Способ контроля остаточных напряжений в кремниевой структуре покрытие SiO2–основа Si

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В КРЕМНИЕВОЙ СТРУКТУРЕ ПОКРЫТИЕ 2 ОСНОВА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Зеленин Виктор Алексеевич Ходарина Людмила Петровна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Способ контроля остаточных напряжений в кремниевой структуре покрытие 2-основа, при котором формируют в одном цикле с наращиванием 2 между покрытием 2 и основойпромежуточный слойзаданной толщины, вскрывают в покрытии 2 методом фотолитографии окно, формируемое в виде квадрата со сторонойили круга с диаметром , отделяют полоски покрытия 2 по краю окна на ширину , равную от 5 до 100 мкм, посредством селективного травления промежуточного слоя , причем соблюдают выполнение условия, где- коэффициент, зависящий от толщины и упругих свойств покрытия 2, определяют относительное удлинение свободного края отделенной полоски покрытия 2 по интерференционной картине вокруг окна в зазоре покрытие 2-основана участке потери устойчивости отделенной полоски как тонкостенной оболочки и рассчитывают остаточные напряженияиз выражения 0, 1 где- длина свободного края отделенной от основыполоски покрытия 2 0 - исходная длина полоски покрытия 2 до ее отделения,- модуль Юнга и коэффициент Пуассона покрытия 2 соответственно. Изобретение относится к электронной технике, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении кристаллов ИС и дискретных полупроводниковых приборов. Остаточные напряжения в кремниевой структуре покрытие 2-основасущественно влияют на процент выхода годных кристаллов и на надежность интегральных схем(ИС). В связи с этим необходимо постоянное совершенствование методов контроля остаточных напряжений. Известен способ контроля остаточных напряжений в системе покрытие-основа, включающий определение радиуса ее кривизныпо интерференционной картине, возникающей в зазоре система-оптически прозрачная плоская поверхность и расчет остаточных напряжений в покрытии по формуле 2,6(1) где- величина остаточных напряжений,- модуль Юнга материала основы- толщина основы- радиус кривизны- коэффициент Пуассона материала основы- толщина покрытия 1. Недостатком этого способа является невысокая точность определения остаточных напряжений в покрытии, поскольку предполагается, что до нанесения покрытия поверхность основы плоская, а в результате нанесения покрытия, вследствие появления остаточных напряжений, система изгибается. На практике основа чаще всего имеет определенную кривизну еще до нанесения покрытия и величина ее дополнительного прогиба, вносимого покрытием, особенно при большой толщине основы, т.е. в случае когда, может быть меньше исходной. В результате данный способ имеет большую погрешность измерений величины остаточных напряжений. Кроме того, он может дать ошибочные результаты и по их знаку, т.е. являются ли остаточные напряжения в покрытии сжимающими или растягивающими можно с уверенность сказать только в случае предварительного исследования кривизны различных точек основы и использовании при расчетах уточненной формулы, учитывающей исходный радиус ее кривизны. Для определения остаточных напряжений в кремниевой структуре покрытие 2 основапредложены способы, включающие селективное травление кремния по краю оксидной пленки, определение относительного удлинения свободного края оксида с помощью сканирующего микроскопа или по интерференционной картине с помощью интерференционного оптического микроскопа и расчет напряжений в покрытии 2 по формуле 0,1 где- длина свободного края оксида 0 - исходная длина оксидной пленки до ее отделения ,- модуль Юнга и коэффициент Пуассона покрытия 2, 3. Недостатком этих способов является сложность определения длины свободного края покрытия, что связано с низким качеством получаемой интерференционной картины или с необходимостью использования электронного микроскопа. В результате травления кремния для отделения покрытия от основы зазор между ними характеризуется невоспроизводимыми размерами. Травленая поверхность из-за снижения класса ее шероховатости не позволяет получать качественную интерференционную картину в зазоре покрытие-основа. Это не позволяет наблюдать общую картину распределения остаточных напряжений в различных точках основы и определять их значения с требуемой погрешностью измерений. Дальнейшее развитие методы контроля напряжений в системах покрытие-основа получили за счет совершенствования операции отделения края напряженного покрытия от основы. При этом осуществляют травление не основы, а тонкого промежуточного слоя,специально сформированного между покрытием и основой с образованием высококачественной интерференционной картины в зазоре между покрытием и основой. Наиболее близким к изобретению, его прототипом, является способ контроля величины остаточных напряжений в структуре пленка-подложка, включающий формирование между пленкой и подложкой промежуточного слоя заданной толщины, вскрытие в пленке 2 17232 1 2013.06.30 методом фотолитографии окон в виде круга, отделение полоски пленки по краю окон на ширину 5-100 мкм путем селективного травления промежуточного слоя, определение относительного удлинения пленки по интерференционной картине в зазоре пленкаподложка и расчет остаточных напряженийпо формуле 0, 1 где- длина свободного края оксида 0 - исходная длина оксидной пленки до ее отделения ,- модуль Юнга и коэффициент Пуассона пленки 4. Однако получаемая по контуру круглых окон интерференционная картина не всегда отражает истинные значения остаточных напряжений в системе покрытие-основа. Это связано с тем, что кроме точного определения относительного удлинения свободного края отделенной от основы полоски покрытия необходимо еще создать условия для полного снятия напряжений в свободном крае отделенной полоски. Рассмотрим процесс снятия напряжений в полоске покрытия при ее отделении вдоль границы окна. Отделенная от основы вдоль границы окна полоска покрытия одним краем остается связанной с основой и в ней сохраняется исходный уровень остаточных напряжений. В структурах -2 напряжения в 2, как правило, являются сжимающими. По мере увеличения ширины отделяемой от основы полоски уровень остаточных напряжений в ней снижается. В свободном крае отделенной полоски эти напряжения снижаются быстрее, в остальных, параллельных границе окна сечениях, - медленнее. В связи с этим свободный край отделенной полоски удлиняется больше и приобретает форму дуги,приподнимаясь над основой. В остальных параллельных границе окна сечениях отделенной полоски покрытия стрела прогиба дуг меньше. Если размеры окна, например, квадратной формы невелики, то наблюдаются эффекты взаимного влияния прогибов покрытия, отделяемых вдоль соседних границ окна. В результате более стабильной оказывается конфигурация отделенной полоски, при которой наибольшие зазоры между основой и покрытием образуются по углам окна, а в срединах сторон окна полоска прижимается к основе. Такие же эффекты наблюдаются и при других формах окон - круглом, прямоугольном, комбинированном. В случае малых размеров круглого окна отделенный край покрытия представляет собой замкнутую, стесненную примыкающим к основе контуром тонкостенную оболочку, уровень остаточных напряжений в которой достаточно высок. Во всех случаях малых размеров окон отделенную полоску покрытия можно рассматривать как тонкую оболочку, уровень напряжений в которой разный в различных ее сечениях, но считать, что напряжения в свободном крае отделенной полоски близки к нулю нельзя, поскольку тонкие оболочки отличаются большой жесткостью и устойчивостью к внешним нагрузкам за счет трехмерной их конфигурации и сложного напряженного состояния. Таким образом, способ-прототип позволяет правильно определить только знак напряжений в покрытии, но не позволяет с достаточной точностью определить величину остаточных напряжений в нем, поскольку неизвестны остаточные напряжения в свободном крае отделенной от основы полоски покрытия. Задачей настоящего изобретения является повышение точности контроля остаточных напряжений в кремниевой структуре покрытие 2-основаза счет создания условий для снятия напряжений в свободном крае отделенной от основы полоске покрытия. Поставленная задача решается тем, что способ контроля остаточных напряжений в кремниевой структуре покрытие 2-основавключает формирование в одном цикле с наращиванием 2 между покрытием 2 и основойпромежуточного слоязаданной толщины, вскрытие в покрытии 2 методом фотолитографии окна в виде квадрата со сторонойили круга с диаметром , отделение полоски покрытия 2 по краю окна на ширину а, равную от 5 до 100 мкм, посредством селективного травления промежуточного 17232 1 2013.06.30 слоя , причем соблюдают выполнение условия, где- коэффициент, зависящий от толщины и упругих свойств покрытия 2, определение относительного удлинения свободного края отделенной полоски покрытия 2 по интерференционной картине вокруг окна в зазоре покрытие 2-основана участке потери устойчивости отделенной полоски как тонкостенной оболочки и расчет остаточных напряжений а из выражения 0, 1 где- длина свободного края отделенной от основыполоски покрытия 2 0 - исходная длина полоски покрытия 2 до ее отделения,- модуль Юнга и коэффициент Пуассона покрытия 2 соответственно. Сущность заявляемого технического решения заключается в создании условий для минимизации уровня остаточных напряжений в свободном крае отделенной от основы полоски покрытия путем устранения причин, препятствующих ее свободному изгибу. Наличие во вскрытом в покрытии 2 окне длинной прямой стороны (границы окна) обусловлено необходимостью исключения влияния других сторон-границ и углов окна на получаемую интерференционную картину. Кроме того, в соответствии с 7, по мере увеличения размеров отделенной полоски покрытия и коэффициента/ происходит потеря устойчивости тонкой оболочки. По условию минимума свободной энергии край отделенной полоски покрытия должен был бы принять форму волны с осью симметрии,лежащей в срединной плоскости покрытия. Однако поскольку прогиб полоски возможен только в одну сторону (вверх от основы), то свободный край полоски изгибается по некоторой, как правило несимметричной, волнообразной кривой, смещенной вверх от основы. Волнообразный изгиб свободного края покрытия сопровождается потерей его жесткости,присущей оболочкам, а отделенную от основы полоску покрытия с этого момента можно рассматривать как тонкую пластинку нулевой толщины 7, защемленную по краю, противоположному свободному. Термин пластинка нулевой толщины означает, что изменением напряжений по ее поперечному сечению, т.е. напряжениями растяжения со стороны выпуклостей и напряжениями сжатия со стороны вогнутостей, можно пренебречь. Отличить состояние тонкой оболочки отделенной полоски покрытия от ее состояния в виде пластинки нулевой толщины легко по виду интерференционной картины. В состоянии тонкой оболочки отделенная полоска покрытия изгибается вдоль прямой стороны окна в виде одной полуволны или в случае наложения эффектов взаимного влияния соседних сторон окна, - в виде одной целой волны. При переходе полоски в состояние пластинки нулевой толщины количество волн ее изгиба вдоль стороны окна равно или больше 2. Анализ интерференционных картин, образующихся в кремниевых структурах покрытие 2-основа , показал, что условия перехода отделенной полоски 2 в состояние пластинки нулевой толщины зависят от толщины диоксида. При толщине высокотемпературного покрытия 2, равной 0,8 мкм, переход полоски в состояние пластинки нулевой толщины происходит при условии 5. При толщинах 2, равных 0,5 и 0,4 мкм, этот переход наступает при 4,5 и 4 соответственно. Таким образом, наличие во вскрытом в покрытии 2 окне прямой стороны длинойпозволяет, с одной стороны, исключить эффекты взаимного влияния друг на друга прогибов отделенных от основы полосок покрытия соседних границ окна, а с другой - минимизировать уровень напряжений в свободном крае отделенной полоски покрытия за счет потери устойчивости тонкой оболочки и изгиба свободного края отделенной полоски покрытия по волнообразной кривой. Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 представлена интерференционная картина, формирующаяся вокруг окна квадратной формы со стороной 80 мкм. Высокотемпературный диоксид кремния толщиной 0,8 мкм выращен на основе из монокристаллического кремния ориентации (111) толщиной 460 мкм. Ширинаот 4 17232 1 2013.06.30 деленной от основы полоски диоксида составила 18 мкм. На фиг. 2 представлена интерференционная картина, возникающая при отделении полоски диоксида шириной а 20 мкм вокруг круглого окна диаметром 80 мкм при тех же толщинах покрытия и основы. На фиг. 3 представлена интерференционная картина, возникающая при отделении полоски диоксида кремния шириной 24 мкм вокруг окна прямоугольной формы размерами 120120 мкм при толщинах покрытия 0,8 мкм и основы 460 мкм. На фиг. 4 показано изменение интерференционной картины, представленной на фиг. 3, происходящее при нагреве системы покрытие 2-основадо 150 С. Вокруг окна квадратной формы, приведенного на фиг. 1, максимальная плотность интерференционных линий наблюдается по углам. Это связано с эффектом взаимного влияния прогибов полосок пленки, отделяемых вдоль соседних границ окна. Интерференционная картина, приведенная на фиг. 2, свидетельствует о том, что свободный край отделенной полоски имеет кривизну как в плоскости основы, так и в перпендикулярных основе плоскостях, проходящих через любую точку границы окна. Следовательно, в этих двух случаях отделенная полоска представляет собой тонкую оболочку, находящуюся в сложном напряженном состоянии, что не позволяет однозначно судить об уровне остаточных напряжений в свободном крае отделенной полоски покрытия. Приведенные на фиг. 3 поперечные сечения А-А и Б-Б кремниевых структур покрытие 2-основасвидетельствуют о том, что на участкахисвободные края отделенного от основы покрытия имеют волнообразную форму и количество волн больше двух,что, как было показано выше, является признаком потери устойчивости оболочки, приводящей к минимизации уровня напряжений в свободном крае отделенного покрытия. С помощью заявляемого способа проведены исследования и определены величины остаточных напряжений в кремниевых структурах покрытие 2-основа , применяемых в микроэлектронике. Кремниевые структуры были изготовлены стандартными методами окисления, фотолитографии и травления. В качестве подложек-основ использовали полупроводниковые пластины кремния диаметром 100 мм ориентации (111). Исследуемое покрытие - высокотемпературный диоксид кремния толщиной 0,8 мкм. В качестве промежуточного слоя использовали переходной слой монооксида кремния , полученный в одном технологическом цикле с процессом наращивания диоксида. Отделение края покрытия от основы проводили путем газового травленияхлористым водородом. Окна различной формы и размеров в 2 вскрывали с помощью специально подобранного фотошаблона. При контроле по способу-прототипу использовали фотошаблоны с окнами круглой формы. Интерференционные картины наблюдали при различных температурах структур с помощью микроскопа 2. Требуемую температуру кремниевых структур покрытие 2-основаподдерживали с помощью пленочного нагревательного устройства, смонтированного на предметном столике микроскопа, с точностью 2 С. При расчетах остаточных напряжений значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона принимали равными 75 ГПа и 0,17 6. Значения остаточных напряжений в покрытии 2, рассчитанные по интерференционным картинам, возникающим по контурам окон различной формы и размеров, сведены в таблицу. Из таблицы видно (строки 1-6), что остаточные напряжения в покрытии 2, определенные при комнатной температуре при длине стороны квадратного окна 5, составили 205 МПа. Установлено, что остаточные напряжения в покрытии 2 с ростом температуры снижаются по закону, близкому к линейному, и при температуре структуры 150 С их величина в 2 составляет 160 МПа. Вид интерференционной картины, полученной при температуре структуры 150 С, представлен на фиг. 4. По сравнению с исходной конфигурацией изгиба свободного края отделенной полоски покрытия (фиг. 1) количество волн изгиба уменьшилось. 20 2055,50 195 при повыше 75 185 квадрат нии температу 120120 100 175 ры напряжения 125 170 снижаются 150 160 20 105 50 1055,75 80 105 напряжения не круг 100(прототип) 105 зависят от тем 125 100 пературы 150 100 20 2005,50 190 при повыше 75 180 круг 120 нии температу 100 170 ры напряжения 125 165 снижаются 150 155 20 60 50 605,75 60 напряжения не квадрат 8080 100 60 зависят от тем 125 60 пературы 150 60 Величины остаточных напряжений в покрытии 2, рассчитанные по интерференционным картинам, возникающим у границ круглого окна 80 мкм (способ-прототип, строки 7-12) при температурах от комнатной до 100 С, составили 105 МПа, а при температурах 125 и 150 С - 100 МПа. Более низкие значения напряжений и практически постоянная их величина в диапазоне температур структур от 20 до 150 С свидетельствуют о том, что отделенная от основы полоска покрытия испытывает в этом случае напряжения сжатия. Их величина в свободном крае полоски при комнатной температуре составляет порядка 100 МПа, поскольку именно на эту величину отличаются расчетные значения остаточных напряжений от тех, которые были получены при длине стороны квадратного окна 5. При нагреве структур за счет большей величины температурного коэффициента линейного расширения основы(14,010-6 К-1) по сравнению с покрытием 2(20,510-6 К-1) происходит снижение уровня напряжений в покрытии. Однако в свободном крае отделенной от основы полоски при температуре 150 С в случае круглого окна 80 мкм он остается еще достаточно высоким и составляет порядка 55-60 МПа. О практически полном отсутствии остаточных напряжений в свободном крае отделенной вдоль квадратного окна со стороной 5 полоски покрытия при комнатной температуре свидетельствует то, что уже при нагреве структуры до 50 С произошло изменение интерференционной картины и величина остаточных напряжений снизилась с 205 до 195 МПа. Величины остаточных напряжений в 2, рассчитанные по интерференционным картинам, возникающим у границы круглого окна 120 мкм (строки 13-18) при повышении температуры от комнатной до 150 С, снижаются по закону, близкому к линейному, и при температуре структуры 150 С их величина в 2 составляет 155 МПа, т.е. практически 6 17232 1 2013.06.30 совпадает с определенными по интерференционной картине у квадратного окна со стороной 120 мкм. Погрешность определения величины остаточных напряжений у границ квадратного окна со стороной 80 мкм 5 (по способу прототипу) достаточно высока. Так, во всем диапазоне температур от 20 до 150 С расчетные значения остаточных напряжений составили 60 МПа, что в 3,4 раза ниже значений, определенных по заявляемому способу. Абсолютная ошибка контроля уровня остаточных напряжений в 2 по способу-прототипу составила в этом случае 20560145 МПа. Таким образом, заявляемый способ контроля остаточных напряжений в кремниевой структуре покрытие 2-основапо сравнению с прототипом позволяет избежать больших ошибок (в три и более раз) при определении напряжений, а следовательно, повышает точность контроля уровня остаточных напряжений в покрытии 2 за счет создания условий для снятия остаточных напряжений в свободном крае отделенной от основы полоске покрытия. Источники информации 1. Романов А.С., Щеглова В.В. Механические напряжения в тонких пленках // ОЭТ. Серия 2. - 1981. - Вып. 8 (798). 2. Федорович П.А., Соколов В.И., Шеленшкевич В.А. Локальное измерение механических напряжений в пленках на кремнии оптическим интерференционным методом // ФТТ. Т. 17. - 1975. - Вып. 3. - С. 919-921. 3.-2// . . . 1976. - . 47. - . 5. - . 2079. 4. Патент 10215 1, 2008 (прототип). 5. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. - М. Радио и связь, 1982. - 240 с. 6. Сергеев В.С., Кузнецов О.А., Захаров Н.П., Летягин В.А. Напряжения и деформации в элементах микросхем. - М. Радио и связь, 1987. - 88 с. 7 Ландау Л.Д., Лифшиц Б.И. Теоретическая физика. В 10-ти т. Т. . Теория упругости Учебное пособие. - М. Наука, 1987. - 248 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.