Способ контроля дефектности пленок диоксида кремния на кремниевых подложках

 

Использование: технология микроэлектроники для оценки качества слоев диоксида кремния, выращенных на кремниевых подложках. Технический результат способа - повышение чувствительности и экспрессности эллипсометрического контроля пористости пленок диоксида кремния. Сущность изобретения: регистрируют изменения показателя преломления пленки, измеряемого эллипсометрическим методом при нормальных условиях и нагреве структуры до 350 - 400 К, перед измерениями структуру выдерживают в течение 10 - 15 мин при температуре 320 - 350 K в этиловом спирте.

Предлагаемое изобретение относится к неразрушающим способам контроля структурных дефектов диэлектрических пленок и может быть использовано в технологии микроэлектроники для оценки качества слоев диоксида кремния, выращенных на кремниевых подложках.

Известен способ электрохимического контроля пористости диэлектрических пленок путем регистрации с помощью оптического микроскопа локально выделяющихся из дефектных мест в пленке газообразных продуктов электролиза (пузырьков) при размещении исследуемой структуры в электролите и подаче электрического потенциала к системе электрод - электролит - структура [1].

Недостаток этого способа в том, что он является разрушающим, поскольку в местах газовыделения происходит дополнительное нарушение сплошности диэлектрического слоя. Поэтому этот способ обычно используют при контроле пористости на структурах-спутниках.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ контроля дефектности пленок диоксида кремния на кремниевых подложках путем регистрации изменений показателя преломления пленки, измеряемого эллипсометрическим методом при нормальных условиях и при нагреве структур до 350-400 K и выдержке в течение 30-40 мин [2]. Величина приращения показателя преломления и скорость его изменения при нагреве характеризуют степень дефектности (пористости) пленок. Чем ниже пористость пленок диоксида кремния, тем меньше изменяется показатель преломления при нагреве в данных интервалах температуры и длительности выдержки.

В отличие от способа [1] эллипсометрический способ [2] является неразрушающим и может использоваться для 100% - ного контроля структур в полупроводниковом производстве.

Недостаток способа [2] в его низкой чувствительности к малой плотности пор в диэлектрических пленках и невысокой производительности, что обусловлено необходимостью использования длительной выдержки структур при повышенных температурах в случае малой пористости.

Технический результат заявляемого изобретения - повышение чувствительности и экспрессности эллипсометрического контроля пористости пленок диоксида кремния.

Технический результат достигается тем, что по способу контроля дефектности пленок диоксида кремния на кремниевых подложкам путем регистрации изменений показателя преломления пленки, измеряемого эллипсометрическим методом при нормальных условиях и нагреве структуры до 350-400 K, перед измерениями структуру выдерживают в течение 10-15 мин при температуре 320-350 K в этиловом спирте.

Новым, не обнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы в заявляемом способе является то, что перед зллипсометрическими измерениями структуру в течение 10-15 мин выдерживают при температуре 320-350 K в этиловом спирте.

Положительный результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что выдержка структур перед эллипсометрическими измерениями в подогретом до 320-350 K этиловом спирте сопровождается заполнением имеющихся в пленке диоксида кремния пор спиртом, показатель преломления которого равен 1,3613, т. е. увеличивающим эффективный (интегральный) показатель преломления пленки на величину, пропорциональную плотности исходных пор. Поскольку выдержка в спирте производится при повышенных температурах, увеличивается вероятность раскрытия и заполнения спиртом пор малого диаметра, к которым практически нечувствителен способ [2]. Насыщение пористой пленки спиртом при повышенной температуре и последующее охлаждение перед началом измерений на эллипсометре до комнатной приводят к увеличению внутреннего давления в заполненных спиртом порах, которое компенсирует частично сжимающие механические напряжения в диэлектрическом слое, действующие со стороны кремниевой подложки. Это также увеличивает эффективный показатель преломления пленки и в случае высокой пористости (более 100 пор/см²), такое приращение показателя преломления регистрируется на эллипсометре при комнатной температуре. Нагрев структуры с пленкой, насыщенной спиртом, во время эллипсометрических измерений интенсифицирует процесс возгонки спирта из пор, что сопровождается резким изменением показателя преломления со скоростью, превышающей скорость изменения показателя преломления при его регистрации по способу-прототипу [2], а это исключает необходимость длительной (до 40 мин) выдержки структур при повышенных (до 400 K) температурах. Последнее, во-первых, существенно увеличивает экспрессность контроля (т.е. повышает производительность способа), а во-вторых, снижает вероятность неконтролируемого дефектообразования в диэлектрическом слое из-за нагрева, связанного, например, с образованием и ростом кристаллической фазы в диоксиде кремния.

Заявляемый способ реализуют следующим образом. Структуры, пленки диоксида кремния на которых подлежат контролю на дефектность, погружают в сосуд с подогретым до 320-350 K этиловым спиртом и выдерживают в нем в течение 10-15 мин. Затем структуры извлекают из спирта и по стандартной методике на эллипсометре измеряют показатель преломления пленки. Измерения выполняют сначала при комнатной температуре, а затем при нагреве структуры непосредственно на эллипсометре до температуры из интервала 350-400 K. Нагрев структур на эллипсометре осуществляется контактным или бесконтактным (фотонным) способом, а температуру контролируют термопарами. По данным эллипсометрических измерений определяют нестабильность показателя преломления, амплитуда и скорость изменения которого с повышением температуры характеризуют степень дефектности (плотности пор) пленки. Если при указанных условиях измерений показатель преломления остается постоянным, то пленка считается бездефектной и структура передается на следующую технологическую операцию. Численность пор, т.е. степень дефектности пленок, оценивают по эмпирически найденным зависимостям показателя преломления диоксида кремния от количества пор, приходящихся на единицу поверхности, которое определяют любым из известных методов, например электрохимическим или электрографическим методом на структурах-спутниках. Такие графики-зависимости могут быть аппроксимированы известными аналитическими функциями, что упрощает процедуру расчета. Графики-номограммы или аналитические зависимости составляют обязательное приложение к технологической документации на эллипсометрический способ контроля пористости диэлектрическик пленок. Использование номограмм или простых формул позволяет рядовым операторам экспрессно производить разработку структур заявляемым способом. При этом время, затрачиваемое на контроль одной структуры на автоматизированных цифровых эллипсометрах типа ЛЭФ-601, не превышает 15-25 мин.

Режимы выдержки структур перед измерениями в подогретом спирте были определены экспериментально на структурах, полученных термическим окислением кремния n- и p-типа проводимости в атмосфере сухого и (или) влажного кислорода. Измерения показателя преломления пленок диоксида кремния различной толщины проводили на эллипсометре ЛЭФ-601. Было установлено, что оптимальным температурным диапазоном для насыщения пор спиртом является интервал 320-350 K. Ниже 320 K скорость заполнения пор вследствие повышения вязкости спирта мала и показатель преломления пленок изменяется слабо - на уровне менее 10%. При высоких температурах начинается возгонка спирта (практическая температура кипения 360 K) и процесс заполнения пор начинает конкурировать с испарением. Оптимальная длительность выдержки в спирте 10-15 мин. При временах, меньших 10 мин, не завершается процесс заполнения пор, особенно в случае малых (до 0,05 мкм) размеров, а при длительности больше 15 мин процесс выходит на режим насыщения, т.е. показатель преломления с увеличением выдержки структур в спирте остается практически неизменным.

Кроме этилового спирта экспериментально проверялась возможность использования ацетона, метилового спирта, изопропилового спирта и толуола для заполнения пор в диэлектрических пленках перед измерением показателя преломления. Наибольшие изменения показателя преломления пленок с одинаковой пористостью, сравнимые с данными после выдержки в этиловом спирте, зафиксированы для ацетона. Однако после выдержки структур в ацетоне на поверхности образцов образуется неоднородная по толщине углеродосодержащая пленка, что делает невозможным использование структур в дальнейшем технологическом цикле без дополнительной операции очистки поверхности, которая может увеличивать дефектность диэлектрических пленок. После выдержки в этиловом спирте поверхность пленок сохраняется чистой и их примесно-дефектный состав не изменяется.

Пример практической реализации заявляемого способа.

Пластины кремния марки КДБ-12 (001) окисляли во влажном и сухом кислороде при температуре 1400 K. Во влажном кислороде наращивали пленки толщиной 220 ± 3 нм, а в сухом - 40 ± 2 нм. Пористость пленок контролировали по способу прототипу [2] путем измерений показателя преломления при комнатной температуре и нагреве до 400 K с выдержкой при этой температуре в течение 40 мин, а также по заявляемому способу. В последнем случае структуры в течение времени из интервала 5 - 30 мин обрабатывали в этиловом спирте при температурах от комнатной до 369 K. Далее на эллипсометре ЛЭФ-601 измеряли показатель преломления пленок при нагреве структур в диапазоне 290-400 K. Эллипсометрические данные сопоставляли с результатами прямых измерений плотности пор в пленках, которую определяли электрохимическим (пузырьковым) методом. Для этого структуры помещали в электрохимические ячейки с 10%-ным раствором лимонной кислоты, верхний электрод которой выполнен в виде металлической рамки. В свободном поле рамки при подаче напряжения 25-30 В фиксировали газовыделение от пор в диэлектрике и с помощью оптического микроскопа определяли плотность пор.

Эксперименты показали, что по способу-прототипу [2] можно определять плотность пор, начиная со значений 10-12 пор/см² и выше. Время, затрачиваемое на измерение одной структуры, при этом составляет 50-60 мин. Минимальное значение плотности пор, которое позволяет зафиксировать заявляемый способ, равно 4-5 пор/см², а время, затрачиваемое на измерения, не превышает 25 мин. На структурах, полученных окислением в сухом кислороде (т.е. имеющих минимальную пористость), установлено, что наибольшие изменения показателя преломления при использовании заявляемого способа при заданной плотности пор происходит при выдержке структур в этиловом спирте а течение 10-15 мин при температуре 320-350 K. В этих временном и температурном интервалах достигается постоянное и наибольшее из возможных положительное приращение показателя преломления пленок диоксида кремния после выдержки в этиловом спирте. При уменьшении длительности выдержки (< 10 мин) или снижении температуры спирта (< 320 K) происходит уменьшение приращения показателя преломления, по которому судят о величине пористости пленок. При большой (> 20 пор/см²) плотности пор заявляемый способ позволяет оценивать пористость пленок непосредственно по значению приращения показателя преломления после выдержки в этиловом спирте, которое определяется на эллипсометре при комнатной температуре без дополнительного нагрева, как это необходимо в случае способа-прототипа. В этом случае производительность (экспрессность) контроля пористости пленок по заявляемому способу становится еще выше, поскольку время измерений будет определяться главным образом длительностью выдержки в этиловом спирте.

Таким образом, технический результат заявляемого изобретения - повышение чувствительности и экспрессности контроля пористости диэлектрических пленок достигнут.

Литература 1. Петин Ю. А. , Ярандин В.А. "Влияние режимов окисления на пористость подзатворного окисла МОП НС". - Электронная техника, сер.3. Микроэлектроника, 1975, вып. 6(60), с.55-59.

2. Патент РФ N 2033660, МКИ H 01 L 21/66. "Способ контроля дефектности пленок диоксида кремния на кремниевых подложках". Авт.: Виноградов А.С., Гуденко Б.В., Орловская С.А., Скупов В.Д. (прототип).

Формула изобретения

Способ контроля дефектности пленок диоксида кремния на кремниевых подложках путем регистрации изменений показателя преломления пленки, измеряемого эллипсометрическим методом при нормальных условиях и нагреве структуры до 350-400К, отличающийся тем, что перед измерениями структуру выдерживают в течение 10-15 мин при температуре 320-350К в этиловом спирте.