Способ определения толщины нарушенного слоя кристалла

 

Использование: в области испытательной техники, в частности в способах определения толщины нарушенного слоя кристалла. Технический результат: повышение точности определения толщины нарушенного слоя кристалла за счет исключения погрешностей, связанных с анизотропией распределения структурных дефектов. Сущность изобретения: производят послойное контролируемое стравливание поверхностных слоев кристалла, вдавливание в каждый последующий слой кристалла индентора при постоянной нагрузке, а затем измеряют геометрические параметры отпечатков, по крайней мере, при двух длительностях выдержки индентора под нагрузкой и определяют толщину нарушенного слоя как толщину стравленных слоев, при которой наступает стабилизация геометрических параметров отпечатка. Отпечатки при любой длительности нагружения наносят так, чтобы каждый последующий отличался от предыдущего поворотом на заданный угол своих сторон вокруг оси, совпадающей с осью вдавливания индентора, а стабилизацию геометрических параметров отпечатков оценивают по неизменному значению максимального изменения их размеров в зависимости от длительности нагружения хотя бы на двух различных этапах травления кристалла. 2 табл.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к способам определения толщины нарушенного слоя кристалла, и может быть использовано, например, в электронной промышленности для контроля структурного совершенства приповерхностных слоев полупроводниковых структур.

Известен способ определения толщины нарушенного слоя кристалла, включающий послойное стравливание поверхностных слоев кристалла и измерение микротвердости по величине геометрических размеров (диагонали или стороны) отпечатка, полученного путем вдавливания в кристалл и выдержки в течение заданного времени при постоянной нагрузке жесткого индентора, и определения толщины нарушенного слоя как толщины стравленных слоев, при которой стабилизируются значения микротвердости или размеры отпечатка в зависимости от глубины травления [1] Недостатком известного способа является низкая точность определения толщины нарушенного слоя из-за малой чувствительности геометрических размеров отпечатка (т.е. микротвердости) к слабым искажениям кристаллической решетки типа комплексов точечных дефектов вследствие конечного и короткого времени вдавливания и выдержки индентора под нагрузкой, которое по способу 1 составляет 5 15 с. За это время не успевают закончиться процессы неконсервативной перестройки дислокационной структуры, создаваемой в кристалле вдавливаемым индентором и взаимодействующей с неравновесными вакансиями и собственными междоузельными атомами, возникающими за счет распада комплексов в поле локально высоких механических напряжений. Нестационарность процесса формирования отпечатка проявляется при малых временах нагружения из-за случайных вариаций длительности вдавливания в возрастании случайных погрешностей измерения микротвердости и, как следствие, ошибок определения толщины нарушенного слоя.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения толщины нарушенного слоя кристалла, включающий послойное контролируемое стравливание поверхностных слоев кристалла, вдавливание в каждый последующий слой кристалла индентора при постоянной нагрузке, измерение геометрических параметров отпечатков, по крайней мере, при двух длительностях выдержки индентора под нагрузкой и определение толщины нарушенного слоя как суммарной толщины стравленных слоев, при которой наступает стабилизация значений геометрических параметров отпечатков индентора при наибольшем времени выдержки под нагрузкой [2] При использовании способа 2, принятого за прототип, благодаря расширению интервала длительности нагружения от нескольких секунд до десятков и сотен, удается снизить случайные погрешности, обусловленные нестационарными процессами при формировании дислокационного отпечатка под индентором, и, тем самым, повысить точность определения толщины нарушенного слоя по сравнению со способом 1.

Однако полностью исключить погрешности, связанные с нестабильными дефектами в исследуемом нарушенном слое и их трансформацией под действием механических напряжений, создаваемых индентором, при использовании способа 2 нельзя. Это связано, во-первых, с неоднородностью и анизотропией поля напряжений под индентором (который может быть трехгранным, четырехгранным, ромбическим) и, во-вторых, с анизотропией распределения дефектов, прежде всего, нестабильных, обусловленной как особенностями кристаллографического строения исследуемого материала, так и спецификой внешнего воздействия, создающего нарушенный слой (например, анизотропная механическая обработка поверхности). При несовпадении направлений максимальной амплитуды механических напряжений от индентора (как правило, локализованных вблизи ребер пирамиды) и направлений, вдоль которых сосредоточена наибольшая плотность структурных дефектов, результаты измерений по способу 2 могут свидетельствовать о стабилизации размеров наносимых отпечатков даже при неполностью стравленном нарушенном слое. Другими словами, из-за неориентированного нанесения отпечатков на исследуемую поверхность кристалла, по стабилизации параметров которых судят о глубине нарушенного слоя, способу 2 свойственна неконтролируемая ошибка, как правило, занижающая истинную глубину нарушенного слоя.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения толщины нарушенного слоя кристаллов за счет исключения погрешностей, связанных с анизотропией распределения структурных дефектов.

Технический результат достигается тем, что в способе определения толщины нарушенного слоя кристалла, включающем послойное контролируемое стравливание поверхностных слоев кристалла, вдавливание в каждый последующий слой кристалла индентора при постоянной нагрузке, измерение геометрических параметров отпечатков, по крайней мере, при двух длительностях выдержки индентора под нагрузкой и определение толщины нарушенного слоя как суммарной толщины стравленных слоев, при которой наступает стабилизация геометрических параметров отпечатка. Отпечатки при любой длительности нагружения наносят так, чтобы каждый последующий отличался от предыдущего поворотом на заданный угол своих сторон вокруг оси, совпадающей с осью вдавливания индентора, а стабилизацию геометрических параметров отпечатков оценивают по неизменному значению максимального изменения их размеров в зависимости от длительности нагружения хотя бы на двух различных этапах травления кристалла.

Новым, необнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы в предлагаемом способе является то, что отпечатки при любой длительности нагружения наносят так, чтобы каждый последующий отличался от предыдущего поворотом на заданный угол своих сторон вокруг оси, совпадающей с осью вдавливания индентора, а стабилизацию геометрических параметров отпечатков оценивают по неизменному значению максимального изменения их размеров в зависимости от длительности нагружения хотя бы двух различных этапах травления кристалла.

Технический результат достигается благодаря тому, что при последовательном изменении взаимной ориентации отпечатков, получаемых при любой длительности нагружения, путем поворота на заданный угол вокруг оси вдавливания индентора, либо кристалла, либо самого индентора всегда будет обнаружена такая серия отпечатков, для которых изменение размеров в зависимости от длительности нагружения окажется максимальным. Это означает, что совпали направления действия максимальных механических напряжений, создаваемых индентором, и направления, вдоль которых сосредоточена наибольшая концентрация кристаллографических дефектов и, прежде всего, метастабильных, накапливающихся обычно на больших глубинах, где мала плотность стоков для неравновесных вакансий и собственных междоузельных атомов материала, которые объединяются в комплексы между собой и с примесями. При совпадении указанных направлений удается по релаксации параметров отпечатков выявить области залегания наиболее нестабильных параметров, которыми со стороны объема ограничен исследуемый нарушенный слой, и, тем самым, существенно повысить точность определения суммарной толщины этого слоя.

Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом. На любом приборе для измерения микротвердости, например, ПМТ-3 с использованием в качестве индентора алмазной 136-градусной пирамиды с квадратным основанием, делают несколько серий отпечатков при одной и той же нагрузке, но при различных, по крайней мере, двух, длительностях выдержки индентора под нагрузкой. При этом после нанесения очередного отпечатка, кристалл (или индентор) поворачивают на некоторый заданный угол вокруг оси, вдоль которого производится вдавливание индентора в материал. Угол поворота выбирают произвольно, основываясь лишь на том, чтобы между двумя эквивалентными по ориентации сторон отпечатками (т.е. когда стороны отпечатка вновь окажутся параллельными сторонам исходного, первого отпечатка) было несколько неэквивалентных по ориентации сторон отпечатков, различающихся между собой на постоянные (и не обязательно равные) углы. Количество таких неэквивалентных положений (т.е. число необходимых поворотов) определяется конкретными условиями задачи исследований, требуемой точностью измерений толщины нарушенного слоя, необходимостью исследования анизотропии распределения дефектов в плоскости индентирования и т. д. Кроме того, в случае монокристаллов количество поворотов может определяться кристаллографической симметрией изучаемой поверхности, например, можно поворачивать образец через 5 10^o между направлениями легкого скольжения или проекциями плоскостей спайенности на поверхность.

По результатам измерений приращений диагонали (или длины стороны) отпечатка при увеличении длительности нагружения, выполненных на каждом из повернутых друг относительно друга отпечатков, выбирают данные, относящиеся к наибольшему приращению параметра отпечатка при данной длительности нагружения. По этим данным рассчитывают характерное время релаксации параметра отпечатка, используя формулу из описания способа 2: которая получается дифференцированием соотношения, описывающего зависимость диагонали отпечатка от времени нагружения: где d_o значение диагонали при t=0; d_∞ при t _→ ∞; τ характерное время релаксации, зависящее от конкретных механизмов структурных превращений, протекающих во время вдавливания под инвертором и определяющих процесс увеличения геометрических размеров отпечатков из-за микроползучести.

Таким образом, определяют время релаксации (нестабильность) параметров отпечатков, нанесенных на исходную, нетравленную поверхность нарушенного слоя кристалла.

Далее кристалл травят на определенную, контролируемую глубину, а затем вновь при той же нагрузке на индентор создают серию отпечатков, каждый из которых отличается от предыдущего ориентацией своих сторон на определенный угол поворота вокруг оси вдавливания. Для одной и той же ориентации отпечатка на поверхности, его формируют, по крайней мере, при двух длительностях нагружения. И вновь, анализируя скорости изменения размеров отпечатков с разной ориентацией, выбирают из них наибольшую, отвечающую наиболее нестабильным дефектам или, точнее, соответствующую условиям вдавливания, при которых активируются указанные дефекты. По полученным данным вновь оценивают время релаксации микротвердости материала на стравленной глубине.

Эту процедуру: послойное контролируемое стравливание; нанесение отпечатков индентора при постоянной нагрузке, но с различной взаимной ориентацией и длительностях нагружения; измерение размеров (диагонали или длины сторон) каждого из отпечатков и выбора тех значений, что соответствуют наибольшей скорости релаксации при одинаковых нагрузке и длительностях нагружения, а также расчетов времени релаксации для данной глубины стравленного слоя продолжают до тех пор, пока на каком-либо из этапов стравливания поверхности не будет зафиксировано постоянное значение времени релаксации, не изменяющее при последующих травлениях и не зависящее от взаимной ориентации отпечатков индентора. Суммарная толщина всех стравленных слоев до глубины, на которой зафиксирована стабильность размеров отпечатков независимо от их взаимной ориентации, равна искомой толщине структурно нарушенного слоя исследуемого кристалла. При достижении этой глубины время релаксации размеров отпечатков не зависит от глубины и ориентации граней индентора при каждом акте его вдавливания. При этом время релаксации может быть конечной величиной и определяться собственными релаксационными свойствами объема исследуемого материала, его механическими характеристиками, зависящими, в частности, от концентрации дефектов, возникших в процессе выращивания или формирования образца.

Предлагаемый способ реализуют при любой нагрузке на индентор, удовлетворяющий условиям, во-первых, достаточности по величине для активации дефектов, и, во-вторых, обеспечивающей проникновение индентора на глубины, меньшие толщины изучаемого слоя. В ряде случае для контроля получаемых результатов целесообразно использовать несколько нагрузок. Каждая из нагрузок может давать свое время релаксации микротвердости, однако при помощи при полном удалении исследуемых нарушенных слоев это время стабилизируется и его величина будет характеризовать лишь объемные релаксационные свойства материала.

Необходимо отметить также, что в случае поликристаллов предлагаемый способ позволяет не только обнаружить текстурированность материала, но и исследовать закономерности ее распределения по глубине приповерхностных слоев, а также изменение текстуры после различных внешних воздействий, например, после термохимического или механического упрочнения.

П р и м е р 1. Исследовали толщину геттерирующих слоев кристалла кремния марки КДБ-10 с ориентацией поверхности (111) после химико-механического полирования суспензией аэросила. Геттерирование примесей осуществляли путем термообработки кристаллов СВЧ-излучением с частотой 80 ГГц в течение 5 мин при 550+20^oС.

После отжига толщину приповерхностных слоев, в которых произошло изменение примесного состава, определяли на микротвердомере ПМТ-3 (индентором служила 136-градусная алмазная пирамида) при нагрузках на индентор 5 и 10 сН. Послойное стравливание кристаллов проводили в травителе состава HNO₃:HF: CH₃COOH 40:1:1. Для того, чтобы избежать погрешностей, связанных с неоднородностью распределения по слитку исходного ростового примесного состава, каждую исследовавшуюся пластину разрезали на три части, из которых на первой измерения проводили по способу-прототипу, т.е. определяли время релаксации размеров отпечатков в интервале длительности нагружения от 5 до 180 с без изменения взаимной ориентации отпечатков на поверхности. На второй части образцов измерения выполняли по заявляемому способу: после нанесения серии одинаково ориентированных отпечатков (12 15 отпечатков) кристалл поворачивали вокруг оси вдавливания индентора на 10^o; наносили снова серию отпечатков при разных длительностях нагружения, измеряли изменения диагоналей в зависимости от времени нагружения, затем вновь осуществляли поворот на 10^o и эту процедуру повторяли для углового диапазона 0 - 90^o, в котором начальная и конечная ориентация сторон отпечатков совпадали. Время релаксации рассчитывали по результатам измерений тех отпечатков, для которых изменение диагонали за одинаковый промежуток времени нагружения было максимальным. Третью группу образцов использовали в качестве контрольных, на которых толщину слоев с измененным после отжига примесным составом фиксировали методом масс-спектрометрии вторичных ионов на установке МIQ-256. Распыление анализируемой поверхности со скоростью 1,3 нм/с осуществлялось ионами кислорода с энергией 7 кэВ. Для снятия масс-спектров использовали образцы с химически стравленными слоями различной толщины.

Результаты измерений толщины геттерирующих слоев после СВЧ-отжига, полученные указанными тремя способами приведены в таблице 1. В таблице наряду со средними значениями представлены и значения дисперсии результатов измерений, выполненных каждым способом на 8 образцах. Точность определения диагоналей отпечатков во всех случаях была не хуже 7 Как видно из табл.1, предлагаемый способ дает лучшее приближение к данным контрольных экспериментов, в которых фиксировались профили распределения в приповерхностном слое таких примесей, как натрий и углерод. Способ-прототип имеет меньшую чувствительность к примесям и дефектам, сосредоточенным в геттерирующем слое, поскольку при неизменной ориентации отпечатков вероятность активации анизотропно распределенных примесно-дефектных комплексов оказывается низкой. С другой стороны, при произвольной ориентации однонаправленных отпечатков на разных образцах приводит к тому, что при использовании способа-прототипа возрастает дисперсия регистрируемых значений толщины геттерирующих слоев, т.е. возрастает погрешность измерения.

Предлагаемый способ при изменениях ориентации отпечатков позволил на каждом этапе травления выявить такие ориентации, при которых время релаксации диагоналей отпечатков достигало 1100±286 c при нагрузке 5 cН и 1814±309 с для 10 сН, а после удаления геттерирующего слоя, соответственно, 3010 и 2608 с. В случае способа-прототипа наименьшее время релаксации для 5 сН составило 1634±300 c и для 10 сН 2703±411 с, а наибольшее совпало в пределах погрешностей с данными, полученными по предлагаемому способу, что соответствует объемным релаксационным свойствам кремния.

Таким образом, результаты этих экспериментов показывают, что предлагаемый способ более чувствителен к глубоко залегающим метастабильным примесно-дефектным комплексам, образованным при химико-механическом полировании и последующем СВЧ-отжиге, чем способ-прототип.

П р и м е р 2. Исследовали глубину структурно-нарушенного переходного слоя между термическим окислом и монокристаллическим кремнием марки КЭФ-12 (001). Термическое окисление проводили в потоке влажного кислорода при 1100^oС в течение 20 мин. Затем образцы протравливались в 49 фтористоводородной кислоте для удаления слоя диоксида кремния. После этого измеряли толщину остаточного нарушенного слоя на микротвердометре ПМТ-3 при нагрузке 5 сН по способу-прототипу и описываемому способу. Послойное травление осуществляли, как и в примере 1. Контрольными служили данные измерений толщины переходных слоев эллипсометрическим методом на элипсометре ЛЭФ-6.

Результаты измерений, выполненные каждым из методов, представлены в табл.2.

Из данных табл.2 следует, что предлагаемый способ по точности близок к контрольному эллипсометрическому и может заменить его (как менее технически сложный) при межоперационном контроле структур в технологии микроэлектроники.

Формула изобретения

Способ определения толщины нарушенного слоя кристалла, включающий послойное контролируемое стравливание поверхностных слоев кристалла, вдавливание в каждый последующий слой кристалла индентора при постоянной нагрузке, измерение геометрических параметров отпечатков по крайней мере при двух длительностях выдержки индентора под нагрузкой и определение толщины нарушенного слоя как суммарной толщины стравленных слоев, при которой наступает стабилизация геометрических параметров отпечатка, отличающийся тем, что отпечатки при любой длительности нагружения наносят так, чтобы каждый последующий отличался от предыдущего поворотом на заданный угол своих сторон вокруг оси, совпадающей с осью вдавливания индентора, а стабилизацию геометрических параметров отпечатков оценивают по неизменному значению максимального изменения их размеров в зависимости от длительности нагружения хотя бы на двух различных этапах травления кристалла.

РИСУНКИ

Рисунок 1