Способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИНЫ НАРУШЕННОГО СЛОЯ НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЕВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПЛАСТИНЫ(71) Заявитель Научно-исследовательское конструкторско-технологическое республиканское унитарное предприятие Белмикросистемы(72) Авторы Чигирь Григорий Григорьевич Ануфриев Леонид Петрович Ухов Виктор Анатольевич Пеньков Анатолий Петрович(73) Патентообладатель Научно-исследовательское конструкторско-технологическое республиканское унитарное предприятие Белмикросистемы(57) Способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, включающий локальное удаление нарушенного слоя, выявление границы раздела нарушенного слоя и монокристаллического кремния, измерение глубины нарушенного слоя, отличающийся тем, что удаление нарушенного слоя осуществляют распылением пучком ионов с атомным номером от 7 до 18, энергией от 3 до 10 кэВ, направленным под углом 10-450 к поверхности пластины, выявление границы раздела осуществляют путем регистрации интенсивности выхода Оже-электронов с распыляемой поверхности до достижения ею величины, равной интенсивности выхода Оже-электронов для монокристаллического кремния, а глубину нарушенного слоя определяют измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины., 1999. - . 10.05.. - . 315.1222147 , 1994.01559983 , 1995.02006985 1, 1994.02156520 2, 2000.0587091 1, 1994.2001044253, 2001. Изобретение относится к технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС), в частности к технологическому процессу создания кремниевых пластин, и может быть использовано при измерении глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластины. 5907 1 Известен способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, основанный на использовании метода эллипсометрии и позволяющий эффективно исследовать свойства нарушенного слоя, его толщину, качество обработанных подложек 1. Однако данный способ позволяет лишь фиксировать наличие нарушенного слоя на поверхности пластины сравнением измеренных эллипсометрических констант и их значением для кремния без нарушенного слоя. Для определения глубины нарушенного слоя необходимо последовательно удалять поверхностные слои кремния и производить эллипсометрический контроль. Это значительно усложняет способ контроля,так как эти операции несовместимы в одном процессе. Кроме того, при эллипсометрическом контроле используется излучение видимого диапазона длин волн (обычно 0,65 мкм),которое проникает в поверхностные слои кремния на глубину около 0,5 мкм. Это приводит к тому, что разрешение по глубине у данного метода составляет 0,5 мкм, и он не позволяет измерять глубину нарушенных слоев меньше нескольких микрон. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, включающий локальное удаление нарушенного слоя, выявление границы раздела нарушенного слоя и монокристаллического кремния, измерение глубины нарушенного слоя 2. Данный способ позволяет измерять глубину нарушенного слоя на поверхности кремниевых пластин в диапазоне 5-200 мкм. В этом способе локальное удаление нарушенного слоя на всю его глубину производится изготовлением косого шлифа под малым углом к контролируемой поверхности кремниевой пластины (от 10 до 10). Шлиф изготавливается методом механической полировки, которая не вносит каких-либо механических повреждений на поверхности косого шлифа. Полировка производится в щелочной суспензии субмикронных частиц (рН от 10 до 12). Перед изготовлением косого шлифа поверхность кремниевой пластины покрывается слоем нитрида кремния толщиной не менее 1 мкм. Этот слой защищает поверхность пластины и обеспечивает формирование качественной (резкой) границы шлифа на поверхности пластины. После изготовления косого шлифа производится измерение величины его угла. Выявление нарушенного слоя на поверхности шлифа производится методом химического декорирования - травление образца в травителе на основе хромовой кислоты (75 г триоксида хрома растворяются в 1 л воды). Контроль границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний производится на декорированном шлифе под оптическим микроскопом в режиме интерференционного контраста при увеличении 100-500 х и затем производится измерение протяженности (длины) нарушенного слоя на поверхности шлифа (расстояние от границы шлифа на поверхности кремниевой пластины до границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний). Глубина нарушенного слоя рассчитывается умножением значения измеренной длины нарушенного слоя на поверхности шлифа на величину тангенса угла шлифа. Существенным недостатком данного способа является отсутствие возможности проводить измерения нарушенных слоев глубиной менее 5 мкм. Это обусловлено тем, что граница раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний в данном способе выявляется недостаточно четко и воспроизводимо. Она определяется не автоматически по количественному критерию, а устанавливается оператором по качественным признакам непосредственно под микроскопом. Отсутствие четкого критерия определения границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний не позволяет проводить измерения тонких нарушенных слоев (менее 5 мкм) из-за большой погрешности измерений. В основу изобретения положена задача повышения точности и расширение диапазона измерений тонких (менее 5 мкм) нарушенных слоев за счет воспроизводимого, автоматического определения границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний. Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, включающем 2 5907 1 локальное удаление нарушенного слоя, выявление границы раздела нарушенного слоя и монокристаллического кремния, измерение глубины нарушенного слоя, удаление нарушенного слоя осуществляют распылением пучком ионов с атомным номером от 7 до 18,энергией от 3 до 10 кэВ, направленным под углом 10-45 к поверхности пластины, выявление границы раздела осуществляют путем регистрации интенсивности выхода Ожеэлектронов с распыляемой поверхности до достижения ею величины, равной интенсивности выхода Оже-электронов для монокристаллического кремния, а глубину нарушенного слоя определяют измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины. Использование пучка ионов позволяет прецизионно (с высокой точностью) контролировать снятие слоев. При этом режим распыления выбирается таким, чтобы он не вносил нарушений в поверхностные слои кремния (не изменял нарушенный слой) и не приводил к неоднородности распыления (формирование микрорельефа распыления) при использовании пучка ионов, направленного под углом менее 10 к поверхности кремниевой пластины, наблюдается неоднородность удаления слоев и формирование в процессе распыления на поверхности пластины микрорельефа распыления. Формирование микрорельефа распыления снижает точность контроля, т.к. с такой поверхности измерительный сигнал формируется одновременно с различных по глубине точек при использовании пучка ионов, направленного под углом более 45 к поверхности кремниевой пластины, наблюдается внедрение падающих ионов в поверхностные слои,что приводит к дополнительному дефектообразованию и увеличению нарушенного слоя. При использовании углов падения пучка ионов в диапазоне 10-45 увеличения нарушенного слоя и формирования микрорельефа на поверхности кремниевой пластины не наблюдается при выборе пучка ионов с атомным номером менее 7 (легкие ионы) наблюдается внедрение падающих ионов в поверхностные слои, что приводит к дополнительному дефектообразованию и увеличению нарушенного слоя при выборе пучка ионов с атомным номером более 18 (тяжелые ионы) наблюдается дополнительное дефектообразование и увеличение нарушенного слоя. При использовании пучка ионов с атомным номером от 7 до 18 производится однородное распыление поверхности образца без внесения дополнительных дефектов и увеличения нарушенного слоя при выборе пучка ионов с энергией менее 3 кэВ наблюдается неоднородность удаления слоев и формирование в процессе распыления на поверхности пластины микрорельефа распыления при выборе пучка ионов с энергией более 10 кэВ наблюдается дополнительное дефектообразование и увеличение нарушенного слоя. При использовании пучка ионов с энергией 3-10 кэВ производится однородное распыление поверхности образца без внесения дополнительных дефектов и увеличения нарушенного слоя. Регистрация интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности кремния при удалении поверхностных слоев кремния позволяет эффективно контролировать наличие нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластины. Причем локальность контроля по глубине (усреднение по глубине) из-за особенностей метода Оже-спектроскопии составляет всего 1-2 нм. Интенсивность выхода Оже-электронов определяется на Ожеспектрометре автоматически и по мере удаления нарушенного слоя она постепенно возрастает. После удаления нарушенного слоя величина интенсивности выхода достигает максимальной величины, равной значению для монокристаллического кремния (кремний без нарушенного слоя). Значение величины интенсивности выхода для монокристаллического кремния зависит от конструктивных особенностей используемого Ожеспектрометра и она определяется экспериментально. Периодически ее значение может уточняться. Таким образом, контроль интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности кремния при удалении поверхностных слоев кремния позволяет эффективно контро 3 5907 1 лировать наличие нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластины и обеспечить автоматическое установление границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний на поверхности пластины с погрешностью по глубине, не превышающей 2,0 нм,и дальнейшее удаление поверхностных слоев кремния прекращается. Таким образом, на поверхности образца формируется ступенька на верхней ее части находится исходная поверхность анализируемой кремниевой пластины с нарушенным слоем, на нижней части поверхность с удаленным нарушенным слоем. Величина этой ступеньки равна глубине нарушенного слоя. Глубина нарушенного слоя определяется измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины, например, с помощью микропрофилометра. Современные микропрофилометры позволяют определять величину ступеньки с погрешностью 1 нм. Пример конкретного выполнения. Заявленный способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины, включающий удаление нарушенного слоя распылением пучком ионов с атомным номером от 7 до 18, энергией от 3 до 10 кэВ, направленным под углом 10-45 к поверхности пластины, выявление границы раздела регистрацией интенсивности выхода Оже-электронов с распыляемой поверхности до достижения ею величины, равной интенсивности выхода Оже-электронов для монокристаллического кремния,определение глубины нарушенного слоя измерением высоты ступеньки, образованной в результате удаления нарушенного слоя с поверхности кремниевой пластины, проиллюстрируем на примере анализа кремниевых пластин КЭФ-4.5 диаметром 100 мм (эти пластины широко используются в серийном производстве КМОП ИМС). Анализ проводился на двух пластинах одна пластина была взята после операции шлифовки алмазными пастами АСМ 0,5-1,0, вторая - после операции финишной химико-механической полировки суспензией аэросила (поверхность соответствовала 14-му классу). Каждая анализируемая пластина КЭФ-4.5 разрезалась на две равные части. На одной части пластины проводились измерения глубины нарушенного слоя по предлагаемому способу (в 10 точках вблизи центра пластины), на второй - по способу-прототипу (в 10 точках на шлифе вблизи центра пластины). Сравнительные параметры приведены в таблице, где указаны номер процесса по порядкуугол падения пучка ионоватомный номер ионов в пучке (т.) энергия ионов в пучке (Е, кэВ) измеренная глубина нарушенного слоя (, мкм). Она определялась как среднее значение глубины нарушенного слоя из 10-ти измерений абсолютная погрешность определения глубины нарушенного слоя слоя . Она определялась из следующего выражения (удвоенное значение величины среднеквадратичного отклонения из 10 измерений) относительная погрешность определения глубины нарушенного слоя (/). Анализ проводился на Оже-спектрометре -660 (ф., США), величина интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности монокристаллического кремния(без нарушенного слоя) для данного спектрометра составляла 2,37105 Оже-электрон./сек(определялась экспериментально), величина интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности кремниевой пластины после шлифовки составляла 5,2104 Оже-электрон./сек,величина интенсивности выхода Оже-электронов с поверхности кремниевой пластины после полировки составляла 1,15105 Оже-электрон./сек. Удаление поверхностных слоев кремния распылением пучком ионов и измерение интенсивности выхода Оже-электронов производилось непосредственно на Оже-спектрометре. Для проведения измерений интен 4 5907 1 сивности процесс распыления останавливали. Измерения высоты ступеньки проводились на микропрофилометре(минимальная измеряемая глубина ступеньки - 5 нм, погрешность измерения не хуже 1 нм). Данные, приведенные в таблице, показывают, что измерения глубины нарушенного слоя по предлагаемому способу имеют более высокую точность за счет автоматического,воспроизводимого определения границы раздела нарушенный слой-монокристаллический кремний. Сравнительные измерения на пластинах с глубиной нарушенного слоя более 5 мкм показывают, что для предлагаемого способа погрешность измерений составляет 2,2 , а по способу-прототипу - 5,5 . Повышение точности измерений обеспечивает расширение диапазона измерений тонких (менее 5 мкм) нарушенных слоев. Из таблицы видно, что нарушенные слой глубиной 0,3 мкм контролируются с погрешностью 5 . По способу-прототипу такие слои контролю не подлежат (погрешность контроля превышает 100 ). Таблицаат Е, кэВ/100,Кремниевая пластина КЭФ-4.5 после шлифовки поверхности 1 10 7 3 8,9 0,2 2,2 2 25 15 7 9 0,2 2,2 3 45 18 10 9,1 0,2 2,2 4 8 5 7 7 0,5 7,1 5 47 15 12 10 0,4 4.0 6 Прототип 9 0,5 5,5 Кремниевая пластина КЭФ-4.5 после финишной полировки поверхности 7 10 7 3 0,29 0,015 5,2 8 25 15 7 0,3 0,015 5,0 9 45 18 10 0,31 0,015 4,8 10 8 5 2 0,2 0,04 20 11 25 22 12 0,4 0,03 7,5 12 Прототип Не измер. 1,0 100 Таким образом, предлагаемый способ измерения глубины нарушенного слоя на поверхности кремниевой полупроводниковой пластины в сравнении со способом прототипа позволяет повысить точность измерений более чем в 2 раза и обеспечивает расширение диапазона измерений тонких (менее 5 мкм) нарушенных слоев за счет воспроизводимого,автоматического определения границы раздела нарушенного слоя и монокристаллического кремния. Источники информации 1. Луфт Б.Д. Физико-химические методы обработки поверхности полупроводников. Москва Радио и связь, 1982. - С. 16-18. 2.950-98.1999, . 10.05,. - . 315. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.