Способ послойного анализа тонких пленок

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения распределения химических элементов по глубине при изготовлении многослойных тонкопленочных структур и полупроводниковых приборов. Способ послойного анализа тонких пленок заключается в нанесении тонкой пленки на подложку, размещении сверху металлической диафрагмы с отверстием, травлении подложки с нанесенным на нее покрытием пучком первичных ионов, определении временного спектра вторичных ионов, соответствующих пленке и подложке, по которому определяют распределение компонент тонкой пленки по глубине травления. После нанесения тонкой пленки на поверхности подложки формируют косой шлиф под углом 0.5-2.5°, а во время снятия временного спектра вторичных ионов подложку перемещают относительно отверстия диафрагмы со скоростью 0.1-0.3 мм/мин. Данное изобретение направлено на повышение точности определения распределения элементов по глубине образца, расширение диапазона глубины зондирования, а также снижение временных затрат испытаний. 2 ил.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для определения распределения химических элементов по глубине при изготовлении многослойных тонкопленочных структур и полупроводниковых приборов.

Известен способ послойного анализа тонких пленок методом рентгеноструктурного анализа (Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. - М.: Металлургия, 1970).

Недостатком способа является низкая разрешающая способность при определении распределения компонент тонкой пленки по глубине.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ послойного анализа тонких пленок (Файнберг B.C., Рамендик Г.И. и др., ЖАХ, 1985, т. XL, вып. 5, 860-864с.). Согласно способу тонкую плену наносят на подложку, накрывают ее металлической диафрагмой с отверстием. Подложку с диафрагмой размещают в масс-спектрометре, снимают временной спектр вторичных ионов, по результатам анализа временного спектра определяют распределение компонент тонкой пленки по глубине.

Недостатками способа являются невысокая точность определения распределения компонент тонкой пленки по глубине, большие временные затраты и малая толщина слоя подложки, в котором определяется распределение элементов по глубине. Способ основан на явлении эмиссии вторичных ионов из твердого тела в результате воздействия на него пучком ускоренных первичных ионов, имеющих энергию в диапазоне от 3 до 20 кэВ. В результате травления таким пучком проб на их поверхности образуется кратер эллипсообразной формы. В формировании сигнала вторичных ионов участвует не только низлежащий слой, но и достаточно протяженные боковые стенки (“эффект кратера”), что приводит к снижению точности получения информации о химическом составе слоя на заданной глубине. Наличие “эффекта кратера” также накладывает существенные ограничения на величину зондируемого слоя, которая обычно не превышает 0.0015-0.0020 мм. Невысокая скорость ионного травления подложки (средняя скорость травления для масс-спектрометра МС-7201 обычно составляет величину 0.00001-0.00002 мм/мин) делает процесс измерения глубинного распределения долговременным (несколько часов).

Задачей изобретения является повышение точности определения распределения элементов по глубине образца, расширение диапазона глубины зондирования, а также снижение временных затрат.

Решение данной задачи достигается за счет того, что в способе послойного анализа тонких пленок, включающем нанесение тонкой пленки на подложку, размещение сверху металлической диафрагмы с отверстием, определение временного спектра вторичных ионов, соответствующих пленке и подложке, по которому определяют распределение компонент тонкой пленки по глубине травления, согласно изобретению после нанесения тонкой пленки на поверхности подложки формируют косой шлиф под углом 0.5-2.5°, а во время снятия временного спектра вторичных ионов подложку перемещают относительно отверстия диафрагмы со скоростью 0.1-0.3 мм/мин.

Стандартные размеры образцов для исследования временных спектров вторичных ионов в современных масс-спектрометрах типа МС-7201 не превышают по площади размеры 11х13 мм². Для образцов площадью 5×4 мм² оптимальная длина участка, которая может быть подвергнута ионному травлению при механическом перемещении образца относительно отверстия диафрагмы, составляет 3 мм. Превышение этой величины приведет к необходимости изменять конструкцию узлов масс-спектрометра, что приведет к резкому удорожанию прибора. Значение угла косого шлифа, равное 0.5° при длине анализируемой области косого шлифа 3 мм, соответствует максимальному значению глубины травления образца 0.026 мм. Угол 2.5° соответствует глубине 0.131 мм. Такой диапазон глубин в образце полностью перекрывает диапазон глубинных распределений элементов при проведении различных технологических операций при производстве многослойных тонкопленочных структур и полупроводниковых приборов. Поэтому в зависимости от материала подложки и предполагаемой глубины залегания примеси угол косого шлифа задают в пределах 0.5-2.5°.

Если скорость перемещения подложки относительно отверстия диафрагмы менее 0.1 мм/мин, при ионном травлении подложки существенно возрастает вклад “эффекта кратера” в сигнал вторичных ионов. При увеличении скорости более 0.3 мм/мин количество спектральных пиков регистрируемых масс-спектрометром на единицу длины косого шлифа становится меньше, чем это необходимо для корректного построения спектральной зависимости. Поэтому диапазон значений скорости выбирается в интервале 0.1-0.3 мм/мин.

Повышение точности определения элементов по глубине подложки достигается за счет значительного уменьшения вклада “эффекта кратера” в сигнал вторичных ионов вследствие малой глубины травления образца во время сканирования поверхности косого шлифа. Многократное уменьшение временных затрат достигается за счет замены глубинного травления подложки на кратковременное травление тонкого приповерхностного слоя на плоскости косого клина во время перемещения подложки относительно отверстия диафрагмы. Увеличение глубины зондируемого слоя образца достигается за счет введения операции формирования косого клина на поверхности подложки.

Несомненным преимуществом предлагаемого способа перед прототипом является то, что он позволяет проводить многократные измерения временного спектра вторичных ионов по глубине подложки без развакуумирования шлюзовой камеры и замены подложки и тем самым при необходимости проводить повторное измерение. В прототипе повторное измерение возможно только после замены подложки.

На фиг. 1 представлен график распределения ионов натрия по глубине подложки кристалла бромида калия, полученный по результатам обработки временного спектра вторичных ионов натрия, снятого по предлагаемому способу (1 - экспериментальные точки, 2 - расчетные аппроксимирующие кривые).

На фиг. 2 представлен график распределения ионов натрия по глубине подложки кристалла бромида калия, полученный по результатам обработки временного спектра вторичных ионов натрия, снятого по способу - прототипу (1 - экспериментальные точки, 2 - расчетные аппроксимирующие кривые).

Рассмотрим пример осуществления способа послойного анализа тонких пленок для определения коэффициентов термической диффузии примесей в щелочно-галоидных кристаллах.

Для определения коэффициента диффузии примеси необходимо определить в исследуемом материале ее концентрационный профиль, который формируется в результате диффузии ионов примеси вглубь материала во время проведения термического отжига. Построение концентрационного профиля осуществлялось методом вторично-ионной масс-спектрометрии. В качестве примеси рассмотрены ионы натрия.

Образец для опыта приготавливался следующим образом.

На поверхность свежего скола кристалла бромида калия размером 5×8×2 мм³ методом термического испарения в вакууме наносилась тонкая пленка хлорида натрия толщиной 0.0001-0.0002 мм. Затем образец подвергался термическому отжигу в печи сопротивления при температуре 853К в течение 30 мин. Далее образец раскалывался на два размерами 5×4×2 мм³. Им дали нумерацию №1 и №2. На образце №1 на поверхности, на которую наносилась пленка хлорида натрия, методом химического травления формировался косой шлиф под углом 0.5° так, чтобы шлиф начинался на расстоянии 1 мм от края образца. Расположение начала шлифа от края образца выбрано таким образом, чтобы область шлифа длиной 3 мм от начала занимала центральную часть образца. При такой геометрии шлифа на расстоянии 3 мм от начала шлифа поверхность шлифа располагалась на глубине приблизительно 0.026 мм от исходной поверхности. Данная величина сравнима с прогнозируемой глубиной диффузии примеси при заданных условиях отжига. В качестве травителя использовался 50% водный раствор бутилового спирта. Угол косого шлифа задавался скоростью вынимания образца из травителя, которая подбиралась опытным путем и в данных условиях эксперимента была равной 0.5 мм/мин. Затем образцы №1 и №2 размещались в держатели подложек для послойного анализа. Поверх каждого образца накладывалась металлическая диафрагма из молибдена с отверстием 1.5×0.2 мм². На образце №1 продольный край отверстия диафрагмы первоначально располагался над поверхностью пленки хлорида натрия на расстоянии 01-0.2 мм от начала косого шлифа длинной частью перпендикулярно направлению шлифа. На образце №2 отверстие диафрагмы располагалось по центру образца.

После того, как держатели подложек были размещены в шлюзовой камере масс-спектрометра МС-7201, они были закреплены и сориентированы в держателях так, чтобы при перемещении каждой подложки в область травления пучком первичных ионов центр отверстия диафрагмы находился по центру сечения пучка первичных ионов.

Далее был проведен послойный анализ каждого образца согласно инструкции по эксплуатации прибора МС-7201. Фиксировали масс-спектральные концентрации элементов, соответствующих пленке натрия и подложке.

Для образца №1 снимали временной спектр вторичных ионов натрия. При этом с помощью микрометрической подачи, приводимой в движение через понижающий редуктор двигателем постоянного тока, осуществляли прямолинейное непрерывное перемещение образца относительно отверстия диафрагмы с постоянной скоростью. Когда край клина травления на поверхности образца достиг отверстия диафрагмы, снятие временного спектра прекратили. Скорость перемещения образца относительно отверстия диафрагмы была равной 0.2 мм/мин, а общее время снятия спектра вторичных ионов было 20 мин. Распределение ионов натрия по глубине образца получено путем пересчета временного спектра ионов натрия относительно глубины косого шлифа. Определенное таким образом глубинное распределение ионов натрия имеет вид кривой, представленной на фиг. 1. По оси ординат в относительных единицах отложена интенсивность сигнала, соответствующая вторичным ионам натрия.

Затем в область сечения травящего ионного пучка масс-спектрометра помещали образец №2 и снимали временной спектр вторичных ионов натрия. Скорость травления образца при этом составляла 0.00001 мм/мин, а общее время снятия временного спектра составило три часа. Следует отметить, что скорость травления, определяемая по результатам измерений глубины кратера травления с помощью профилометра 296, определяется с погрешностью порядка 30%, что обусловлено неравномерностью дна кратера травления. Это обстоятельство обуславливает дополнительное снижение точности построения концентрационного профиля примеси по сравнению с предлагаемым способом. Путем пересчета временного спектра ионов натрия относительно глубины травления строили график распределения ионов натрия по глубине образца. Данный график представлен на фиг. 2.

Из рассмотрения кривых распределения концентрации ионов натрия по глубине образцов, представленных на фиг. 1 и фиг. 2, видно, что в случае, когда проводился послойный анализ по способу-прототипу, кривая распределения имеет более пологий вид по сравнению с аналогичной кривой, полученной по предлагаемому способу. Уменьшение наклона кривой распределения, полученной по способу-прототипу, по сравнению с измерениями по предлагаемому способу объясняется большим вкладом в сигнал вторичных ионов, обусловленных действием “эффекта кратера”. Причем, чем больше глубина зондируемого слоя, тем больше относительный вклад в общий сигнал паразитного сигнала, обусловленного проявлением “эффекта кратера”.

Далее, с целью определения величины коэффициента диффузии примеси в кристалле бромида калия, кривые концентрационных зависимостей ионов натрия для образцов №1 и №2, представленные на фиг. 1 и фиг. 2 соответственно, были подвергнуты аппроксимационному анализу. Аппроксимация кривых проводилась решением уравнения диффузии, наиболее удовлетворяющим условиям эксперимента. Численные значения коэффициентов диффузии D определялись аппроксимацией экспериментальных профилей решением уравнения Фика для диффузии из неограниченного источника в полубесконечный кристалл

где С₀ - концентрация диффузанта в источнике с постоянной концентрацией, а C(x, t) - в объеме кристалла на глубине х; t - длительность диффузионного отжига.

Коэффициенты диффузии D для образцов №1 и №2 оказались равными 6.2∗10^-10 см²/с и 5.0∗10^-9 см/с соответственно. Имеющиеся в литературе данные (Nicolas F., Beniere F., Shemla M. J. Phys. Chem. Solids, 1974, Vol. 35, pp.15-23.) дают для данной температуры отжига значение D=8.7∗10^-10 см²/с. Сравнение этих величин с литературными данными показывает, что коэффициент диффузии натрия в бромистом калии, определенный с использованием предлагаемого способа анализа тонких пленок, определен более точно, чем с использованием способа-прототипа. Оценка коэффициента диффузии с использованием результатов измерений концентрационного профиля примеси по способу-прототипу оказалась завышенной на порядок.

Таким образом, введение операции формирования на поверхности подложки клина травления и операции сканирования травящим пучком поверхности клина травления во время снятия временного спектра вторичных ионов позволяет существенно повысить точность построения распределения концентрации моноэлемента по глубине, значительно (в 4-6 раз) уменьшить время снятия временного спектра, в 10-15 раз увеличить глубину измеряемого слоя с одновременным сохранением высокой точности измерений.

Формула изобретения

Способ послойного анализа тонких пленок, заключающийся в нанесении тонкой пленки на подложку, размещении сверху металлической диафрагмы с отверстием, травлении подложки с нанесенным на нее покрытием пучком первичных ионов, определении временного спектра вторичных ионов, соответствующих пленке и подложке, по которому определяют распределение компонент тонкой пленки по глубине травления, отличающийся тем, что после нанесения тонкой пленки на поверхности подложки формируют косой шлиф под углом 0,5-2,5°, а во время снятия временного спектра вторичных ионов подложку перемещают относительно отверстия диафрагмы со скоростью 0,1-0,3 мм/мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2