Способ оптической дозиметрии ионной имплантации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ ДОЗИМЕТРИИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ(71) Заявитель ГП Минский НИИ радиоматериалов(73) Патентообладатель ГП Минский НИИ радиоматериалов(57) Способ оптической дозиметрии ионной имплантации, включающий имплантацию ионов в тестовую структуру, измерение коэффициента отражения зондирующего излучения оптического диапазона от поверхности тестовой структуры, построение калибровочной зависимости коэффициента отражения от дозы внедренных ионов с последующим использованием этой зависимости для определения дозы ионной имплантации, а также отклонения набранной дозы от заданной, отличающийся тем, что измерение коэффициента отражения проводят от поверхности тестовой структуры, включающей нелегированный поликремний на кремниевой подложке, с толщиной поликремния, превышающей величину/8 х( - -2), 4,4853 1 4853 1110-4, , - длина волны зондирующего излучения- - коэффициент отражения зондирующего излучения на границе поликремний-кремний- относительная погрешность измерения коэффициента отражения регистрирующей оптической системы- средний проецированный пробег ионов в поликремнии- продольная дисперсия профиля распределения ионов в поликремнии,- показатели преломления монокристаллического и поликристаллического кремния на длине волны , соответственно,- коэффициенты экстинкции монокристаллического и поликристаллического кремния на длине волны , соответственно. Изобретение относится к области контроля параметров технологических процессов производства полупроводниковых приборов, а именно к способам измерения малых доз внедренных ионов, и может быть использовано в электронной промышленности для повышения качества операции ионного легирования. Известен метод измерения дозы ионов менее 11014 см-2, основанный на детектировании инфракрасного сигнала, возбуждаемого имплантированной областью полупроводника под воздействием модулированного когерентного излучения 1. Возможность сканирования зондирующего луча лазера по поверхности измеряемого образца позволяет использовать способ для определения как относительной величины ионной дозы, так и степени неоднородности распределения внедренной примеси. Однако применение такого способа непосредственно в технологии формирования структур микроэлектроники затруднено прежде всего из-за зависимости интенсивности теплового излучения не только от набранной дозы, но и величины плотности тока ионов. Поэтому любые неконтролируемые флуктуации ионного тока в ходе процесса внедрения, в особенности для малых и средних доз, являются дополнительным источником случайной погрешности. Кроме того, результат измерений искажается заметным влиянием каналирования в монокристалле, а также процессами лазерной рекристаллизации созданных имплантацией структурных нарушений. Общая относительная ошибка в определении параметра, чувствительного к дозе, интенсивности термической волны - составляет 0,4 , что соответствует 2-3 ошибки по дозе, вычисленной через калибровочную функцию корреляции теплового сигнала с дозой внедренных ионов в интервале(1101151013)см-2. Устойчивостью к нестабильности режимов ионного легирования, а также более высокой чувствительностью обладает способ, в котором используется линейный эффект изменения поглощательной способности органического фоторезиста под воздействием облучения ионами. Измерение коэффициента прозрачности в ближней ультрафиолетовой области спектра (380 нм) позволяет фиксировать различия в дозах на уровне 11011 см-2 и минимальную дозу того же порядка 2. Предельные дозиметрические возможности способа существенно ограничены шумовыми интерференционными явлениями, связанными с наличием внутренней границы раздела различных по оптическим свойствам фоторезистивного материала и кварцевой подложки. Резкое повышение соотношения сигнал/шум достигается регистрацией изменения состояния электромагнитной волны, взаимодействующей с пространственно-однородной тестовой структурой, если при этом обеспечивается достаточная чувствительность к дозе. Этот принцип реализует способ оптической дозиметрии ионной имплантации 3, являющийся наиболее близким к предлагаемому изобретению и заключающийся в создании ионным внедрением дефектов кристаллической решетки в кремниевой пластине и локальных рефлектометрических измерениях коэффициента отраженияоптического излучения от поверхности пластины. Оценка величины и однородности дозы производится посредством статистического анализа результатов измерений в различных точках поверхности и экстраполяции значенийк дозечерез предварительно построенную ка 2 4853 1 либровочную кривую . Минимальное регистрируемое относительное отклонение по дозе или относительная погрешность / непосредственно связаны с основной характеристикой любого косвенного способа дозиметрии - чувствительностью. Согласно 1, 4, для параметра дозы, т.е. физической величины,изменяющейся при облучении микрочастицами (в данном случае ), чувствительностьопределяется как величина, обратная коэффициенту пересчета относительного изменения дозы в соответствующее относительное изменение параметра дозы Недостатком известного способа является низкая чувствительность к дозе ионной имплантации. Усредненная по некоторому диапазону доз (12) чувствительностьможет быть выражена через значенияна границах диапазона(2 )( 1 )21/(1.2) На фиг. 1 приведены экспериментальные калибровочные функции известного способа для двух технологически важных легирующих элементов мышьяка с энергией Е 50 кэВ (кривая 1) и фосфора с энергией Е 80 кэВ (кривая 2) при длине волны зондирующего излучения 632,8 нм. Таким образом, чувствительность известного способа зависит от массы иона и для более тяжелых ионов мышьяка по рабочему интервалу (1101111013) см-2 достигает лишь величины 5,510-3. Это означает, что перевод измеренных значенийв дозу имплантации по калибровочной кривой приводит приблизительно к 200-кратной потере точности. Второй принципиальный недостаток известного способа - высокая относительная погрешность измерения дозы, обусловленная каналированием ионов с дозами менее 11013 см-2 в монокристаллическом полупроводнике. Из-за микроотклонений режимов работы системы сканирования от заданных этот эффект приводит к разбросу характеристик профиля распределения примеси на уровне 6-15 даже с учетом стандартного поворота мишени относительно ионного пучка на угол 7-8 5. Для частичного снижения влияния каналирования на однородность дозы ионов, внедренных в легированный активной примесью монокристалл кремния, в 4 применялась защитная маска 2. Но и в этом случае результаты топографирования удельного поверхностного сопротивления, увеличение которого также вызвано только имплантационными дефектами, соответствуют относительной погрешности по дозе не менее 1,5 . Общая относительная погрешность измерения дозы (/), следовательно, представляется в виде где (/) - относительная погрешность измерения дозы, связанная с явлением каналирования/ - относительная погрешность измерения дозы по калибровочной кривой, входящая в выражение(1). Задачей заявляемого изобретения является повышение чувствительности коэффициента отражения к измеряемой дозе внедренных ионов и снижение погрешности измерения дозы. Поставленная задача достигается тем, что в способе оптической дозиметрии ионной имплантации, включающем имплантацию ионов в тестовую структуру, измерение коэффициента отражения зондирующего излучения оптического диапазона от поверхности тестовой структуры, построение калибровочной зависимости коэффициента отражения от дозы внедренных ионов с последующим использованием этой зависимости для определения дозы ионной имплантации, а также отклонения набранной дозы от заданной, - измерение коэффициента отражения проводят от поверхности тестовой структуры, включающей нелегированный поликремний на кремниевой подложке с толщиной поликремния, превышающей величину/(8) (2 ) 4853 1- длина волны зондирующего излучения- - коэффициент отражения зондирующего излучения на границе поликремний-кремний- относительная погрешность измерения коэффициента отражения регистрирующей оптической системой- средний проецированный пробег ионов в поликремнии- продольная дисперсия профиля распределения ионов в поликремнии,- показатели преломления монокристаллического и поликристаллического кремния на длине волны , соответственно,- коэффициенты экстинции монокристаллического и поликристаллического кремния на длине волны , соответственно. Величина х связана с коэффициентом поглощениясоотношением/ 4 ,(3.4) а численные значения необходимых для расчета оптических констант известны из литературных данных 6,7 и приведены на фиг. 2, 3. Предлагаемый способ поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 представлены экспериментальные калибровочные функции известного способа, взятого за прототип, для ионов мышьяка с энергией Е 50 кэВ (кривая 1) и фосфора с энергией Е 80 кэВ (кривая 2) при длине волны зондирующего излучения 632,8 нм. На фиг. 2 - зависимости показателя преломления нелегированного поликремния (кривая 3) и монокристаллического кремния (кривая 4) от длины волны зондирующего излучения. На фиг. 3 - зависимости коэффициента поглощения нелегированного поликремния (кривая 5) и монокристаллического кремния (кривая 6) от длины волны зондирующего излучения. На фиг. 4 - экспериментальные зависимостипредложенного способа для ионов мышьяка с энергией Е 50 кэВ,35 нм,13 нм (кривая 7) и фосфора с энергией Е 80 кэВ,98 нм,38 нм(кривая 8), при 632,8 нм и 4270 нм. Сущность предложенного способа оптической дозиметрии ионной имплантации состоит в последовательном выполнении следующих операций 1. Нанесение на планарную сторону партии кремниевых пластин пленки нелегированного поликристаллического кремния с толщиной, превышающей . 2. Внедрение ионов требуемого типа в поликристаллический слой ряда идентичных тестовых структур,полученных в п. 1, с различными дозами и постоянной энергией. 3. Измерение коэффициента отраженияот поверхности каждой из облученных ионами (п. 2), а также исходной (п. 1) структур и построение калибровочной кривойс последующим использованием ее как для определения дозы имплантации, так и контроля технологических отклонений набранной дозы от заданной через относительные отклонения по . Слой поликремния формируется любым традиционным методом (химическое осаждение в газовой фазе,ионно-плазменное распыление и др.), после чего может быть проведен дополнительный стабилизирующий отжиг при температурах 900-1000 С. В процессе калибровки доза измеряется непосредственно в установке ионного легирования с помощью цилиндров Фарадея либо другим независимым способом. С целью учета возможного влияния колебаний технологических условий изготовления структуры -, измерения должны проводиться в нескольких точках ее поверхности с дальнейшей статистической обработкой результатов. Сравнение соответственных кривых фиг. 1 и 4 с учетом (1.2) показывает, что интегральная по диапазону малых доз (1101111013) м-2 чувствительность предлагаемого способа 410-2, т.е. выше, чем у известного,почти па порядок (в 8 раз). Внедрение примеси в предложенном способе осуществляется в поликристаллическое вещество, состоящее из хаотично ориентированных по отношению к ионному пучку кристаллитов (зерен). Тем самым снимается принципиальное ограничение известного метода по погрешности измерения дозы (/), обусловленное эффектом каналирования, т.е. в формуле (2) остается только одна составляющая погрешности / косвенного определения дозы по калибровочной кривой. Поскольку образец для тестирования дозы в предлагаемом методе представляет собой сэндвичструктуру, необходимо погасить интерференционное влияние компоненты зондирующего излучения, отраженной от границы раздела -, иначе появится дополнительная погрешность измерения в (2). Подавление интерференции осуществляется, во-первых, выбором кремниевой подложки, наиболее близкой по 4 4853 1 оптическим свойствам к слою, в который проводится внедрение ионов, и, во-вторых, жесткой фиксацией нижней границы по толщине поликремния. Требования к погрешности по параметру дозы / в известном и предлагаемом способах лимитированы невоспроизводимостью толщины естественного диоксида кремния, всегда присутствующем на полупроводниковой поверхности, в том числе и свежеобработанной любым технологическим методом (плазменным,химическим и др.). Поэтому все оптические методики в обязательном порядке учитывают это обстоятельство. При эллипсометрических исследованиях, например, в расчетной модели номограммного определения оптических констант, толщина естественного диоксида 1 обычно принимается 5 нм (8). Если задаться неоднородностью 1 на уровне 0,5 нм (что на самом деле является сильно заниженной оценкой, т.к. даже термически выращенный 2 толщиной до 30 нм может иметь проколы и общую технологическую невоспроизводимость более 109, то вариации значенийза счет этой неоднородности составляют величину 110-4. Действительно, отражающие свойства системы воздух-2-( или ) описываются, согласно 10,следующим аналитическим выражением, справедливым и в случае прозрачного материала на поглощающем(1) где 2 - коэффициент отражения от границы 2 - воздух 2 -- коэффициент отражения от границы 2 -2 - показатель преломления диоксида кремния- толщина 2. Подстановка в (4), (4.1), (4.2) конкретных значений 21,45,3,95,0,038 для 633 нм дает следующие результаты(5 нм)0,3542, (4,5 нм)0,3544, (5,5 нм)0,3540,т.е. различия, обусловленные тонкой пленкой естественного диоксида, обнаруживаются уже в 4-м десятичном знаке, что соответствует приведенному выше значению . Соотношение (1) тогда можно записать в виде(1.3)/1. В известном способе /(510-3)-1110-42 даже без учета (/) для предложенного эта оценка изменяется обратно пропорционально более высокой чувствительности и составляет 0,25 . Если погрешность по коэффициенту отражения регистрирующей оптической системы, то достаточно ограничиться значением р, что эквивалентно условию (3.2). Интерференция проявляет себя как шум вследствие неизбежного технологического разброса по толщине поликремния на подложке /1 хотя бы по причине поверхностных дефектов упаковки зерен 11. Измеряемая интенсивностьотраженного тестовой структурой монохроматического света определяется формулой где 1 - интенсивность компоненты зондирующего излучения, отраженной от границы воздух 2 - интенсивность компоненты, вышедшей из слояпосле отражения от границы- толщина -слоя. Разлагая функцию в ряд и ограничиваясь линейным по / членом, а также учитывая, что 21, получим/2( 1 2 / 1 )(4/ )( / ) . где пад - интенсивность падающего на измерительную структуру излучения- показатель поглощения поликремния- нижняя граница по толщине осаждаемого слоя поликристаллического кремния, при которой достигается исключение интерференционных эффектов, получим выражение (3). В (8) и (8.1) учтено ослабление проходящей волны в самой -пленке по закону Бугера, двукратное отражение на границе воздух- и однократное на границе -. Еще одно независимое требование к толщине слоя, в который имплантируются ионы, можно сформулировать следующим образом внедренная примесь должна находиться достаточно далеко от границы с подложкой с тем, чтобы не оказывать влияния на оптические постоянныеив этой области. Калибровочные кривые охватывают дозовый интервал в 3 порядка соответственно, настолько же меньше должна быть слоевая концентрация вблизи границы раздела, чем в пике профиля распределения ионов. Это достигается для гауссовского распределения на глубине 4. Поэтому, если рассчитанная через (3) критическая толщина меньше этой величины, то в качественеобходимо принять именно значение 4. Таким образом, окончательно,представляет собой максимум по (3) и (3.1). Практическая реализация предложенного способа оптической дозиметрии ионной имплантации иллюстрируется следующим примером. Исходные пластины кремния КЭФ-1 ориентации (111) обрабатывали в перекисно-аммиачном растворе с компонентами 4, 22, 2 в пропорции 117 и освежали в однопроцентном растворе . По формулам (3), (3.1), (3.2) для 632,8 нм, р 510-4 и параметров 98 нм,38 нм профиля распределения ионов мышьяка с энергией 50 кэВ рассчитывали 4,3103 нм. На поверхность пластин в установке Изотрон-3 при давлении 133 Па и температуре 630 С осаждением из газовой фазы, содержащей 70 А и 304, наносили слой поликристаллического кремния толщиной 5103 нм, несколько превышающей . С помощью эллипсометра ЛЭФ-ЗМ-1 измеряли коэффициент отражения от слоя поликремния локально в 10 точках поверхности каждого образца. Полученное после усреднения по всем точкам значение 0,3550. Далее тестовые структуры подвергали облучению различными дозами ионов мышьяка с Е 50 кэВ на установке Везувий-ЗМ, которая специально предназначена для имплантации малых доз, причем в каждый образец внедряли одну дозу. Повторяли описанную выше процедуру измеренияот поликристаллической поверхности всех тест-структур и строили калибровочную зависимость(фиг. 4, кривая 7). Источником зондирующего излучения являлся гелий-неоновый лазер, низкая мощность которого исключает отжиг дефектов в процессе измерений. Затем в неимплантированную тестовую структуру внедряли ионы мышьяка с той же ускоряющей разностью потенциалов, но с отключенным дозиметром установки ионного легирования при плотности тока 0,001 мкА/см 2 в течение 135 с. Измеряли значение отражающей способности 0,3585 и экстраполировали его в дозу 8,31011 см-2 по калибровочной кривой, чувствительность которой даже при 510-4 позволяет зафиксировать 2 значащие цифры, т.е. измерить дозу с относительной погрешностью /(0,11011 см-2) / (8,31011 см-2)1,2 , меньшей, чем в известном способе. Источники информации 1.,,.-. -//. - 1987. - 21. -2-4. - . 550-553. 2.,,,//. - 1987. - 21. -2-4. - . 542-549. 3. Прототип..,,//. - 1992. - 54. -6. - . 570-573. 4.,,,.,.//. -1987. - 21. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 7