. Программа TRIM учитывает только влияние энергии на профиль распределения ионов примеси, независимо от количества вводимых ионов. Поэтому, для набора необходимой статистики при расчете профиля распределения выбирается произвольное число вводимых ионов. В данной работе, для обеспечения удовлетворительной точности расчета, число ионов было принято равным 10000. Разброс значений среднего пробега, обусловленный статистическими флуктуациями присущими методу Монте-Карло при расчете для 10000 ионов по программе TRIM, составляет 1 нм. Это количество ионов приравнивалось дозе имплантации, которая задается как входной параметр программы. Средний порог дефектообразования Ej для кремния составляет величину 20 эВ . Толщина слоя мишени, в котором проводится расчет профиля распределения, принималась равной от 2 до 7 мкм, в зависимости от энергии вводимых ионов. Через каждые 2000 частиц количество ионов примеси, попавшее в слой пересчитывается в концентрацию ионов в этом слое (см 3). Далее рассчитываются доли кремния и атомов примеси по отношению ко всем частицам в данном слое. При следующем цикле моделируются столкновения с учетом вероятности взаимодействия атомов примеси и матрицы.

После чтения входных данных и расчета необходимых параметров программа переходит к циклу налетающей частицы, в ходе которого рассматриваются столкновения и определяются новые направления движения: рассчитываются потери энергии при столкновениях, затем рассматривается возможность образования первично выбитых атомов (ПВА). Учитывается изменение траектории иона за счет упругого взаимодействия с атомом и потеря энергии ионом за счет неупругого взаимодействия с электронами атома мишени. Процесс повторяется пока энергия иона составляет более 0,001 от первоначальной. Если образуется ПВА, то его данные записываются в список 1. Если движение налетающей частицы прекращается, то программа переходит от цикла налетающей частицы к каскадному циклу. Структура каскадного цикла подобна структуре цикла налетающей частицы. Информация по ПВА переносится в список 2, а информация по новым вторично выбитым атомам записывается в список 1. После того как программа закончит работу с атомами из списка 2, список 1 объединяется с уменьшившимся списком 2. Эта процедура повторяется до тех пор, пока список 2 не будет исчерпан. Затем в зависимости от количества введенных ионов программа переходит или к циклу налетающей частицы, или выводит результаты расчета.

В результате расчетов, произведенных по программе TRIM, были получены зависимости концентрации ионов водорода и радиационных дефектов от глубины имплантированного слоя при различных энергиях имплантации в диапазоне 100-500 кэВ и комбинированном облучении. В программе считается, что в процессе имплантации образуется одинаковое количество вакансий и междоузельных атомов (см. Гл.], п. 1.1.3), поэтому результирующие профили выдаются относительно одного из видов точечных дефектов. 3.4. Методика измерения профиля удельного сопротивления

Срез выполняется под определенным углом при помощи шлифования алмазной пастой с размером зерна не более 1 мкм. Образец с нанесенным срезом крепится в каретке автоматической однозондовой установки, обеспечивающей прерывистую подачу образца с шагом, соответствующим перемещению по глубине 1 мкм. Через образец, имеющий низкоомные невыпрямляющие токовые контакты, пропускают постоянный ток. На поверхность образца с косым шлифом помещают зонд, в качестве которого использовалась вольфрамовая игла с острием, имеющим радиус скруглення около 1 мкм. При измерениях на резистор, включенный в цепь зонда, подается положительный потенциал. Измеряемой величиной является потенциал зонда, который меняется в зависимости от расположения точки касания зонда относительно края косого среза. Для измерения потенциала зонда использовался электрометрический усилитель постоянного тока с входным сопротивлением 10ш Ом.

Результаты исследования влияния дозы и температуры протонного облучения на интегральные характеристики нарушенного слоя

Для выявления влияния дозы и температуры протонного облучения на характеристики нарушенного слоя были исследованы кристаллы кремния, толщиной 0,4 мм, с ориентацией поверхности (100), подвергнутые имплантации ионов водорода с энергией 150 кэВ и дозами 2,5-1015 см"2, 5-Ю15 см 2, 1-Ю16 см"2, 2 10 см. Температуры образцов при облучения составляли 50С, 140С, 230С, 320С, 430С, 550С, 610С. Исследования проводились с использованием двухкри стального рентгеновского дифрактометра в бездисперсионной схеме (рис. 3.5.2). В результате рентгенодифракционного эксперимента для всех указанных режимов облучения были получены кривые дифракционного отражения (КДО), представленные на рис. 4.1.1 - 4.1.3. По экспериментальным КДО, используя методику, описанную в п. 3.5.3 были получены количественные параметры ионноимплактированных слоев: средняя эффективная толщина и средняя относительная деформация.

Для всех доз имплантации водорода в кремний характер снятых кривых дифракционного отражения изменился по отношению к идеальной кривой (рис, 4.1.1 - 4.1.3), Как видно, основное отличие этих кривых от кривой, соответствующей отражению от необлученного кристалла (рис. 4.1.1) заключается в появлении (помимо основного максимума) дополнительной осцилляции интенсивности, характеризующей образование нарушенного слоя (рис. 4.1.2, 4.1.3). Во всех случаях кривые ассиметричны, причем со стороны углов меньших брэгговского интенсивность больше, чем с противоположной стороны. Для всех указанных доз при температурах от 50 до 550С со стороны малых углов хорошо видны когерентные осцилляции, характеризующие деформацию положительного знака, и явно выражен пик от нарушенного слоя (рис. 4.1.2 а, б, рис. 4.1.3, крива б). Видно также, что дополнительная интенсивность увеличивается с увеличением дозы от 2,5 1015 до 2 1016 см 2.

По методике, описанной в п. 3.5.3, была составлена программа вычисления интегральных характеристик нарушенного слоя ЬЭфф и Да/а непосредственно из экспериментальных КДО для программного пакета MATLAB. Результаты расчета интегральных характеристик для всех образцов приведены на зависимостях ЬЭфф(Т), Да/а(Т), ЬЭфф(Б), Aa/a(D) (рис. 4.1.4, 4.1.5).

Анализируя температурную зависимость ЬЭфф и Да/а (рис. 4.1.4 а, б) видно, что эффективная толщина и относительная деформация нарушенного слоя возрастают, достигая максимального значения при температуре 430С. Причем, при дозе облучения 2 10 см" величина Ьэфф увеличивается в 2,7 раза с ростом температуры облучения, тогда как при меньших дозах она возрастает почти в 4 раза. Относительная деформация увеличивается в среднем в 1,3 раза при росте температуры протонного облучения от 50С до 430С. С дальнейшим ростом температуры значения І фф и Да/а резко убывают.

Очевидно, что формирование нарушенного слоя в кристалле обуславливается течением двух конкурирующих процессов эволюции первичных радиационных дефектов. После выбивания атомов кремния из положения равновесия и образования междоузельных атомов и вакансий может иметь место их рекомбинации, и в этом случае дефекты исчезают. В другом случае за счет диффузионных процессов первичные междоузельные атомы и вакансии могут удаляться друг от друга и образовывать стабильные радиационные дефекты в виде пар, кластеров и т.д.

Анализ дозовой зависимости ЬЭфф и Да/а показывает рост значений этих величин с дозой, причем наибольшие изменения эффективной толщины и относительной деформации нарушенного слоя от дозы происходит при температурах до 140С (самый крутой наклон кривой, рис. 4.1.5 а, б), в 1,8 и 1,3 раза, соответственно.

В кремнии, облученном протонами в диапазоне температур 300 - 450С образуются, согласно , мелкие водородсодержащие доноры. Во время такой высокотемпературной имплантации в кремнии происходит распад пересыщенного раствора имплантированного водорода и взаимодействие его с радиационными дефектами и примесными атомами. Это взаимодействие приводит к образованию электрически активных дефектов, проявляющих свойства мелких донорных центров. Структура и параметры этих центров зависят от концентрации водорода.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСКИ СПУБЛИК(51)4 С 01 В 5(р) юъ ч Я БР САНИ К АВТОРСКОМ ТЕЛЬСТВ 11 31 и др, Методы слоев при мее монокристал 978объГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54) СПОСОБ А.Ф.НИКУЛИНА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ НАРУШЕННОГО СЛОЯ ОВРАБОТАНН ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА.(57)Способ определения глубины нару щенного слоя обработанной поверхности объекта, заключающийся в том, что делают секущий шлиф екта, проводят травление поверхности шлифа, находят граниду нарушен,ного слоя.и по ее положению определяют глубину нарушенного слоя,о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, перед получением шлифа записывают профило,грамму поверхности, перед травлением записывают профилограмму поверхности шлифа в направлении, кото рое является проекцией первой профилограммы на поверхность шлифа в той же системе координат, травление осуществляют изотропным травителем, после травления записывают профилограмму поверхности протравленного шлифа в том же направлении и в той же системе координат, что и предыдущие профилограммы, и находят на третьей профилограмме границу нарушенного слоя по точке, за которой вторая и третья профилограммы эквидистантны, 1174726Изобретение относится к техническим измерениям, а именно дляопределения глубины нарушенногослоя, возникающего на обработанной поверхности объекта и состоящего из переходящих, по мереудаления от поверхности, одна вдругую зон: рельефной, трещиноватой, пластических деформаций, упругих деформаций с повьшенной плот- . 1 Оностью дислокаций.Известен способ определения глубины нарушенного слоя обработаннойповерхности объекта, которыйзаключается в том, что делают 15секущий шлиф объекта, проводят травление поверхности шлифа, находятграницу нарушенного слоя и поее положению определяют глубину нарушенного слоя, 20В известном способе травлениеповерхности шлифа осуществляют селективно декодирующим травителемдо выявления структуры шпифа, аопрс:вселение границ между нарушенной 25и неповрежденной структурой производят визуально на протравленномшлифе. Глубину нарушенного слоя определяют с учетом угла наклона косогошлифа к обработанной поверхности Я.ЗНедостатком известного способаявляется низкая точность определения глубины нарушенного слоявследствие визуального определениярасположения на шлифе линии перехода от нарушенной в неповрежденнойструктуре,Целью изобретения является повы -шение точности,Поставленная цель достигается тем,40 что согласно способу определения глубины нарушенного слоя обработанной поверхности объекта, заключающемуся в том, что делают секущий шлиф объекта, проводят трав ление поверхности шлифа, находят границу нарушенного слоя и по ее положению определяют глубину нарушенного слоя, перед получениемшлифа записывают профилограмму 50 поверхности, перед травлениемзаписывают профилограмму поверхности шлифа в направлении, которое является проекцией первой профилограммы на поверхности шлифа в той же 55 системе координат, травление осуществляют изотропным травителем, после травления записывают профилограмму поверхности протравленного шлифа в том же направлении и в той же системе координат, что и в предыдущие профилограммы, и находят на третьей профилограмме границу нарушенного слоя по точке, за которой вторая и третья профилограммы эквидистантны.На фиг. дано изображение в изометрии части объекта, у которого определяется глубина нарушенного слоя обработанной поверхности с указанием поверхностей косого шлифа и поверхности шлифа после травления; на фиг,2 - сечение А-А на фиг,1,Способ осуществляется следующим образом.На обработанной поверхности 1 объекта, у которого определяют глубину нарушенного слоя, снимают профилограмму 2. Далее на объекте делают косой шлиф, поверхность 3 которого расположена под известным углом к обработанной поверхности 1,Шлиф получают методом щадящего полирования. Записывают профилограмму. 4 поверхности 3 шлифа в направлении, которое является проекцией профилограммы 2 на поверхность 3 шлифа в той же системе координат. При записи профилограммы 4 часть записи проводят по поверхности 1 так, чтобы она совпадала с записью профилограммы 2.Проводят. травление поверхности 3 шлифа изотропным травителем в течение интервала времени, не мень - шего, чем необходимо для стравливания споя, доступного для измерения.Свойство изотропного травления - равная скорость травления по всем направлениям (независимо от анизотропных свойств материала) изменяется лишь при стабилизированных условиях травления в зависимости от степени нарушения структуры стравливаемого материала. Скорость травления материала прямо пропорциональна степени нарушения его структуры, После травления получают поверхность 5, на которой записывают профилограмму 6 в том же направлении и в той же системе координат, что и предыдущие профи - лограммы 2 и 4 Участок поверхности 1, на котором происходит запись профилограмм 2,4 и 6, предохраняют от травления путем нанесения покрытия, котоРое удаляется передснятием профилограммы 6,Далее все три полученные про 3 филограммы 2,4 и 6 совмещают, иск пользуя при этом участок поверхности 1, идентичный во всех трех профилограммах 2,4 и 6, и по профилограмме 6 определяют точку а, которая лежит на границе 7 между нарушенным слоем и неповрежденной структурой. Точкой а является то74726 4место на профилограмме 6, послекоторого профилограммы 4 и 6 идутпо эквидистантным кривым. Измеряюткратчайшее расстояние от точки адо поверхности 1,которая обозначена профилограммой 2,и по этомурасстоянию с учетом масштаба записипрофилограммы определяют глубинунарушенного слоя.10 Предлагаемый способ позволяетповысить точность определения глубины нарушенного слоя обработаннойповерхности объекта,

Заявка

3696760, 28.10.1983

ПРЕДПРИЯТИЕ ПЯ Р-6028, КИЕВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. 50-ЛЕТИЯ ВЕЛИКОЙ ОКТЯБРЬСКОЙ СОЦИАЛИСТИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

НИКУЛИН АЛЕКСАНДР ФЕДОРОВИЧ

МПК / Метки

Код ссылки

Способ а. ф. никулина определения глубины нарушенного слоя обработанной поверхности объекта

Похожие патенты

В па, зах 2 стоек 1 и в свободном состоя ции опираются на ограничители 8. Опор-цые поверхности стоек 1 имеют два вы-пуклых участка 9 и 10 одинакового ра диуса, плавно сопряженных со сторонами паза 2. Выполнение опорных поверхностей стоек 1 в виде двух выпуклых участков 9 и 10 одинакового радиуса обеспечивает точную установку прибора как на плоской поверхности, так и на цилиндрической вдоль образующей цилиндра, а выполнение измерительного элемента в виде усеченного конуса с двумя цилиндрическими опорами обеспечивает бесступенчатое, и потому более точное измерение, а также 1 О позволяет размещать на поверхности конусанесколько разных отпечатков без смыва после каждого измерения, что сокращает время при измерениях. Формула изобретения...

И рег 2ламентируется технологической картой в зависимости от типа концентрата, заданной основности и типа флюсующих добавок, При существующих способах контроля невозможно получать объективную информацию о состоянии поверхности слоя в зоне обжига, что затрудняет ведение процесса в оптимальном режиме.Предлагаемый способ контроля состояния поверхности слоя окатышей в зоне обжига основан на одновременном измерении и сравнении температуры газов под слоем и радиационной температуры слоя, что повышает производительность установки и обеспечивает получение окатышей высокого качества.Истинная температура материала определяется по формуле457020 Тн=Т,+ЛТ,Составитель С. Беловодченко Техред Г. Дворина Корректор Т. Добровольская Редактор Л. Тюрина...

От по" верхности объекта 3 до нижних точек выступов 8 в ряду, примыкающем к боковой грани 9, а цифры на шкале 10 - расстояние от поверхности объек та до нижних точек выступов 8 в ряду, ближнем к боковой грани 7.Глубина 1 пазов 5 и 6 и минимальная ширина Ь крайнего поперечного паза 12, одна из сторон которого 45 проходит через ребро 13 двух смежных граней 7 и 9, выбираются иэ условия, чтобы исключалась возможность смачивания иэ-за поверхностного натяжения жидкости выступов 8,50 не касающихся ее при измерении.Интервал (шаг) между цифрами на шкалах 1 О и 11 определяется по геометрическим зависимостям где К, - интервал (шаг) между цифрами на продольной шкапе;К - интервал (шаг) между цифрами на поперечной шкале;а - расстояние между...

Контроль диффузионных слоев проводится в основном по таким параметрам, как глубина залегания сформированного p–n –перехода, проводимость поверхностного слоя и поверхностная концентрация атомов примеси.

Наиболее распространенным методом контроля глубины залегания p–n –перехода является метод окрашивания шлифа. Для измерения глубины залегания примеси порядка единиц микрометра и менее удобно использовать сферический шлиф.

Рис. 9.3. Схема процесса изготовления сферического шлифа на пластине с диффузионным слоем:

1 – пластина полупроводника; 2 – р–n –перехоя;

3 – стальной шар; 4 – окрашенная р –область шлифа

Его изготовляют при вращении стального шара диаметром 35 – 100 мм, прижимаемого к поверхности пластины. Образование сферы происходит за счет того, что в место контакта вращающийся шар – кристаллическая пластина подают абразивную суспензию или наносят на поверхность шара алмазный порошок в виде эмульсии. Для большей точности измерения диаметр зерна абразивного материала не должен превышать 1 мкм. Чтобы выявить границы р–n –перехода, глубина сферической лунки должна быть больше глубины залегания р–n –перехода. Границу выявляют по окрашиванию (потемнению) р –области вследствие окисления в травителе, состоящем из 48 %–ной плавиковой кислоты с небольшой добавкой (до 0, 05–0, 1 %) 70 %–ной азотной кислоты.

Глубина залегания диффузионного р–n –перехода:

x j = l 2 /(4D) (9.4)

где l – длина хорды контура сферического шлифа (рис.9.3), измеряемая с помощью микроскопа; D – диаметр шара.

Для повышения точности измерений изготовляют несколько шлифов (до 5), а полученные результаты усредняют.

Наиболее распространенным методом измерения поверхностного сопротивления является четырехзондовый метод. Погрешность измерения поверхностного сопротивления обычно не превышает 5 – 10 %. Для определения поверхностной концентрации легирующей примеси необходимо знать характер распределения примесей в диффузионной области, который зависит от условий проведения процесса.

Ионная имплантация

Ионной имплантацией (ионным легированием) называется процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области. Успешное применение ионной имплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданных условиях имплантации.

Назначение и применение ионной имплантации

Наиболее распространенным применением ионной имплантации в технологии формирования ИМС является процесс ионного легирования кремния. Часто приходится проводить имплантацию атомов в подложку, которая покрыта одним или несколькими слоями различных материалов. Ими могут быть как тонкие слои тяжелых металлов (например, Та или силицида тантала TaSi 2), так и диэлектриков. Существование многослойной структуры может вызвать резкие перепады в профиле легирования на границе отдельных слоев. За счет столкновения ионов с атомами приповерхностных слоев последние могут быть выбиты в более глубокие области легируемого материала. Такие "осколочные эффекты" способны вызвать ухудшение электрических характеристик готовых приборов.

Во многих случаях для получения необходимого профиля распределения легирующей примеси в подложке применяют метод, основанный на предварительной загонке ионов с их последующей термической разгонкой в мишени. При этом имплантация проводится с малой энергией ионов.

Общая траектория движения иона называется длиной пробега R , а расстояние, проходимое внедряемым ионом до остановки в направлении, перпендикулярном к поверхности мишени, проецированной длиной пробега R p .

9.5.2. Применение ионной имплантации в технологии СБИС. Создание мелких переходов

Требование формирования n + слоев, залегающих на небольшой глубине, для СБИС можно легко удовлетворить с помощью процесса ионной имплантации Аs. Мышьяк имеет очень малую длину проецированного пробега (30 нм) при проведении обычной имплантации с энергией ионов 50 кэВ.

Одной из прогрессивных тенденций развитии СБИС является создание КМОП– транзисторов. В связи с этим большое значение имеет получение мелких p + – слоев. Такие слои очень сложно сформировать путем имплантации ионов В + .

Решение проблемы, связанной с имплантацией бора на небольшую глубину, на практике облегчается использованием в качестве имплантируемых частиц ВF 2 . Диссоциация молекулы ВF 2+ при первом атомном столкновении приводит к образованию низкоэнергетических атомов бора. Кроме того, использование молекулы ВF 2 имеет преимущество при проведении процесса отжига структур.

Смотреть все

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИНЫ НАРУШЕННОГО СЛОЯ НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЕВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПЛАСТИНЫ(71) Заявитель Научно-исследовательское конструкторско-технологическое республиканское унитарное предприятие Белмикросистемы(72) Авторы Чигирь Григорий Григорьевич Ануфриев Леонид Петрович Ухов Виктор Анатольевич Пеньков Анатолий Петрович(73) Патентообладатель Научно-исследовательское конструкторско-технологическое республиканское унитарное предприятие Белмикросистемы(57) Способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, включающий локальное удаление нарушенного слоя, выявление границы раздела нарушенного слоя и монокристаллического кремния, измерение глубины нарушенного слоя, отличающийся тем, что удаление нарушенного слоя осуществляют распылением пучком ионов с атомным номером от 7 до 18, энергией от 3 до 10 кэВ, направленным под углом 10-450 к поверхности пластины, выявление границы раздела осуществляют путем регистрации интенсивности выхода Оже-электронов с распыляемой поверхности до достижения ею величины, равной интенсивности выхода Оже-электронов для монокристаллического кремния, а глубину нарушенного слоя определяют измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины., 1999. - . 10.05.. - . 315.1222147 , 1994.01559983 , 1995.02006985 1, 1994.02156520 2, 2000.0587091 1, 1994.2001044253, 2001. Изобретение относится к технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС), в частности к технологическому процессу создания кремниевых пластин, и может быть использовано при измерении глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластины. 5907 1 Известен способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, основанный на использовании метода эллипсометрии и позволяющий эффективно исследовать свойства нарушенного слоя, его толщину, качество обработанных подложек 1. Однако данный способ позволяет лишь фиксировать наличие нарушенного слоя на поверхности пластины сравнением измеренных эллипсометрических констант и их значением для кремния без нарушенного слоя. Для определения глубины нарушенного слоя необходимо последовательно удалять поверхностные слои кремния и производить эллипсометрический контроль. Это значительно усложняет способ контроля,так как эти операции несовместимы в одном процессе. Кроме того, при эллипсометрическом контроле используется излучение видимого диапазона длин волн (обычно 0,65 мкм),которое проникает в поверхностные слои кремния на глубину около 0,5 мкм. Это приводит к тому, что разрешение по глубине у данного метода составляет 0,5 мкм, и он не позволяет измерять глубину нарушенных слоев меньше нескольких микрон. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, включающий локальное удаление нарушенного слоя, выявление границы раздела нарушенного слоя и монокристаллического кремния, измерение глубины нарушенного слоя 2. Данный способ позволяет измерять глубину нарушенного слоя на поверхности кремниевых пластин в диапазоне 5-200 мкм. В этом способе локальное удаление нарушенного слоя на всю его глубину производится изготовлением косого шлифа под малым углом к контролируемой поверхности кремниевой пластины (от 10 до 10). Шлиф изготавливается методом механической полировки, которая не вносит каких-либо механических повреждений на поверхности косого шлифа. Полировка производится в щелочной суспензии субмикронных частиц (рН от 10 до 12). Перед изготовлением косого шлифа поверхность кремниевой пластины покрывается слоем нитрида кремния толщиной не менее 1 мкм. Этот слой защищает поверхность пластины и обеспечивает формирование качественной (резкой) границы шлифа на поверхности пластины. После изготовления косого шлифа производится измерение величины его угла. Выявление нарушенного слоя на поверхности шлифа производится методом химического декорирования - травление образца в травителе на основе хромовой кислоты (75 г триоксида хрома растворяются в 1 л воды). Контроль границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний производится на декорированном шлифе под оптическим микроскопом в режиме интерференционного контраста при увеличении 100-500 х и затем производится измерение протяженности (длины) нарушенного слоя на поверхности шлифа (расстояние от границы шлифа на поверхности кремниевой пластины до границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний). Глубина нарушенного слоя рассчитывается умножением значения измеренной длины нарушенного слоя на поверхности шлифа на величину тангенса угла шлифа. Существенным недостатком данного способа является отсутствие возможности проводить измерения нарушенных слоев глубиной менее 5 мкм. Это обусловлено тем, что граница раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний в данном способе выявляется недостаточно четко и воспроизводимо. Она определяется не автоматически по количественному критерию, а устанавливается оператором по качественным признакам непосредственно под микроскопом. Отсутствие четкого критерия определения границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний не позволяет проводить измерения тонких нарушенных слоев (менее 5 мкм) из-за большой погрешности измерений. В основу изобретения положена задача повышения точности и расширение диапазона измерений тонких (менее 5 мкм) нарушенных слоев за счет воспроизводимого, автоматического определения границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний. Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, включающем 2 5907 1 локальное удаление нарушенного слоя, выявление границы раздела нарушенного слоя и монокристаллического кремния, измерение глубины нарушенного слоя, удаление нарушенного слоя осуществляют распылением пучком ионов с атомным номером от 7 до 18,энергией от 3 до 10 кэВ, направленным под углом 10-45 к поверхности пластины, выявление границы раздела осуществляют путем регистрации интенсивности выхода Ожеэлектронов с распыляемой поверхности до достижения ею величины, равной интенсивности выхода Оже-электронов для монокристаллического кремния, а глубину нарушенного слоя определяют измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины. Использование пучка ионов позволяет прецизионно (с высокой точностью) контролировать снятие слоев. При этом режим распыления выбирается таким, чтобы он не вносил нарушений в поверхностные слои кремния (не изменял нарушенный слой) и не приводил к неоднородности распыления (формирование микрорельефа распыления) при использовании пучка ионов, направленного под углом менее 10 к поверхности кремниевой пластины, наблюдается неоднородность удаления слоев и формирование в процессе распыления на поверхности пластины микрорельефа распыления. Формирование микрорельефа распыления снижает точность контроля, т.к. с такой поверхности измерительный сигнал формируется одновременно с различных по глубине точек при использовании пучка ионов, направленного под углом более 45 к поверхности кремниевой пластины, наблюдается внедрение падающих ионов в поверхностные слои,что приводит к дополнительному дефектообразованию и увеличению нарушенного слоя. При использовании углов падения пучка ионов в диапазоне 10-45 увеличения нарушенного слоя и формирования микрорельефа на поверхности кремниевой пластины не наблюдается при выборе пучка ионов с атомным номером менее 7 (легкие ионы) наблюдается внедрение падающих ионов в поверхностные слои, что приводит к дополнительному дефектообразованию и увеличению нарушенного слоя при выборе пучка ионов с атомным номером более 18 (тяжелые ионы) наблюдается дополнительное дефектообразование и увеличение нарушенного слоя. При использовании пучка ионов с атомным номером от 7 до 18 производится однородное распыление поверхности образца без внесения дополнительных дефектов и увеличения нарушенного слоя при выборе пучка ионов с энергией менее 3 кэВ наблюдается неоднородность удаления слоев и формирование в процессе распыления на поверхности пластины микрорельефа распыления при выборе пучка ионов с энергией более 10 кэВ наблюдается дополнительное дефектообразование и увеличение нарушенного слоя. При использовании пучка ионов с энергией 3-10 кэВ производится однородное распыление поверхности образца без внесения дополнительных дефектов и увеличения нарушенного слоя. Регистрация интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности кремния при удалении поверхностных слоев кремния позволяет эффективно контролировать наличие нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластины. Причем локальность контроля по глубине (усреднение по глубине) из-за особенностей метода Оже-спектроскопии составляет всего 1-2 нм. Интенсивность выхода Оже-электронов определяется на Ожеспектрометре автоматически и по мере удаления нарушенного слоя она постепенно возрастает. После удаления нарушенного слоя величина интенсивности выхода достигает максимальной величины, равной значению для монокристаллического кремния (кремний без нарушенного слоя). Значение величины интенсивности выхода для монокристаллического кремния зависит от конструктивных особенностей используемого Ожеспектрометра и она определяется экспериментально. Периодически ее значение может уточняться. Таким образом, контроль интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности кремния при удалении поверхностных слоев кремния позволяет эффективно контро 3 5907 1 лировать наличие нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластины и обеспечить автоматическое установление границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний на поверхности пластины с погрешностью по глубине, не превышающей 2,0 нм,и дальнейшее удаление поверхностных слоев кремния прекращается. Таким образом, на поверхности образца формируется ступенька на верхней ее части находится исходная поверхность анализируемой кремниевой пластины с нарушенным слоем, на нижней части поверхность с удаленным нарушенным слоем. Величина этой ступеньки равна глубине нарушенного слоя. Глубина нарушенного слоя определяется измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины, например, с помощью микропрофилометра. Современные микропрофилометры позволяют определять величину ступеньки с погрешностью 1 нм. Пример конкретного выполнения. Заявленный способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, включающий удаление нарушенного слоя распылением пучком ионов с атомным номером от 7 до 18, энергией от 3 до 10 кэВ, направленным под углом 10-45 к поверхности пластины, выявление границы раздела регистрацией интенсивности выхода Оже-электронов с распыляемой поверхности до достижения ею величины, равной интенсивности выхода Оже-электронов для монокристаллического кремния,определение глубины нарушенного слоя измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины, проиллюстрируем на примере анализа кремниевых пластин КЭФ-4.5 диаметром 100 мм (эти пластины широко используются в серийном производстве КМОП ИМС). Анализ проводился на двух пластинах одна пластина была взята после операции шлифовки алмазными пастами АСМ 0,5-1,0, вторая - после операции финишной химико-механической полировки суспензией аэросила (поверхность соответствовала 14-му классу). Каждая анализируемая пластина КЭФ-4.5 разрезалась на две равные части. На одной части пластины проводились измерения глубины нарушенного слоя по предлагаемому способу (в 10 точках вблизи центра пластины), на второй - по способу-прототипу (в 10 точках на шлифе вблизи центра пластины). Сравнительные параметры приведены в таблице, где указаны номер процесса по порядкуугол падения пучка ионоватомный номер ионов в пучке (т.) энергия ионов в пучке (Е, кэВ) измеренная глубина нарушенного слоя (, мкм). Она определялась как среднее значение глубины нарушенного слоя из 10-ти измерений абсолютная погрешность определения глубины нарушенного слоя слоя. Она определялась из следующего выражения (удвоенное значение величины среднеквадратичного отклонения из 10 измерений) относительная погрешность определения глубины нарушенного слоя (/). Анализ проводился на Оже-спектрометре -660 (ф., США), величина интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности монокристаллического кремния(без нарушенного слоя) для данного спектрометра составляла 2,37105 Оже-электрон./сек(определялась экспериментально), величина интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности кремниевой пластины после шлифовки составляла 5,2104 Оже-электрон./сек,величина интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности кремниевой пластины после полировки составляла 1,15105 Оже-электрон./сек. Удаление поверхностных слоев кремния распылением пучком ионов и измерение интенсивности выхода Оже-электронов производилось непосредственно на Оже-спектрометре. Для проведения измерений интен 4 5907 1 сивности процесс распыления останавливали. Измерения высоты ступеньки проводились на микропрофилометре(минимальная измеряемая глубина ступеньки - 5 нм, погрешность измерения не хуже 1 нм). Данные, приведенные в таблице, показывают, что измерения глубины нарушенного слоя по предлагаемому способу имеют более высокую точность за счет автоматического,воспроизводимого определения границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний. Сравнительные измерения на пластинах с глубиной нарушенного слоя более 5 мкм показывают, что для предлагаемого способа погрешность измерений составляет 2,2 , а по способу-прототипу - 5,5 . Повышение точности измерений обеспечивает расширение диапазона измерений тонких (менее 5 мкм) нарушенных слоев. Из таблицы видно, что нарушенные слой глубиной 0,3 мкм контролируются с погрешностью 5 . По способу-прототипу такие слои контролю не подлежат (погрешность контроля превышает 100). Таблицаат Е, кэВ/100,Кремниевая пластина КЭФ-4.5 после шлифовки поверхности 1 10 7 3 8,9 0,2 2,2 2 25 15 7 9 0,2 2,2 3 45 18 10 9,1 0,2 2,2 4 8 5 7 7 0,5 7,1 5 47 15 12 10 0,4 4.0 6 Прототип 9 0,5 5,5 Кремниевая пластина КЭФ-4.5 после финишной полировки поверхности 7 10 7 3 0,29 0,015 5,2 8 25 15 7 0,3 0,015 5,0 9 45 18 10 0,31 0,015 4,8 10 8 5 2 0,2 0,04 20 11 25 22 12 0,4 0,03 7,5 12 Прототип Не измер. 1,0 100 Таким образом, предлагаемый способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины в сравнении со способом прототипа позволяет повысить точность измерений более чем в 2 раза и обеспечивает расширение диапазона измерений тонких (менее 5 мкм) нарушенных слоев за счет воспроизводимого,автоматического определения границы раздела нарушенного слоя и монокристаллического кремния. Источники информации 1. Луфт Б.Д. Физико-химические методы обработки поверхности полупроводников. Москва Радио и связь, 1982. - С. 16-18. 2.950-98.1999, . 10.05,. - . 315. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.

Ключевые слова

кремниевая пластина / нарушенный слой / оже-электроны / глубина нарушений / silicon wafer / disrupted layer / Auger electron / depth of disruption

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы - Виталий Александрович Солодуха, А. И. Белоус, Г. Г. Чигирь

Предложен метод измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевых пластин , основанный на использовании оже-спектрометра с прецизионным распылением поверхностных слоев кремния и регистрацией интенсивности выхода оже-электронов . Для измерения глубины нарушенного слоя с помощью оже-спектроскопии снимается зависимость количества выходящих оже-электронов от времени распыления (профиль), и затем эта зави-симость анализируется. Количество кремния в нарушенном слое меньше, чем в объеме. По мере углубления нару-шенный слой уменьшается, что соответствует увеличению плотности атомов в одиночном слое. Сущность метода заключается в том, что нарушенный слой удаляется распылением пучком ионов, а выявление границы раздела осу-ществляется путем регистрации интенсивности выхода оже-электронов с распыляемой поверхности до достижения ею величины, равной интенсивности выхода оже-электронов для монокристаллического кремния. Регистрация ин-тенсивности выхода оже-электронов с поверхности кремния при удалении поверхностных слоев кремния позволяет эффективно контролировать наличие нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластины . Причем локальность контроля по глубине из-за особенностей метода оже-спектроскопии составляет около 1,0 нм. Интенсивность выхода оже-электронов определяется на оже-спектрометре автоматически, и по мере удаления нарушенного слоя она посте-пенно возрастает. Глубину нарушенного слоя определяют измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины . Метод оже-спектроскопии обеспечивает эффек-тивный контроль глубины повреждений поверхности на этапах изготовления кремниевых пластин и интегральных микросхем. Диапазон измерения глубины нарушений 0,001–1,000 мкм.

Depth Measurement of Disrupted Layer on Silicon Wafer Surface using Auger Spectroscopy Method

The paper proposes a method for depth measurement of a disrupted layer on silicon wafer surface which is based on application of Auger spectroscopy with the precision sputtering of surface silicon layers and registration of the Auger electron yield intensity. In order to measure the disrupted layer with the help of Auger spectroscopy it is necessary to determine de-pendence of the released Auger electron amount on sputtering time (profile) and then the dependence is analyzed. Silicon amount in the disrupted layer is less than in the volume. While going deeper the disruptive layer is decreasing that corresponds to an increase of atom density in a single layer. The essence of the method lies in the fact the disruptive layer is re-moved by ion beam sputtering and detection of interface region is carried out with the help of registration of the Auger electron yield intensity from the sputtered surface up to the moment when it reaches the value which is equal to the Auger electron yield intensity for single-crystal silicon. While removing surface silicon layers the registration of the Auger electron yield intensity from silicon surface makes it possible to control efficiently a presence of the disrupted layer on the silicon wafer surface. In this case depth control locality is about 1.0 nm due to some peculiarities of Auger spectroscopy method. The Auger electron yield intensity is determined automatically while using Auger spectrometer and while removing the dis-rupted layer the intensity is gradually increasing. Depth of the disrupted layer is determined by measuring height of the step which has been formed as a result of removal of the disrupted layer from the silicon wafer surface. Auger spectroscopy meth-ods ensures an efficient depth control surface disruptions at the manufacturing stages of silicon wafers and integrated circuits. The depth measurement range of disruptions constitutes 0.001–1.000 um.

Текст научной работы на тему «Измерение глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевых пластин методом оже-спектроскопии»

DOI: 10.21122/2227-1031 -2016-15-4-329-334 УДК 621.382.049.774.004.58

Измерение глубины нарушенного слоя

на поверхности кремниевых пластин методом оже-спектроскопии

В. А. Солодуха1*, чл.-кор. НАН Беларуси, докт. техн. наук, проф. А. И. Белоус1*, канд. техн. наук Г. Г. Чигирь1*

1)ОАО «Интеграл» - управляющая компания холдинга «Интеграл» (Минск, Республика Беларусь)

Реферат. Предложен метод измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевых пластин, основанный на использовании оже-спектрометра с прецизионным распылением поверхностных слоев кремния и регистрацией интенсивности выхода оже-электронов. Для измерения глубины нарушенного слоя с помощью оже-спектроскопии снимается зависимость количества выходящих оже-электронов от времени распыления (профиль), и затем эта зависимость анализируется. Количество кремния в нарушенном слое меньше, чем в объеме. По мере углубления нарушенный слой уменьшается, что соответствует увеличению плотности атомов в одиночном слое. Сущность метода заключается в том, что нарушенный слой удаляется распылением пучком ионов, а выявление границы раздела осуществляется путем регистрации интенсивности выхода оже-электронов с распыляемой поверхности до достижения ею величины, равной интенсивности выхода оже-электронов для монокристаллического кремния. Регистрация интенсивности выхода оже-электронов с поверхности кремния при удалении поверхностных слоев кремния позволяет эффективно контролировать наличие нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластины. Причем локальность контроля по глубине из-за особенностей метода оже-спектроскопии составляет около 1,0 нм. Интенсивность выхода оже-электронов определяется на оже-спектрометре автоматически, и по мере удаления нарушенного слоя она постепенно возрастает. Глубину нарушенного слоя определяют измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины. Метод оже-спектроскопии обеспечивает эффективный контроль глубины повреждений поверхности на этапах изготовления кремниевых пластин и интегральных микросхем. Диапазон измерения глубины нарушений 0,001-1,000 мкм.

Ключевые слова: кремниевая пластина, нарушенный слой, оже-электроны, глубина нарушений

Для цитирования: Солодуха, В. А. Измерение глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевых пластин методом оже-спектроскопии / В. А. Солодуха, А. И. Белоус, Г. Г. Чигирь // Наука и техника. 2016. T. 15, № 4. С. 329-334

Depth Measurement of Disrupted Layer

on Silicon Wafer Surface using Auger Spectroscopy Method

V. A. Solodukha1*, A. I. Beloys1*, G. G. Chyhir1*

1}JSC "Integral" - Holding managing company "Integral" (Minsk, Republic of Belarus)

Abstract. The paper proposes a method for depth measurement of a disrupted layer on silicon wafer surface which is based on application of Auger spectroscopy with the precision sputtering of surface silicon layers and registration of the Auger electron yield intensity. In order to measure the disrupted layer with the help of Auger spectroscopy it is necessary to determine dependence of the released Auger electron amount on sputtering time (profile) and then the dependence is analyzed. Silicon amount in the disrupted layer is less than in the volume. While going deeper the disruptive layer is decreasing that corresponds to an increase of atom density in a single layer. The essence of the method lies in the fact the disruptive layer is removed by ion beam sputtering and detection of interface region is carried out with the help of registration of the Auger

Адрес для переписки

Солодуха Виталий Александрович

ОАО «Интеграл» - управляющая компания холдинга «Интеграл» ул. Казинца, 121а,

220108, г. Минск, Республика Беларусь Тел.: +375 17 212-32-32 [email protected]

Address for correspondence

Solodukha Vitaliy A.

JSC "Integral" - Holding managing company "Integral" 121a Kazinza str.,

220108, Minsk, Republic of Belarus Tel.: +375 17 212-32-32 [email protected]

Наука итехника. Т. 15,

electron yield intensity from the sputtered surface up to the moment when it reaches the value which is equal to the Auger electron yield intensity for single-crystal silicon. While removing surface silicon layers the registration of the Auger electron yield intensity from silicon surface makes it possible to control efficiently a presence of the disrupted layer on the silicon wafer surface. In this case depth control locality is about 1.0 nm due to some peculiarities of Auger spectroscopy method. The Auger electron yield intensity is determined automatically while using Auger spectrometer and while removing the disrupted layer the intensity is gradually increasing. Depth of the disrupted layer is determined by measuring height of the step which has been formed as a result of removal of the disrupted layer from the silicon wafer surface. Auger spectroscopy methods ensures an efficient depth control surface disruptions at the manufacturing stages of silicon wafers and integrated circuits. The depth measurement range of disruptions constitutes 0.001-1.000 um.

Keywords: silicon wafer, disrupted layer, Auger electron, depth of disruption

For citation: Solodukha V. A., Beloys A. I., Chyhir G. G. (2016) Depth Measurement of Disrupted Layer on Silicon Wafer Surface using Auger Spectroscopy Method. Science & Technique. 15 (4), 329-334 (in Russian)

Введение

Основная тенденция развития современной микроэлектроники - постоянное и стремительное уменьшение проектных норм. Интенсивный переход к субмикронным технологиям изготовления микросхем (МС) обусловливает повышенные требования к используемым материалам. Поэтому формирование кремниевых пластин с улучшенными свойствами в тонком приповерхностном слое становится актуальным. Глубина повреждений поверхности (глубина нарушенного слоя) кремниевых пластин -важнейший их параметр, который необходимо контролировать при производстве МС. Повреждения поверхности возникают как в результате механических воздействий на стадии изготовления пластин, так и в результате радиационных процессов, в частности при ионной имплантации легирующей примеси. Знание глубины нарушенного слоя позволяет оптимизировать процессы обработки кремния и выбрать наилучший из них, что в свою очередь повышает выход годных и уменьшает расход материалов.

Существует большое количество методов контроля и определения параметров нарушенного слоя . Однако отсутствуют универсальные методы контроля глубины нарушенного слоя, его отдельных составных зон и дефектов кристаллической решетки кремния. Процесс исследования глубины нарушенного слоя кремниевых пластин состоит из нескольких этапов, включающих применение как методов, чувствительных к дефектам кристаллической структуры, так и методов послойного удаления этих нарушений. Большие нарушения, например, после резки слитка на пластины, где глубина нарушенного слоя составляет десятки микрон, можно измерять сравнительно простыми мето-

дами с достаточной точностью. Нарушенный слой после шлифовки составляет 1-5 мкм, и его измерения уже не так однозначны. В этих случаях следует использовать более современные методы с большим разрешением. Для контроля глубины нарушенного слоя кремниевых пластин после полировки (менее 0,5 мкм) практически не существует количественных методов его оценки. Известные современные методы весьма трудоемки и не пригодны для промышленного использования. Объектом исследования являлся нарушенный слой на поверхности кремниевых пластин, предназначенных для изготовления субмикронных микросхем. Цель работы - разработка эффективного метода контроля глубины нарушенного слоя кремниевых пластин после химико-механической полировки с применением современных аналитических средств.

Физические основы и сущность метода

Предложен новый метод количественного контроля глубины нарушенного слоя кремниевых пластин после полировки для изготовления МС субмикронных размеров. Метод основан на использовании оже-спектроскопии с прецизионным распылением поверхностных слоев кремния и регистрацией интенсивности выхода оже-электронов с поверхности пластины . Для измерения глубины нарушенного слоя с помощью оже-спектроскопии снимается зависимость количества выходящих оже-электро-нов от времени распыления (профиль), и затем эта зависимость анализируется (рис. 1). Количество кремния в нарушенном слое меньше, чем в объеме. По мере углубления нарушенный слой уменьшается, что соответствует увеличению плотности атомов в одиночном слое. На графиках рис. 1 это соответствует плавному выходу на плато.

итехника. Т. 15, № 4 (2016)

4500000 4000000 3500000 3000000 2500000 2000000 1500000 1000000 500000 0

3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 Время, мин

Рис. 1. Зависимость количества выходящих

оже-электронов от времени распыления для пластин после полировки (1) и шлифовки (2)

Fig. 1. Dependence of released Auger electron amount on sputtering time for wafers after polishing (1) and grinding (2)

Сущность метода заключается в том, что нарушенный слой удаляется распылением пучком ионов, а выявление границы раздела осуществляется путем регистрации интенсивности выхода оже-электронов с распыляемой поверхности до достижения ею величины, равной интенсивности выхода оже-электронов для монокристаллического кремния. Глубина нарушенного слоя определяется измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины .

Регистрация интенсивности выхода оже-электронов с поверхности кремния при удалении поверхностных слоев кремния позволяет эффективно контролировать наличие нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластины. Причем локальность контроля по глубине (усреднение по глубине) из-за особенностей метода оже-спектроскопии составляет около 1,0 нм. Интенсивность выхода оже-электронов определяется на оже-спектрометре автоматически, и по мере удаления нарушенного слоя она постепенно возрастает. После удаления нарушенного слоя интенсивность выхода достигает максимальной величины, равной значению для монокристаллического кремния (кремний без нарушенного слоя) с погрешностью по глубине, не превышающей ±1,0 нм. Дальнейшее удаление поверхностных слоев кремния прекращается. Таким образом, на поверхности образца формируется ступенька: на верхней ее части находится исходная поверх-

■■ Наука

иТ ехника. Т. 15, № 4 (2016)

ность анализируемои кремниевои пластины с нарушенным слоем, а на нижней - поверхность с удаленным нарушенным слоем. Величина этой ступеньки равна глубине нарушенного слоя.

Использование метода оже-спектроскопии для определения глубины нарушенного слоя кремниевых пластин обусловлено двумя обстоятельствами:

Возможностью последовательного удаления тонких, вплоть до моноатомного, слоев;

Выход оже-электронов зависит от количества (плотности) анализируемого материала на поверхности. Так как в нарушенном слое имеется множество дефектов, его плотность будет меньше, чем монокристаллического материала, и следовательно, будет меньше количество выходящих оже-электронов.

Глубину нарушенного слоя определяли по ступеньке на профилометре после полного удаления нарушенного слоя распылением. Выход на монокристаллический кремний определяли следующим образом. Производили контроль за интенсивностью выхода оже-электронов после каждого шага распыления. Когда выход электронов за три шага не изменялся более чем на один процент, распыление прекращали, извлекали образец из камеры спектрометра и измеряли глубину кратера на профилометре. Профилометр Та1у81ер, который использовался в работе, имеет максимальное увеличение по вертикали 2000000 крат. При данном увеличении минимальная цена деления составляет 0,5 нм/мм. Изображение реальной ступеньки величиной 100 нм на диаграммной ленте самописца профилометра приведено на рис. 2. Данную ступеньку измеряли при увеличении 200000 крат, и ее размер на ленте профиломет-ра составляет 20 мм. Эти данные наглядно иллюстрируют возможности профилометра.

- " " Г""" - ■ li - I .. 1 "" "

P4 ..

L.:F [-■■ T""" Z"Z _ 1_. r 4

Щ -. 1..... --- . 10 нм 1-- (. - -j -"

Рис. 2. Профиль ступеньки на диаграммной ленте профилометра

Fig. 2. Step profile on a profilometer chart tape

Оже-спектрометр РН1-660 позволяет менять скорость распыления в очень широких диапазонах: от десятых долей нанометра в минуту до 100 нм/мин. Поэтому, если глубина нарушенного слоя мала, изменением скорости распыления можно обнаружить различия в способах даже химико-динамической полировки.

Метрологические характеристики метода

Для определения случайной составляющей измерений глубины кратера провели серию измерений на одном образце с глубиной кратера примерно 50 нм. Увеличение профилометра устанавливалось 1000000 крат. Величина среднеквадратичного отклонения результатов измерений не превышала 1,00 нм. По этой причине случайная составляющая ошибки единичного измерения при доверительной вероятности 0,95 не превышала 4,00 %. При уменьшении глубины нарушенного слоя погрешность возрастает. Однако метод позволяет определять глубину нарушенного слоя начиная с величины 1,00 нм. Меньше глубина нарушенного слоя на кремниевой полированной пластине практически быть не может, так как на воздухе быстро образуется пленка естественного оксида кремния толщиной 1,00-2,00 нм, которая тоже входит в нарушенный слой.

Глубину нарушенного слоя можно определить по известной скорости распыления. Для этого необходимо предварительно выбрать оптимальные режимы распыления образца, определить скорость распыления для данного режима и в дальнейшем использовать фиксированные режимы распыления и значение величины скорости. Скорость распыления можно определить двумя способами:

Распылением слоя известной толщины. Например, толщину слоя двуокиси кремния можно достаточно точно определить методом эллипсометрии. Учитывая, что скорость распыления двуокиси кремния практически одинакова с кремнием, а граница раздела «кремний -двуокись кремния» уверенно определяется на оже-спектрометре, скорость распыления в данном случае находится достаточно точно;

Многократным распылением кремниевой пластины, измерением глубины ступенек на профилометре и расчетом скорости распыления статистической обработкой данных.

Получается, что нет необходимости постоянно использовать профилометр для измере-

ния глубины нарушенного слоя. Достаточно настроить оже-спектрометр на известную скорость распыления и, определив время выхода на монокристаллический кремний по снятому профилю, вычислить глубину нарушенного слоя.

Для определения оптимальной скорости распыления провели ряд экспериментов. В ходе испытаний варьировали параметры электронной пушки: ток ионного пучка, растр (развертка), угол наклона образца. В результате выбрали скорость распыления 2,2 нм/мин. При этом режимы распыления были следующими: растр 3x3 мм2, ускоряющее напряжение 3,5 кВ, ток ионного пучка 30 нА, угол между ионным пучком и поверхностью образца 10о.

Предложенный количественный контроль глубины нарушенного слоя имеет следующие характеристики: диапазон измерения глубины нарушенного слоя составляет 0,001-1,000 мкм, разрешение по глубине до 1,000 нм. Данный метод может использоваться в сочетании со сканирующей зондовой микроскопией.

Экспериментальные результаты

и обсуждение

Зависимости выхода оже-электронов от времени распыления для двух кремниевых пластин, изготовленных на разных заводах и имеющих различные режимы финишной обработки поверхности, приведены на рис. 3.

Время распыления, мин

Рис. 3. Зависимость количества оже-электронов от времени распыления пластин № 1, 2 после разных режимов финишной полировки: № 1 - пластина изготовлена на зарубежном предприятии; № 2 - то же в Беларуси

Fig. 3. Dependence of Auger electrons amount on sputtering time for wafers Nos 1, 2 after different modes of final polishing: No 1 - wafer manufactured at a foreign enterprise; No 2 - wafer manufactured in the Republic of Belarus

итехника. Т. 15, № 4 (2016)

Анализ данных рис. 3 показывает, что глубина нарушенного слоя не полностью отражает качество подготовки поверхности. Время выхода на монокристаллический кремний для пластин № 1, 2 одинаково и составляет 1,75 мин. Это означает, что глубина нарушенного слоя для двух пластин одинакова и равна 3,80 нм. Получается, что по глубине нарушенного слоя практически нет различия между пластинами. Из данных рис. 3 следует, что нарушенные слои пластин отличаются. В области нарушенного слоя для пластины № 1 интенсивность выхода оже-электронов существенно выше и, можно полагать, что она более совершенной в сравнении с пластиной № 2. По этой причине предложено дополнительно оценивать качество подготовки поверхности по площади над полученной кривой профиля распыления. Целесообразно предварительно перевести количество выходящих оже-электронов в относительную величину. Для этого надо измеренное количество оже-электронов разделить на количество оже-электронов, выходящих с монокристаллического кремния, и затем произвести расчет площади. После проведения расчетов получается, что для пластины № 1 площадь над полученной кривой профиля распыления равна 0,191 м2, а для пластины № 2 - 0,323 м2. Можно сделать вывод, что качество поверхности пластины № 1 лучше, чем пластины № 2. Сравнение выхода годных субмикронных микросхем показывает, что на пластинах группы № 1 выход годных выше, чем на пластинах группы № 2, что обусловлено различием в качестве подготовки поверхности пластин.

Использование оже-спектроскопии для измерения глубины нарушенного слоя кремниевых пластин после шлифовки и особенно после резки нецелесообразно по нескольким причинам: во-первых, необходимо резко увеличить скорость и время распыления; во-вторых, существуют методы для контроля глубины нарушенного слоя поверхности после резки и шлифовки, менее трудоемкие и достаточно точные . Определение разброса глубины нарушенного слоя от пластины к пластине для различных производителей пластин показало, что минимальное значение глубины нарушенного слоя для полированных пластин составляет 3 нм, а максимальное не превышает 100 нм.

■■ Наука

иТ ехника. Т. 15, № 4 (2016)

1. Предложен метод измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевых пластин, основанный на использовании оже-спект-рометра с прецизионным ионным распылением поверхностных слоев кремния и регистрацией интенсивности выхода оже-электронов. Диапазон измерения глубины нарушений 0,001-1,000 мкм. Разрешение по глубине 1,000 нм.

2. При равных глубинах нарушенного слоя качество подготовки поверхности кремниевой пластины предложено оценивать по площади над полученной кривой профиля распыления.

3. Метод является эффективным при оптимизации процессов финишной подготовки поверхности кремниевых пластин в микроэлектронном производстве, выборе оптимальных технологических процессов, способствует снижению расхода технологических материалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методы контроля нарушенных слоев при механической обработке монокристаллов / А. И. Татаренков [и др.]. М.: Энергия, 1978. 64 с.

2. Луфт, Б. Д. Физико-химические методы обработки поверхности полупроводников / Б. Д. Луфт. М.: Радио и связь, 1982. С. 16-18.

3. Test Method for Measuring the Depth of Crystal Damage of a Mechanically Worked Silicin Slice Surface by Angle Polishing and Defect Etching: Standard SEMI MF950-1106 // Annual Book of ASTM Standard. USA: American Society for Testing and Materials, 1999. Vol. 10.05: Electronics II (Electrical Insulation and Electronics). P. 315.

4. Химическая обработка в технологии ИМС / В. П. Ва-силевич [и др.]. Полоцк: ПГУ, 2001. С. 174-185.

5. Берченко, Н. Н. Методы электронной и ионной спектроскопии для исследования поверхности и границ раздела в полупроводниковой электронике. Ч. 1 / Н. Н. Бер-ченко, Н. Р. Аигина // Зарубежная электронная техника. 1986. № 9 (304). 86 с.

6. Берченко, Н. Н. Методы электронной и ионной спектроскопии для исследования поверхности и границ раздела в полупроводниковой электронике. Ч. 2 / Н. Н. Бер-ченко, Н. Р. Аигина // Зарубежная электронная техника. 1986. № 10 (305). 85 с.

7. Холева, Л. Д. Методы электронной спектроскопии для анализа материалов электронной техники / Л. Д. Хо-лева, В. С. Шкиров // Зарубежная электронная техника. 1979. № 4 (199). С. 3-33.

8. Способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины: пат. 5907 Респ. Беларусь, МПК С1 Н 01 L 21/66 /

Г. Г. Чигирь, Л. П. Ануфриев, В. А. Ухов, Л. П. Пеньков; дата публ. 30.03.2004.

9. Измерение глубины повреждений поверхности кремниевых пластин методом оже-спектроскопии и ионного распыления / А. С. Турцевич [и др.] // Радиационная физика твердого тела: тр. 20-го Междунар. совещания, 6-8 июля 2010 г., Севастополь, Украина. М.: НИИ ПМТ, 2010. Т. 2. С. 556-562.

10. The Measurement of the Depth of Damaged Layer on Surface of Silicon Wafers by the Method of Auger Spec-troscopy / A. Turtsevich // New Electrical and Electronic Technologies and Their Industrial Implementation (NEET 2013): Proceedings of the 8th International conference, Zakopane, Poland, June 18-21, 2013. Warsaw: Pol. Acad. of Sciences, Inst. of Physics, 2014. Р. 17.

11. Analysis of the Disrupted Layer on the Surface of the Silicon Wafers, Based on the Ion-Sputtering and Auger-Spectroscopy / V. А. Solodukha // New Electrical and Electronic Technologies and their Indastrial Implementation: Proc. of the 9th Int. Conf. Zakopane, Poland, 23-26 June 2015. Lublin: Lublin University of Technology, 2015. Р. 21.

Поступила 07.09.2015 Подписана в печать 08.11.2015 Опубликована онлайн 28.07.2016

1. Tatarenkov A. I., Enisherlova K. L., Rusak T. F., Grid-nev V. N. (1978) Methods for Control of Disarrayed Layers During Mechanical Machining of Mono-Crytals. Moscow, Energia. 64 (in Russian).

2. Luft B. D. (1982) Physical and Chemical Methods for Machining of Semiconductor Surface. Moscow, Radio i Svyaz, 16-18 (in Russian).

3. Standard SEMI MF950-1106. Test Method for Measuring the Depth of Crystal Damage of a Mechanically Worked Silicon Slice Surface by Angle Polishing and Defect Etching. Annual Book of ASTM Standard, 10.05. Electronics II (Electrical Insulation and Electronics). American Society for Testing and Materials, 1999, 315.

4. Vasilevich V. P., Kisel A. M., Medvedeva A. B., Pleba-novich V. I., Rodionov Iu. A. (2001) Chemical Treatment in IMS Technology. Polotsk: Polotsk State University, 174-185 (in Russian).

5. Berchenko N. N., Aigina N. R. (1986) Methods for Electronic and Ionic Spectroscopy to Investigate Surface and Interfaces in Semiconductor Electronics. Part 1. Zaru-bezhnaya Elektronnaya Tekhnika , 304 (9). 86 (in Russian).

6. Berchenko N. N., Aigina N. R. (1986) Methods for Electronic and Ionic Spectroscopy to Investigate Surface and Interfaces In Semiconductor Electronics. Part 2. Zaru-bezhnaya Elektronnaya Tekhnika , 305 (10). 85 (in Russian).

7. Kholeva L. D., Shkirov V. S. (1979) Methods for Electronic Spectroscopy to Analyze Materials of Electronic Equipment. Zarubezhnaya Elektronnaya Tekhnika , 199 (4), 3-33 (in Russian).

8. Chigir G. G., Anufriev L. P., Ukhov V. A., Penkov L. P. (2004) Method for Measuring Depth of Disarrayed Layer on the Surface of Silicon Semiconductor Plate. Patent Republic of Belarus No 5907 (in Russian).

9. Turtsevich A. S., Shvedov S. V., Chigir G. G., Ukhov V. A. (2010) Measurement of Damage Depth on Silicon Plate Surface while Using Methods of Auger Spectroscopy and Ion Sputtering. Radiatsionnaia Fizika Tverdogo Tela: tr. 20-go Mezhdunar. Soveshchaniia. T. 2 . Moscow, Research Institute of Advanced Materials and Technologies, 556-562 (in Russian).

10. Turtsevich (2014) The Measurement of the Depth of Damaged Layer on Surface of Silicon Wafers by the Method of Auger Spectroscopy. New Electrical and Electronic Technologies and their Industrial Implementation (NEET 2013): Proceedings of the 8th International Conference, Zakopane, Poland, June 18-21, 2013. Warsaw: Pol. Acad. of Sciences, Inst. of Physics, 17.

11. Solodukha V. A., Shvedov S. V., Ponaryadov V. V., Pili-penko V. A., Chyhir R. R. (2015) Analysis of the Disrupted Layer on the Surface of the Silicon Wafers, Based on the Ion Sputtering and Auger Spectroscopy. New Electrical and Electronic Technologies and their Indastrial Implementation: Proc. of the 9th Int. Conf. Zakopane, Poland, 23-26 June 2015. Lublin: Lublin University of Technology, 21.