Коррекция на атомную плотность в количественном анализе поверхностей полупроводниковых материалов и структур методом ОЖЕ-электронной спектроскопии тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

московский ИНСТИТУТ тонкой ХИМИЧЕСКОМ ТЕХНОЛОГИИ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

ТРОН ЕВА Мария Александровна

УДК 539.184 :535.33

КОРРЕКЦИЯ НА АТОМНУЮ ПЛОТНОСТЬ В КОЛИЧЕСТВЕННОМ АНАЛИЗЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР МЕТОДОМ ОЖЕ-ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

02.00.02 — аналитическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА — 1992

Работа выполнена в научно-исследовательском институте прикладной механики НПО «Ротор»

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Пеиский II. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук кандидат фиьико-математических

Никольский Л. П. Алов Н. В.

Ведущая организация: Институт металлургии им. А. А. Байкова РАН

на заседании специализированного совета К 063.41.04 Московского института тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова по адресу: 117571, Москва, проспект Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « 1992 г.

Защита состоится « Л^-р

г. в

Ученый секретарь специализированного совета кандидат химических на\

И МО В А Ю. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для разработки, контроля и оптимизации технологических процессов (ТП) изготовления изделий электронной техники необходимо не- только идентифицировать поверхностные примеси и их сегрегации как в приповерхностных слоях, так и на внутренних границах раздела полупроводниковых материалов и структур, но также надёжно получать количественную информацию об их содержании.

Одним из наиболее эффективных методов для решения этой аналитической задачи язляется метод оже-электронной спектроскопии (ОЭС). Однако точность количественного ОЭС-анализа при использовании общепринятого способа факторов элементной чувствительности (=*-!.*) невысока. Для повышения правильности анализа методом ОЭС, как правило, вводят корректирующие факторы, учитывающие матричные эффекты, такие как длина свободного пробега ( А.), фактор обратного рассеяния электронов (Г" ), атомная плотность ( N ). Систематическая погрешность, связанная с фактором атомной плотности, как правило, наибольшая в ряду погрешностей, обусловленных перечисленными выше факторами. В процессе технологической обработки (ТО) изучаемых материалов образуется большее число примесных атомов в поверхностных слоях, учёт атомной плотности которых общепринятым способом часто приводит к появлению систематической погрешности ОЭС-анализа ~100 % и более. Особенно это относится к соединениям кислорода, фтора и_азота. Использование стандартных образцов близких составов для анализа поверхностных слоёв полу-" проводниковых материалов и структур по данным ОЭС до и после ТО также практически невозможно из-за большого количества атомов различных элементов в поверхностных слоях. Разработка способа количествен^ то ОЭС-анализа полупроводниковых материалов на основе системы стандартных, состоящих из атомов одного элемента, образцов и более совершенной модели расчёта поправок на атомную плотность для широкого круга, элементов, позволила бы снизить систематические погрешности количественного ОЭС-анализа.

отношение интенсивностей оже-пиков ("реаН -'Ьо-реаЦ") чистого стандартного образца с-го элемента и серебра.

Поэтому цель работы состояла в разработке способа количест венного ОЭС-анализа внешних и внутренних поверхностей следующих полупроводниковых материалов и структур: монокристаллов InAs ,по-лнимидных структур, кремниевых структур с диэлектрической изоляцией (КСДИ} после различных химических и физических воздействий н; основе модели расчёта поправок на атомную плотность в приближении равенства атомных плотностей примеси и матрицы как в приповерхностных слоях, так и на внутренних границах раздела этих материале

Для этого следовало решить следующие конкретные задачи:

- разработать алгоритм и программу для количественного ОЭС-анализа перечисленных полупроводниковых материалов к структур с Учётом матричных поправок и дополнительной коррекции на атомную плотность в рамках предложенной модели равенства атомных плотностей элементов матрицы и слоя примеси;

- разработать методику статистической оценки достоверности результатов ОЭС-анализа для случая малых выборок и с использованием моделей корреляционного анализа;

- разработать методики ОЭС-анализа конкретных материалов электронной техники - монокристаллов арсенида индия InAs {III),по-лиимидных структур гибридных интегральных микросхем (ГИС), КСДИ, легированных фосфором, : учётом специфики их структуры, состава, свойств, различных факторов физического и химического воздействия;

- проверить правильность полученных результатов с помощью независимых методов количественного анаг^за поверхности - рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), вторично- ионной масс-спектрометрии (ВИМС), масс-спектрометрии распыленных нейтральных частиц (МСНЧ).

Научная новизна работы

1. В известный способ использования матричных поправок в количественном анализе методом ОЭС полупроводниковых материалов и структур (монокристаллов арсенчда индия InAs 1.111} , полиимидных структур ГИС, КСДИ) впервые введена дополнительная коррекция на атомную плотность, которая основана на предложенной модели равенства атомных плотностей элементов матрицы и слоя примеси.

2. Разработана методика плазмохимического травления для количественного анализа внутренней границы полиимид - алюминий в гибридных интегральных микросхемах методом ОЭС.

3. Предложены новые упрощенные образцы сравнения для количественного контроля распределения фосфора в КСДЙ-структурах после технологического процесса диффузионного легирования.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Способ коррекции на атомную плотность в количественном анализе внесших и внутренних поверхностей полупроводниковых материалов (на примере монокристаллов 1пА5 ) и структур ( на примере полиимидных и КСДИ-структур) методом ОХ.

2. Методика локального количественного анализа внутренних границ раздела полинмид - алюминий в гибридных интегральных микросхемах методом ОХ с предварительным плазменным травлением полиимида.

3. Методика количественного контроля распределения фосфора в КСда-структурах методом ОХ с использованием разработанных упрощённых образцов сравнения.

Практическая значимость работы

1. Применение программы" Аид ег ", реализующей разработанный способ количественного ОЭС-анализа с коррекцией на атомную плотность позволило проводить количественное определение содержания лёгких элементов на поверхности изучаемых полупроводниковых материалов и структур с относительным стандартным отклонением ( ) 5 * 15 %.

2. Методика локального анализа внутренних границ раздела поверхностей полиимид - алюминий (ПИ - А1) использована для контроля и оптимизации технологического процесса плазмохимическего травления полиимида при изготовлении ГИС. Это позволило повысить надёжность изготовления контактов многоуровневой алюминиевой разводки гибридных интегральных микросхем.

3. С помощью разработанного способа количественного 0Х-' -анализа показано, что причиной низкой адгезионной прочности металлических контактов к телу датчика Холла из 1пАз является окисление поверхности 'монокристаллов. Результаты изучения химического состава поверхности 1пАБ методами ОХ и РФХ использованы для оптимизации .ТП изготовления датчиков Холла из 1пА!> , что увеличило долю выхода годных изделий.

4. С помощью разработанного способа получены новые данные о составе поверхности полярных граней монокристаллов 1пАз \1П} после химической обработки различными травителями, после гамка--воздействия и установлены различия в составе этих граней.

5. Разработанную трёхслойную модельную пластину КСДИ использовали для контроля ТП диффузионного легирования фосфором КСДИ.

Результаты работы внедрены в НПО "Ротор" и использованы при изготовлении интегральных схем частного применения и полупроводниковых датчиков, а также использованы при отработке технологии полу чения новых сплавов в ШЕГ АН СССР и МИСиС.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях молодых специалистов НИИ прикладной ме ханики (Москеэ, 1983, 1985 г.г.); на IX Всесоюзной конференции по рентгеноспектральным исследованиям (Устинов ,1985 г.); на межотраслевом совещании - семинаре "Некоторые вопросы надёжности и устойчивости полупроводниковых материалов и структур к воздействиям внеших дестабилизирующих факторов" (Душанбе, 1986 г.); на школе-семинаре по применению методов математической физики в технологии, проектировании и производстве изделий электронной техники (Львов, 1988 г.); на научном семинаре кафедры аналитической химии МИТХГ им.' М.В.Ломоносова.

Структура диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, выводы и приложение. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит32 рисунка , 9 таблиц и приложение на 6 страницах. Список литературы включает 138 наименований. Основные по ложения работы опубликс^аны в 8 работах. В первой главе представлен литературный обзор данных по проблемам изучения примесей в приповерхностных слоях и на внутренних границах раздела различных изделий электронной техники. Рассмотрены последние достижения в разработке методического обеспечения для количественного анализа метода ОЭС. Сформулированы задачи исследования применительно к выбранным объектам: монокристаллам InAs lili) , полиимидным структурам ГИС, КСД) после диффузионного легирования. Здесь же обсуждены возможности по изучению состава поверхности методами РФЭС, ВШС, МСНЧ. Во второй главе обоснован и разработан предложенный способ количественного 0Э( -анализа распределения основных элементов и примесей в приповерхностных слоях и на внутренних границах раздела полупроводниковых материалов и структур с помощью дополнительной коррекции на атомную плотность на основе модели изоморфизма матрицы и примесного поверхностного слоя. Здесь же приведён алгоритм программы "Аи^ег" для количественного ОЭС-анализа с учётом матричных поправок по разработанному способу. В третьей главе представлено методическое обеспечение изучения химического состояния поверхности полярных граней монокристаллов InAs и алюминиевых контактных площадок (АКП) ГИС методами ОЭС* и РФЭС. Представлено описание методики вокального плазмохишгаеского подхода к внутренней границе раздела ПИ - AI ГИС с последующим количественным ОЭС-анализом этой границы. В четвёртой главе описана

разработанная методика ОХ-контроля ТП диффузионного легирования КСда фосфором с помощью разработанных упрощенных образцов сравнения. Приведены полученные результаты и их обсуждение.

Способ количественного ОЭС-анализа полупроводниковых материалов и структур с дополнительной коррекцией на атоущуо плотность

Для повышения надёкности и экспрессности количественного ОЭС-анализа на поверхности полупроЕодников?к материалов и структур предложен способ колотественного ОЭС-анализа, отличающийся использованием новой модели учёта атомной плотности. Исходным положением модели является допущение о том, что атомная плотность поверхностного слоя примесных элементов и соединений матрицы, образующегося в результате внешнего воздействия, равна атомной плотности подложки-матрицы за счёт упорядочивающего влияния кристаллической решётки этой матрицы на регсётку поверхностного слоя примеси (изоморфизм).

Расчёт атомных концентраций (С^) методом ОЗС осуществляли на основе итерационного процесса с учётом матричных поправок. Нулевое приближение в расчёте С^ вводилось по методу расчёта концентраций с помощью коэффициентов элементной чувствительности.'Матричные поправки вводились с помощью корректирующей функции, учитывающей N ,. Л., I" . При расчёте атомной плотности ( ) по известной из лит ,ра-гуры ЦТ5 формуле содержания лёгких элементов получают-

ся существенно на I т 2 порядка заниженными. Поэтому для расчёта атомной плотности изучаемых полупроводниковых материалов и струк-гур предложена формула:

■ ' ¿1 С

N=^N^¡(1+ 1=1,2.....п. (I),

1= I 1 и тх С.

лде гл. г Р. - число элементов матрицы,

П. =4 10 - общее число элементов матрицы и примеси на поверхности.. .

На основании предложенной модели был разработан алгоритм и (аписана программа "Аиди-" на ЯЗЫКе Го 1^1гаг1-4 для ЭВМ НР-ЮОО, ¡ходящей в комплект установки 1чЦ5 -10.

М* 5е1шц Т, ниа1й К., Но^ат1 А. // 5с1. . N.2.Р 5Б5- 5?Ч.4983г

Особенности способа количественного ОЭС-анализа поверхности монокристаллов InAs jlllj с учётом дополнительной коррекции. на атомную плотность

Основанием для использования предложенной модели учёта ато> ной плотности примеси на 1пА5 является допущение об образовании новых химических соединений - собственных оксидов со структурой, подобной материалу матрицы, при химическом*взаимодействии за счёт встраивания решетки образующегося оксида в решетку полупроводнике -матрицы путём искажения структуры оксида. В предложенной модели рассматривается пятпокомпонентная система, состоящая из двух элементов матрицы In и As в соотношении (0,5:0,5) и трёх элементов примеси: О, С, CI. Атомная плотность в нулевом приближении для 0 поверхностного слоя примесей рассчитывается по формуле Nfl= 0,5(Nj где ^ ~ атомная плотность чистых элементов. Для.атомов матрицы атомную плотность рассчитывают по формуле N¿.,0= N^/AL 4 где Nfc- число Авогадро, Aj_, pL - атомная масса и плотность 1-го элемента. Для последующих приближений средняя атомная плотность поверхностного слоя примесей рассчитывается по формуле:

^NiaC^KfcsCteKi + g^) '

На рис. I представлено сопоставление результатов количественного ОЭС-анализа и РЮС-анализа с учётом (рис. I а) и без учёта (рис. I б) матричных поправок для полярных граней (III) и (III" монокристаллов InAs после химического травления в растворах HNOg: :HF:HgS04=5:I:I и HCI:HNOg=i:I. По оси абсцисс отложены отношения Cjn/CAs по методу РФЭС, по оси ординат - С^/С^ - ОХ. На этих рисунках пунктирной линией под углом 45° проведена теоретическая линия регрессии, а сплошной линией - линия регрессии, полученная экспериментально. Сравнение экспериментальных линий регрессии с теоретической выполнено с помощью F - критерия. По Р-критерию при 0,20 уровне значимости РЭКСП.(Н )=2,55< F^g.(2,2)=4, ?зксаШ =6,16 > Р^ор означает, что линия регрессии на рис. I (а)

с учётом поправок на N по формуле (I), X. , Г незначимо отличает ся от теоретической, в то время как линия регрессии на рис. I (б) по -способу значимо отличается от теоретической. Кроме того, по t -критерию расхождения результатов ОЭС-анализа, полученных с учётом N по формуле (I) и без учёта, с использованием коэффициентов öL, значимы при 0,05 уровне значимости для J- =3 :

0,8

Рис. I Сопоставление результатов ОЭС и Р2ЭС анализов для

1пАз (inj после травления в растворах HM03:HF:HpS04= =5:1:1 ( о _ (Ш) и 9 - (Iii) и НС1:НК03=1:1 (О - (III) и о _ (III) ): a) по разработанному спо-cody количественного ОЭС-анализа, уравнение регрессии у=-0,04+0,84 х ; б) с учётом dL : у^-0,08+0,67 х.

t эк~п>=15.5> ^теот>.=3'18- Так™ образом, результаты РФЭС-ана лиза .лучше коррелируют с результатами ОХ -анализа с учётом мат рлчных поправок по разработанному способу, чем по сб -способу,п пятому за нулевое приближение. Относительное отклонение результ; toe ОЭС-анализа для отношения Cj /Сд^ , рассчитанного с примене! ем-коэффициентов , от РФХ-результатов составляет Д^ =30 5 - для травителя HKOgrHFiHgSO^-Srl:I и Дд .-70 % - для травител; HCI:HNOg=I:I. С учётом матричных поправок, соответственно,А™ =] &а=30 %. Следовательно, относительное отклонение результатов, рассчитанных по разработанному способу, от результатов РЗЭС-анал за уменьшается в 2 - 3 раза с учётом матричных поправок. Стандар ное отклонение экспериментальных линий регрессии по сб -способ, л способу, учитывающему дополнительную коррекцию N по формул (I), равно, соответственно, 0СеС)=о,5б и <Ь(М.)^0,19

Было проведено несколько серий экспериментов (4 4- 6) по выявлению методами ОХ и Р$Х зависимости относительного содержали! кислорода на поверхностях граней (III) и (III) InAS от состава 8 различных травителей. Минимальное содержание атомов кислорода на поверхности InAS получено для двух травителей состава PI - HHOß: HF:H2S04=5:I:I и №2 - HCI:HH03=I:I. Оно меньше более чем в два раза содержания кислорода для травителя И - HüOgrHPrHgSO^ =3:1:2. Сравнение эффективности травителей (значимости различия в расположении групп"точек" для этих трёх травителей на линии регрессии корреляционной зависимости Cq/(C °n+CAs) (ОХ) и Cq^Cj^C^) (РЮС) было выполнено с помощью F-критерия для эллиптических дисперсий, равных: =1966, Q^ =72, £Ц =277, Для всех уровней значимости эллиптическая дисперсия для каждого из травителей значимо отличается от суммарной эллиптической дисперсии: F = = ^=24,f,=8)=5,3. Г ,Kcn.-0tB39>r^(g; =0,811, что указывает на значимость корреляционной зависимости, полученными методами ОЭС и РФХ.

___Относительные содержания кислорода для полярных граней (IIP

и (III) InAs меньше отличаются между собой для травителя ,■чем для травителя №2. Действительно, дисперсия для травителя №1 по полярным граням (III) и (III) , равная 4 q3q(I)=0,I8 10^, меньше соответствующей дисперсии i q^.(2)=3,38 10"^ для травителя №2.

Расчёт состава поверхности InAS {Illj после травления в двух травителях с минимальной окисленностыо поверхности представлен в таблице I. Анализ этой таблицы показывает, что после травления в растворе HCI:HNOg=I:I на поверхности i:AS остаются атомы хлора.

Таблица I

Сопоставление результатов ОХ-анализа поверхности полярных граней монокристаллов IrtV ¡,IIjj после химического травления "

Параметр С , аг.%

Травитель HCI:HN03=I:I HN03:HP:н2 S04=5:1:1

(III) (111) (III) (III)

Элемент .....

In 30,5±2,4 17,4-2,8 37,3±I,4 32,3±I,4

As 53,2±1,б 62,0±3,0 48,Iii,7 53,2±I,5

0 4,0-1,1 6,4±1,0 6,I±0,7 6,3±0,7

С 8,1±1,0 II,2±I,3 8,5±0,7 9,I±0,7

CI 4,2-1,0 3,0±1,0 - -

CIn//CAs ОЭС 0,57±0,06 "0,28-0,03 0,70±0,06 ■0,62±0,06

• РФХ 0,70 0,53 1,0 0,60

Воспроизводимость результатов анализа для этого травителя хуже, а нарушение стехиометрии полярных граней больта, чем для травителя HNOgiHFr^SO^Srl:I. С помощью разработанного способа установлено, что оптимальным травителем при подготовке тела датчика Холла из inAs ii) к пайке металлических контактов является травитель состава HHOg:HP:HgS0^=5:1:1.

В работе впервые определены особенности химического состояния поверхности полярных граней (III) и (III) монокристаллов InAS после химического травления и гамма-воздействия.' На основе литературных данных и по изменению энергии связи рентгеноэлектронных линий .3i In и 3d. AS, а также по ширине линии ЗА In на половине высоты огг^делено, что после травления в окисляющих растворах на по- . верхности InAs присутствуют соединения 1П2О3, AS^Og, InAsO^ и As неокисленный. Обнаружено, что полярная грань (III) InAs более окислена по сравнению с (III). С ростом содержания атомов кислорода на поверхности InAs, определенного методом ОЭС, адгезионная прочность металлических контактов к телу датчика Холла из InAs уменьшается.

Гамма-облучение монокристаллов InAs с шероховатой поверхностью приводит к окислению этой поверхности и росту доли соединения InAs0^ с увеличением дозы гамма-облучения. Это снижает адгезионную прочность металлических контактов к телу датчика.

■ Таким образом, применение комбинированного анализа поверхности монокристаллов 1пАЗ (11$ методами ОЭС и РФЭС для подбора травителя, оптимального с точки зрения однородности состава, минимального окисления поверхности и сохранения стехиометрического отношения полярных граней, позволило изменить технологию изготовления датчиков Холла в нужном направлении, повысить их качество и увеличить выход годных на 20 %.

Особенности способа количественного ОЭС-анализа с коррекцией на атомную плотность алюминиевых контактных площадок ГИС

Основанием использования предложенной модели учёта атомной плотности примеси на АКЛ ГИС после снятия ПК в плазме (СР^ч^) является допущение об упорядочении поверхностного слоя примеси в соответствии со структурой матрицы за счёт эпитаксиального наращивания примесного поверхностного слоя толщиной в несколько монослоёв, изоморфного внедрения имплантированных примесных атомов при ПХО. В предложенной модели рассматривается Ю-компоненткзя система,■состоящая из двух элементов матрицы (А1 и 0) в соотношении (0,4:0,6) у. 8 элементов примесей: С,N,Р , Т1, Са, К, И,Б . Плотность атомов кислорода в А^Од рассчитывали из условия встраивания атомов кислорода в узлы решетки А^Од (условие образования изоморфного поверхностного слоя).

В таблице 2 приведено сопоставление результатов ОЭС-анализа с учётом коррекции на атомную плотность по предложенному . (I) и известному Ш способам расчёта для АКП после снятия Ш в плазме (СРд+Ор) и дополнительной обработке в плазме кислорода и азота (+N2). Значимость ргзличия полученных результатом ОЭС-анализа по этим двум способам оценивали по "¿"-критерию на 5-8 образцах, для 3-5 АКП на этих образцах, для 3-х ПХО по трём элементам А1, О, С. Для области содержаний 40-55 ат.% получено <$г=0,04, для интервалоз 25 - 35 ел.% - -6Г=0,06, для 5-20 ат.^ — ^>г=0,14. Можно считать, что расхождение способов (I) и [I] значимо, так как для 5 %-го уровня значимости эксп>=4>71 >^^др_(8)=2,31. .

По результатам таблицы 2 можно сделать заключение, что по предложенному способу (I) были получены соответствующие достаточно интенсивным пикам оже-спектра, отличные от близких к нулевым [I] содержания лёгких элементов - фтора и азота. Показано, что способ II] приводит к занижению содержаний этих элементов на 2-3 порядка. Кроме этого, из таблицы 2 видно, что дополнительная обработка АКП ГИС в плазме кислорода не снижает содержание примесей, тогда как

ииииихцьление риаультитон у-эо-аналиаа по предложенному ' 1) И известному [1] способам учёта атомной плотности для АКП ГНС после снятия ПИ з плазме (СР^+Оо)

С , ат. %

Способ по формуле (I) по работе р]

ПХО Элвмент^^-^ (СР4+02) (+02) (+И2) (СР4+02) (+02) (+М2)

А1 44,9±2,5 40,3±2,0 51,4±2,5 46,2±3,4 42,4*3,0 51,4*4,0

0 29,1±2,2 26,9^3,2 31,4±5,0 35,1*5,2 33,1*4,6 36,9*5,4

С . 7,2±2,2 9,9-3,4 5,4±1,8 12,8±3,5 18,4-5,1 9,6*3,2

Р , 4,2±1,5 7,2^2,1 5,5±2,2 «0,01 «0,01 «0,01

к 2,0±0,8 3,3±1,6 2,0±0,5 0,5*0,2 0,7*0,4 0,4±0,1

На 2,7±0,4 4,0±1,1 1,1-0,2 1.7-0,5 -

N 3,5±0,7 2,1-0,4 2,1*0,5 «0,01 «0,01 «0,01

Т1 3,6±1,8 2,5±0,2 1.1± 0,2 3,3±1,6 1,8*0,2 1,2±0,2

Са 1,9±0,9 2,9±0,5 1,2±0,3 0,8*0,4 1,2*0,2 0,5*0,1

5 1,0±0,4 I»1-0,2 0,9*0,5 0,9±0,2 -

Примечание: прочерк - не обнаружено. Количество проб - 5 * 8 .

обработка в плазме азота снижает содержание О, С, Р, К,Н , ТС, ( а элементы N а и Э исчезают полностью.

В работе представлено сопоставление результатов предложен! го способа количественного ОЭС-анализа и РФЭС-анализа для образ! алюминия после различных ТО. Установлена значимость корреляционной зависимости между результатами ОЭС и РФЭС-анализов: Г „ = =0,990> Г (4)=0,8П.

Методом Р£Х определено, что после снятия ПИ с А1 в плазме (СР^+О^) алюминий находится в трёх химических состояниях: неокис ленный А1, А^Од, А1Рд. Дополнительная обработка в плазме азота этих образцов А1 уменьшает содержание соединения А1Рд на поверхн ти.

Методика локального.плазмохимического подхода к внутренней границе раздела полиимид - алюминий ГИС и ОЭС-анализ этой граница

Сложность ОЭС-анализа границы раздела Ш - А1 состоит в том, что при облучении полиимида электронами или ионами на поверх ности ПИ появляется заряд (ПИ - диэлектрическая плёнка толщиной несколько десятков микрометров). Ионное травление таких толщин приводит к значительной неоднородности состава поверхности при пе реходе к границе раздела ПИ - А1 и практически трудно осуществимо в установках для анализа поверхности материалов с послойным ионным травлением. В.настоящей работе предлагается методика локально' го подхода к внутренней границе раздев ПИ - А1 и последующего анализа этой границы с помощью метода ОХ. Поверхностный заряд пр1 этом стекает с ПИ на АКП. ПХТ полиимида проводили в плазме (20 % на Установке "Плазма 600 Т".через маску из ковара с размером окон ~100 мкм.

С помощью методики локального плазмохимического подхода возможен анализ методом 0Х внутренней границы раздела ПИ - А1 -при первоначальной толщине ПИ - более I мкм. После ПХТ- ПИ через маску проводят ОЭС-анализ клинообразной .плёнки ГШ толщиной £ на алюминии, полученной в результате подтрава этой плёнки через маску в плазме (СР^+С^,), см. рис. 2.

ОЭС-анализ внутренней границы раздела ПИ-А1 осуществляют в разных точках пслиимидной структуры путём перемещения электронного зонда от середины контактной площадки (см. рис. 2, точка А) до её края - плазмохимически оставшегося ПИ толщиной £, сравнимой с глубиной выхода оже-электронов из ПИ -Лщ (см. рис.2, точки В и С).

пи дг

Рис.2 Клинообразный подт-тэав ПИ после ПХГ ПИ четзез

С N 0 р г\—\—V

Рис.3 Оте-спектр ЛИ после ПХГ ПМ в (С

с

' ■ '_1_

272 за? 5» 656 Е эь

Р №

Нь)-

Где.4 Оже-спектр П" и Л1 после снятия ПИ с А1„дс-толщины = Лпт{ ^50 А. в

с» *

—1_I_I_1_1_^ ).....I_

-153 272 58? 5С 65« «?в Е.эВ

| Рис.5 Оже-спектр А.'. ,после снятия ПИ в плазме (СР^+С^),

При ПИ Б оже~спектре (рис.3) обнаружены пики С,

О, К , относящиеся к составным элементам ПИ, а также следы атомов Р - результат ионной имплантации атомов Р плазмы (СР^+С^) в ПИ. При £ =Лщ=50 А в оже-спектре (рис.4) появляются пики А1. Кроме того, пик кислорода - двойной Следовательно, оже-спектр на рис. 4 - это спектр, полученный от плёнок ПИ и А1.

После снятия ПИ в плазме (СР^+С^) на АКП помимо пиков, обусловленных оже-переходами в атомах А1, О, С, Р , в оже-спектре обнаружены пики, соответствующие атомам К, Са,Ма, 5 , С1, Т1,М (см. рис.5). Такие примеси как К, Са,N а, 5, 01, вероятно, попадают на поверхность АКП ГИС на стадии нанесения ПИ, так как в оже-спектре ПИ они не обнаружены. На основании анализа оже-спектра модельного образца, полученного ГИТ в плазме (СР^+С^) чистого А1, установлено, что наличие атомов Т1, N , Р вызвано ГОСТ. Причэм, атомы Тц и N обнаружены в изучаемых образцах и после снятия ПИ в плааме, и после обработки чистого А1 плазмой. В оке-спектре ПИ атомов Ти не обнаружено. Кроме этого, для ПИ характерный состав; 22 атома С, 5-0, 2 - N .По расчёту методом ОЭС отношение атомных концентраций азота и углерода Сц /СС=0,Ю±0,05 в.ПИ. Для АКП ГИС после снятия ПИ в плазме - /С(-.=0,40±0,05. Возможно, что увеличение содержания атомов N на поверхности АКП связано с ГОСТ ПИ.

Из полученных результатов следует, что предложенная методика локального плазмохимического подхода к внутренней границе раздела полиимид - алюминий позволяет определить изменение состава от внутренней границы раздела ПИ до плёнки А1 АКП ГИС в заданной точке повепхнссти полиамидной структуры.

Методика"количественного ОЭС-контроля'техяологического'процесса дегирования'КСДИ фосфором'(^"использованием разработанных упрощенных образцов сравнения)

- — —В-работе предлагается методика контроля ТП-диффузионного легирования КСДИ фосфором; Методика основана' на создании контрольного образца в виде модельной' трёхслойной пластины КСДИ и на "обосновании её использования для контроля ТП диффузионного легирования КСДИ фосфором с помощью количественного ОЭС-анализа" по программе "ЙУ|сг" при послойном распылении ионами аргона поверхностного слоя монокристаллического кремния модельной пластины, легированной фос- . фором в области высоких концентраций. Профили диффузии фосфора в кремнии изучали предложенным способом ОХ-анализа для плдщади ионного сканирования 2x2 мм^ и скорости распыления 18С^20 А/тт. на следующих образцах: модельная трёхслойная пластина КСДИ в виде чередующихся слоев монокремния, двуокиси кремния и поликремния; пластина КСДИ с размером монокристаллических областей (МО) 10x10 мм'" (пластины такого типа традиционно используется для контроля ТЛ диффузионного легирования КСДИ фосфором методом шар-шлифа); кремниевые пластины КЭФ-0,3 (100). Содержание фосфора по глубине рассчитывали с учётом матричных поправок и коэффициентов распыления ио- • нами аргона. В таблице 3 приведены полученные поверхностные содержания фосфора (Ср) и измеренные плотности дислокаций () в изучаемых полупроводниковых структурах. Для МО КСДИ характерно повышение по сравнении с пластиной 51 КЕ®-0,3. Данные, полученные предложенным способом ОХ, приведены для сравнения с данными БИМС (в таблице 3 - СрМр). Точки, соответствующие результатам ОХ-анализа для кремниевой пластины КЭ5-0,3 хорошо ложатся на кривую, записанную методом ВИМС для фосфора, вплоть до предела обнаружения фосфора в кремнии методом ОХ (~0,1 ат.%) на глубине около I мкм. В диффузионных профилях ОХ- и ВИМС-анализов появляются незначительные расхождения для "центра" МО КСДИ (рис.6). Отклонение результатов ОХ и ВШС анализов для КСДИ по-видимому связано с неоднородностью распределения фосфора в этих образцах за счёт сложного напряжённо-деформированного состояния МО КСДИ, особенно вблизи границы раздела.

В пределах ошибок эксперимента по результатам ОЭС-анализа ■ поверхностная концентрация- фосфора для модельной трёхслойной пластины (Ср=0,65±0,05 ат.%)' одинакова с Ср в МО КСДИ (Ср=0,58±0,05 ат. %). В тоже время на поверхности 5с КЭ5-0,3 содержание фосфора в-1,5*2 раза превышает соответствующее содержание для модельных

Таблица 3

Поверхностное содержание фосфора и плотность дислокаций в кремниевых структурах

п/п Образец г> + -Ь 6с ■ ат% СрМр 0Г см"3 1 УТй сч А

I "Угол" мо кеда 0,49±0,05 (1,73^,18И0г0 (3,0н-0,5)105

о "Центр" мо кеда 0,58^0,(11 (2,05±0,18)Ю20 (1,0±0,5) Ю5

3 Модельная трёх- 0,63±0,05 (2,22^,18)Ю20 (2,0±0,5)Ю5

слойная пластина

4 91 КЭ$-0,3 1,01±0,05 (3,54±0,18)Ю20 (0,5±0,3)Ю5

Примечание: П^—Ю -г- 15 - количество „точек"; П^- 7 * 10 - количество "полей".

ши

СИ-5

11

НО

20

<10 «

<0

«

40

I* 40

Рис.6 Диффузионные профили фосфора и бора в "центре" МС модельных образцов КСДИ: сплошная линия - методом ВШС о - методом ОЭС.

¡¡¡8 ЛоЕ/шГ

пластин КСДИ.

МСНЧ-данные подтверждают результаты ОЭС- и ВИМС-анализов: для модельных образцов КСДИ наблюдается заниженное содержание атомов фосфора на поверхности, повышенный уровень атомов углерода и кислорода по объёму по сравнению с монокремнием, а также увеличение глубины р-п перехода за счёт ускорения диффузии фосфора в КСДИ.

Для подтверждения'правильности вывода о возможности использования модельный трёхслойной пластины в качестве контрольной вместо КСДИ с размером МО 10x10 мм^ была установлена корреляционая зависимость между относительными коэффициентами диффузии = (®Р)КСДИ/(2)Р)51КЭФ-0,3 и плотности дислокаций ( & )отн-=(§5)КСди

/ ^¿КЭ$-0 3 в изучаемых структурах: с ростом увеличивается 50.р. Расхождение этих величин незначимо по ~Ь-критерию при 0,05 уровне значимости. Различие абсолютных и относительных 5и р для центра МО КСДИ и модельной трёхслойной пластины незначимо, в то время как §)р для модельных образцов КСДИ и 51 КЭФ-0,3 имеются значимые различия. Ускорение диффузии фосфора в области высокой концентрации Ю^ат./'см^) в МО КСДИ, по всей вероятности, связано с повышенным уровнем напряжений и деформаций е МО КСДИ и, как следствие, с более высоким уровнем точечных дефектов - вакансий и междоузлий, по которым осуществляется ускоренная диффузия фосфора в кремний.

Следовательно, при 6Г=0,05 отн.% разработанная методика ОЭС-контроля ТП диффузионного легирования фосфором КСДИ с использованием модельной трёхслойной пластины КСДИ более правильна по сравнению с методикой, основанной на контрольной пластине монокремния. Кроме того, предложенная методика экономичнее методики, в которой применяется пластина КСДИ с квадратными МО, Это связано с меньшей трудоёмкостью изготовления трёхслойной пластины КСДИ.

Выводы

1. Предложен и разработан способ количественного ОЭС-анализа внутренних и внеигних поверхностей полупроводниковых материалов и структур, отличающийся дополнительной коррекцией на атомную плотность. Способ учитывает матричные поправки в рамках предложенной модели равенства атомных плотностей элементов матрицы и слоя примеси с относительной погрешностью ~ 5 + 15 %.

2. Разработана методика статистической сценки предложенного способа количественного ОЭС-анализа, основанная на дисперсионном анализе текущих измерений и на корреляции результатов ОЭС-анализа с данными РКЗС, ВИМС. Показано, что применим закон Ь- распределения для малых выборок. Коэффициенты корреляции значимы при 0,05 уровне значимости.

3. Разработана методика локального плазмсхимического травления для количественного анализа внутренней границы раздела алюминий - полиимид контактных слоёв ГИС методом ОХ и изучен её элементный состав. Показано, что основные загрязняющие примеси ,

N8, 5, С1, К, Са, Т1 скапливаются на границе раздела алюминий полиимид.

4. Для повышения надёжности ТП диффузионного легирования КСДИ фосфором разработана.количественная методика его контроля, включающая создание упрощенного образца сравнения в виде модельной трёхслойной пластины КСДИ и разработанный способ количестве! ного ОЭС-аналяза.

5. С помощью разработанного способа количественного 0ЭС-ан£ лиза установлено, что причиной низкой адгезионной прочности метг лических контактов к телу датчика Холла "из 1пАз является окислен его поверхности при ТО. Показано, что одной из причин окисления является гаь;ма-облучение неоднородней механически-полированной п верхности 1пА5. Выданы рекомендации - использовать б качестве тр вителя состав ННОд-.НР'.^ЗО^Б: 1:1 для изготовления датчиков Холл Это позволило оптимизировать технологию его изготовления и на 20 повысить выход годных изделий.

6. На основании проведенного анализа состава поверхности алюминиевых контактных площадок ГИС с использованием методики локального плазмохимического подхода к границам раздела даны рекомендации технологам по уменьшению на поверхности этих площадок зг грязнящих примесей с помощью дополнительной обработки в плазме азота.

Список публикаций по теме диссертации

1. Пэнский Н.В., ТроневаМ.А., Огурцов Г.И., Анциферов Д.Н. Пархоменко Ю.Н. Оптимизация пропэсса плазмохимического травления лолиимидной плёнки с помощью методов РФЭС и ЭОС. В кн. Тезисы док ладов IX Всесоюзной конференции по рентгеноспектральньм исследова ниям и их применению. Устинов. 1965 г. С. 277 - 278.

2. Пэнский Н.В., Прохоцкий Ю.М., Тренева М.А., Огурцов Г.И. Кукушкина Е.А. Исследование процесса плазмохимического травления полиимидной плёнки методом электронной спектроскопии для химического анализа. В сб. Некоторые вопросы надёжности и устойчивости полупроводниковых материалов и структур к воздействиям внешних дестабилизирующих факторов. Изд. ДГУ им. В.К.Ленина. Душанбе. 198( г. С. 127 - 132.

3. Пенский Н.В., Прохоцкий Ю.М., Трокева М.А., Цыганков В.А, Исследование качества подготовки к пайке датчиков Холла из арсени; индия методом электронной оже-спектроскопии. Там же. С. 18 - 22.

4. Ленский Н.В., Прохоцкий Ю.М., Тронева М.А.,. Филиппова З.В. 1спользование комплекса методов анализа поверхности твёрдых тел

1ля пооперационного контроля и оптимизации технологических процессов изготовления элементов радиоэлектронной аппаратуры. Там же. 152 - 158.

5. Пенский Н.В., Тронева М.А., Пархоменко Ю.Н., Симонова Е.К. 1зучение влияния различных видов отмывки на.полярные грани моно-гристаллов арсенида индия с помощью современных методов анализа юверхности. В сб. Электронная техника. Сер. Материалы. №6. 1987 i. :. 52 - 54.

6. Пенский Н.В., Тронева М.А., Цыганков В.А. Исследование шкоторых особенностей поверхности монокристаллов арсенида индия юсле различных физико-химических обработок. Там же. С. 59 - 62.

7. Тронева М.А., Пенский Н.В. Локальный анализ внутренних ■раниц раздела в интегральных микросхемах методом ЭОС с предвари-'ельным плазменным травлением. Заводская лаборатория. Том. 58. № 6. !992 г. С. 71 - 72.

8. Тронева М.А., Пенский Н.В. Количественный анализ интеграль-гых микросхем методом ЭОС с коррекцией на атомную плотность. Журнал .налитической химии. Том. 47. № 6. 1992 г. С. 43 - 49*.

-ак.^61