15. Методы контроля параметров диэлектрических слоев

Свойства диэлектрических пленок на кремниевой подложке существенно зависят от метода получения пленок.

К основным параметрам пленок можно отнести: плотность, коэффициент преломления, удельное сопротивление, диэлектрическую постоянную, диэлектрическую прочность, скорость травления, толщину, плотность дефектов и заряд в структуре кремний - диэлектрик.

Первые шесть параметров обычно не контролируются в процессе промышленного производства полупроводниковых приборов и интегральных схем, хотя их величины учитываются при расчете и конструировании микросхемы. Поэтому остановимся на методах контроля толщины и дефектности диэлектрических пленок, а также заряда и свойств границы раздела полупроводник - диэлектрик.

Контроль толщины слоя диэлектрика

Метод измерения выбирается в зависимости от того, в каком диапазоне толщин находится исследуемая диэлектрическая пленка и с какой точностью необходимо измерить ее толщину.

Наиболее прост метод цветовых оттенков Ньютона, основанный на наблюдении интерференционных цветов в отраженном свете, возникновение которых обусловлено двойным отражением и преломлением белого света, проходящего через прозрачную пленку и отражающегося от непрозрачной подложки. Цветность пленок зависит только от их толщины и показателя преломления

△ = 2nxsina,

где  - разность хода лучей; n - показатель преломления пленки;  - угол отражения; x - толщина пленки.

Если отраженный свет наблюдать под прямым углом к поверхности пленки, то

△ = 2nx.

Зная показатель преломления материала, по цвету пленки легко определить ее толщину. Однако для SiO₂ цветовые оттенки повторяются примерно через каждые 0,22 мкм, проходя весь спектр. Поэтому для однозначного определения толщины необходимо знать порядок интерференции, т.е. какое по счету повторение цветов наблюдается. Для определения порядка интерференции на окисленную пластину осторожно наносят каплю плавиковой кислоты. В окисле вытравливается лунка до поверхности кремния. По периферии лунки наблюдается ряд колец. Количество темных красно-фиолетовых колец и определяет порядок интерференции. Например, зеленый цвет окисла в четвертом порядке соответствует толщине 0,72 мкм, а во втором порядке - толщине 0,33 мкм. Этот простой, не требующий оборудования метод позволяет измерить толщину окисла с погрешностью (5 – 10) %. Диапазон измеряемых этим методом толщин составляет 0,05 - 1,5 мкм.

Для более толстых слоев диэлектриков часто используют метод определения толщины при помощи микроинтерферометра МИИ-4, который дает возможность измерять толщину пленок до 20 мкм с погрешностью 30 нм.

Сущность метода заключается в измерении высоты "ступеньки" после стравливания пленки диэлектрика с части пластины. При наблюдении ступеньки с помощью микроинтерферометра на фоне п

Рис.2.10. Определение толщины пленок при помощи микроинтерферометра

оверхности видны серии интер-ференционных полос, которые претерпевают излом на ступеньке (рис.2.10).

Толщина пленки пропорцио-нальна сдвигу интерференцион-ных полос:

x = (△h/h)l/2,

где h - сдвиг полосы, отн. ед.;
h - расстояние между соседними интерференционными полосами, мкм;  - длина волны для видимого света, /2 = 0,27 мкм.

Для определения толщины тонких диэлектрических пленок
(x < 50 нм) или измерения толщин с большей точностью используется эллипсометрический метод. Он основан на отражении линейно-поляризованного луча (обычно поляризованного под углом 45° к плоскости падения) от поверхности кремния, покрытой пленкой диэлектрика. Компонента, перпендикулярная плоскости падения, отражается иначе, чем компонента, лежащая в плоскости падения. В результате образуется эллиптически поляризованная отраженная волна. Измерив эллиптичность отраженной волны, можно определить свойства пленки, вызвавшей соответствующие изменения поляризации волны.

Контроль дефектности пленок

Под дефектностью диэлектрических слоев обычно понимают плотность сквозных микродефектов (пор) и слабых мест (скрытых дефектов). Основные причины их возникновения: структурные нарушения подложки, загрязнения поверхности полупроводника, механические напряжения на границе раздела полупроводник - диэлектрик и т.д. Дефектность диэлектрических слоев - одна из важнейших причин снижения выхода годных микросхем.

Метод электролиза воды

При пропускании постоянного электрического тока через химически чистую воду происходит разложение воды на ионы водорода (H⁺) и гидроксильные ионы (OH^–). Ионы водорода перемещаются к катоду, где отдают свой заряд, превращаясь в атомы водорода, соединяющиеся в молекулы. Ионы гидроксила отдают свой заряд на аноде и, соединяясь друг с другом, образуют воду и кислород.

Если на поверхность диэлектрической пленки нанести каплю воды, поместить в нее положительный платиновый электрод, а на подложку (кремний) подать отрицательный потенциал, то дефекты сплошности пленки можно регистрировать по пузырькам водорода, выделяющимся на поверхности дефекта. О плотности дефектов судят по результатам микроскопического исследования или по величине тока в цепи электрод - электролит - подложка при постоянном напряжении.

Метод является неразрушающим. Основной его недостаток заключается в том, что документирование результатов исследований затруднено: при длительных измерениях количество пузырьков водорода становится так велико, что их невозможно подсчитать.

Электрографический метод

Пластина кремния накрывается поверх диэлектрической пленки смоченной в воде фотобумагой, на которую помещают металлический электрод с положительным потенциалом относительно кремниевой пластины. На фотобумаге в местах ее соприкосновения с отверстием в окисле идет реакция восстановления водородом бромистого серебра до металла ("засветка" фотослоя), что проявляется в виде увеличенных черных точек, соответствующих расположению пор в окисле. (Работа проводится при красном освещении.)

Для ускорения процесса и получения более качественных изображений фотобумагу смачивают не водой, а перенасыщенным раствором гидрохинона, что позволяет исключить последующую операцию проявления фотоотпечатка.

Этот метод также является неразрушающим, отличается простотой и документальностью, применяется для оперативного контроля в производственных условиях и позволяет выявлять дефекты размером 0,1 - 0,3 мкм.

Метод электронной микроскопии

Существуют две разновидности этого метода:

а) метод растрового электронного микроскопа позволяет выявлять каналы повышенных токовых утечек, образующихся в результате проникновения алюминия по дефектам в диэлектрике к кремниевой подложке. В этих местах кремния n-типа после термообработки при
температурах выше 576 °С (точка эвтектики на диаграмме состояния
Al - Si) образуются сплавные p - n-переходы. Дефекты выявляются по аномальному контрасту в электронных изображениях, возникающих на сплавных p - n-переходах в режиме наведенного тока. Разрешающая способность метода близка к диаметру электронного зонда. Недостаток метода связан с подготовкой специальных образцов для исследования. Метод разрушающий;

б) метод электронного зеркального микроскопа основан на регистрации локальных областей кремния с измененной в результате проникновения диффузанта через дефекты SiO₂ проводимостью по отношению к исходной. На образовавшиеся p - n-переходы подается электрическое смещение. Имеющиеся в окисле дефекты выявляются по соответствующему контрасту в изображении. Достоинства и недостатки данного метода аналогичны предыдущим.

Метод короткого замыкания

В данном методе применяется электрическая схема измерения вольт-амперных характеристик. Один из электродов присоединяется к кремниевой пластине, а другой - либо к капле электролита (раствор KCl), либо к алюминиевому пятну на поверхности диэлектрической пленки. Степень сплошности пленки оценивается по величине напряжения, при котором в цепи появляется ток, или по напряжению пробоя. В случае абсолютной сплошности пленки ток в цепи отсутствует до момента резкого пробоя при напряжении U_пр = E_крx. При наличии несквозных каналов напряжение пробоя снижается. Если в пленке имеются сквозные каналы проводимости, то ток в цепи возникает при малых напряжениях и увеличивается пропорционально приложенному напряжению и площади дефектов.

Недостатки метода связаны с тем, что без специальной калибровки другими методами нельзя определить количество дефектов и установить точное их местоположение, полезной является информация о наличии несквозных дефектов.