Способ оценки качества диэлектрических пленок

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН И Я

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (1 > 830977 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 04.01.80 (21) 2866487/18-25 с присоединением заявки М (23) Приоритет— (51) M К, з

Н 01 L 21/66

Государственный комитеу ло делам изобретений л открытий (53) УДК 621.382 (088.8) Опубликовано 15.02.82. Бюллетень М 6

Дата опубликования описания 15,02.82

72) Авторы

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля диэлектрических пленок

МДП и !ЧДМ структур.

Известен способ оценки качества диэлектрических пленок, основанный на электрохимическом травлении через поры пленки 11). В этом способе о качестве пленки судят по количеству пузырьков газа, появляющихся около сквозных пор.

Недостатком этого способа является низкая достоверность, недостаточная информативность и непригодность для прогнозирования надежности, так как способ выявляет поры только более 1 мкм. Известен также способ оценки качества диэлектрических пленок, основанный на измерении вольтамперной характеристики системы металлэлектролит-диэлектрик-полупроводник и определении пробивного напряжения путем линейной экстраполяции участка вольтамперной характеристики к оси напряжений

12).

Недостатком этого способа яв.чяется низкая достоверность, ограниченный об .ем информации о качесгве диэлектрика и непРигодность для прогнозирования надежности, что обусловлено наличием поляризационных эффектов в системе электролит— металлический электрод.

Способ не дает оценки структуры в различных средах, что также не позволяет прогнозировать надежност! .

Целью изобретения является повышение достоверности и объема информации о ка5 честве диэлектрика и прогнозирования его надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, основанном на измерении вольтамперной характеристики системы

1р металл — электролит — диэлектрик — полупроводник и определении пробивного напряжения путем линейной экстраполяции участка вольтамперной характеристики к оси напряжений, формируют несколько образцов диэлектрика, выращенных на одной пластине, наносят жидкий металлический контактол на поверхность диэлектрика исследуемых образцов, отбирают два образца с одинаковым пробивным напряжением. ор Уо, обрабатывают их в водных растворах с рН) 9 и рН <3, повторно наносят жидкий металлический контактол, измеряют гробивное напряжение первого и второго образцов, U>, и У и оценивают качество

Г!2 1

25 диэлектрика по отношению

U0

На чертеже представлены снятые с помощью самописца вольтамперные характеристики (BAX) образцов диэлектрика, выращенного на пластине кремния КЭФ-4,5.

830977

3

Где: вольтамперная характеристика исходного образца — 1, ВАХ образца после обработки его в щелочной водяной среде—

2а, ВАХ образца после термостабилизапии — 2б, ВАХ образца после обработки его в кислотной водной среде — За, ВАХ образца после термостабилизации — Зб.

Сущность способа состоит в следующем.

После отбора образцов с одинаковым

011 выдерживают поверхность диэлектрика в течение времени, необходимого для проникновения молекул воды в микропоры диэлектриков (вследствие капиллярного эффекта), в водном растворе (время выдерживания определяется экспериментально для каждого типа и толщины диэлектрика), после чего излишки раствора удаляют сушкой при Т 100 С в течение 1 часа, а на поверхность диэлектрика наносят каплю расплава индийгаллий и повторно снимают

ВАХ.

Как видно из чертежа, обработка диэлектрика в щелочной водной среде приводит к уменьшению порогового напряжения, в кислотной — к увеличению. Объясняется это тем, что толщина слоя геля, составляющего каркас гидратированной поверхности диэлектрика, варьируется в широких пределах — от единиц до сотен ангстрем в зависимости от кислотности обрабатываемого раствора. Обработка диэлектрика с высоким значением рН приводит к растравливанию вглубь микропор, главным образом потенциальных, т. е. всех структурных нарушений, куда проникли молекулы воды.

Растравливаться могут поры, размеры которых соизмеримы с размером молекулы воды. Средний размер большинства пор составляет 10А. Тот факт, что не увеличение количества пор, а глубина проникновения скрытых дефектов играют главную роль в изменении 011, подтверждается тем, что после обработки значения токов утечки остаются, как правило, на прежнем уровне, а значения пороговых напряжений изменяются.

Обработка диэлектрика в водном растворе с низким рН приводит к разбуханию слоя геля и закупорке потенциальных дефектов структуры диэлектрика, что приводит к увеличению порогового напряжения.

Оценку качества диэлектрика произвоU2 дят по отношению . В идеальном

О

И,— U, случае 1о

Это значит, что если Uq Uo и в случае высокого Uo диэлектрик по структуре однороден и скрытые дефекты не проявляются, а в случае низкого 011 размеры дефектов настолько велики, что их не удается «залечить» или имеются сквозные поры сложной конфигурации, не изменяющие пробивного напряжения после обработки. Вторым фак5

l0

Зо

40i

50 тором, определяющим величин отношения

U2, является значение U1. В идеальО ном случае U1 - Uz, что означает отсутствие таких скрытых дефектов, которые могли бы проявиться прн воздействии повышенной влажности в течение длительного времени. Оценка качества диэлектрика по одному из отклонений от величины исходного пробивного напряжения ЛК = Uo — U или AUq = U — Uo была бы неплохой, так как не давала бы динамики повсдсния диэлектрика при изменении условий окружающей среды. Поэтому введен критерий интегральной оценки, представляющий собой

U2 отношепие —- Выполнение условия

Г, 2 1, -; 1 означает, iTo диэлектрик не взменяст свойств при изменении условии окружающей среды, например, влажности, так как в нем нст потенциальных пор. Чем строже выполняется условие, тем качественней диэлектрик, тем стабильней параметры прибора, использующего такой диэлектрик.

При оценке тонкопленочного диэлектрика по этому критерию легко выбрать оптимальный режим его получения, например, гри окислении кремния выбирают способ обработки подложки, время, температуру. окружающую среду, обеспечивающие получение диэлектрика, который лучше всего

Uq — Ui удовлетворяет условию с.: 1. о

Пример. Снимались ВАХ отобранных образцов диэлектрика, выращенного на пластине кремния КЭФ 4,5 ориентации (100).

Толщина слоя SiO> полученного термическим окислением в порах соляной кислоты, составляла 0,1 — 0,2 мкм. В качестве контактола применялся расплав индий — галлий с температурой плавления Т„, = 16, который снимался после измерения ВАХ томлоном со спиртом.

Способ обеспечивает повышение достоверности и объсма информации о качестве диэлектрика путем выявления потенциальных микропор, выявления возможности

«самозалечивания» и позволяет прогнозировать надежность диэлектрика в изготовленных приборах.

Формула изобретения

Способ оценки качества диэлектрических пленок, основанный на измерении вольтамперной характеристики системы металл— электролит — диэлектрик — полупроводников и определении пробивного напряжения путем линейной экстраполяции участка вольтамперной характеристики к оси llапряжений, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности и объема информации о качестве диэлектрика и про830977

2 (0

Составитель Л. Смирнов

Техред А Камышникова Корректор Т. Добровольская

Редактор С. Титова

Заказ 1196

Изд. No 115 Тира к 758

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретении н открытий

113035, У1осква, Ж-35, Раушская паб., д. 4/5

Подписное

Загорская типография Упрполнграфпздата Мособлисполкома

5 гнозирования его надежности, формируют несколько образцов диэлектрика, выращенных на одной пластине, наносят жидкий металлический контактол на поверхность диэлектрика исследуемых образцов, отбирают два образца с одинаковым пробивным напряжением Уо, обрабатывают их в водных растворах с рН) 9 и рН < 3, повторно наносят жидкий металлический контактол, измеряют пробивные напряжения первого и гторого образцов U, и Б. и оценивают ка1 2 17! чество диэлектрика по отношению

I7o б

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Фогель В. А. Электрохимический ме5 тод определения пористости диэлектрических пленок. «Электронная техника», сер.2.

Полупроводниковые приборы, вып. 1, 1971, с. 87 — 93.

10 2. Шейбак 3. В. и др. Метод оценки пористости диэлектрических пленок. Электронная техника, сер. 2. Полупроводниковые приборы, вып. 3, 1976, с. 95 (прототип).