Электронно-зондовая микротомография полупроводниковых объектов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

110 3 ' . :

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ СССР

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА, ФИЭЧЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи.

ЛИХАРЕВ Сергей Константинович

ЭЛЕКТРОННО-ЗОНДОВАЯ МИКРОТОМОГРАФИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ОБЪЕКТОВ.

Специальность 01.04.04 - физическая электроника.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата фиэнко-иатематических наук.

Москва - 199 0г.

) ■

/

% л "

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОПАНИЮ СССР

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М В ЛОМОНОСОВА, ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи'

ЛИХАРЕВ Сергей Константинович

ЭЛЕКТРОННО-ЭОНДОВЛЯ МИКРОТОМОГРАФИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ОБЪЕКТОВ.

Специальность 01 04 04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-иатеыатических наук

Москва - I 9 90г

Работа выполнена на физического факультета МГУ

кафедре физической электроники

. Научные руководители- доктор физико-математических наук,

профессор A.A. Рухадзе, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Э.И. Pay.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор H.H. Седов, кандидат физико-математических наук, ст. н. с. A.A. Тимонов.

Ведущая организация: Институт проблем технологии

микроэлектроники и особочистых материалов АН СССР.

Защита диссертации состоится ьу ^г. в/С^часов на

седании Специализированного совета К.053.05.22 по адресу: 117234, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ауд. N

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан ^^^ 199 ^г

Ученый секретарь Специализиованного совета К.053.05 2'.', ст. н. с.

(С.Ю. Галузо)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В последнее время вей большее значение для развития элементной базы микроэлектроники приобретает разработка методов неразрушающея диагностики и контроля на всех этапах технологической цепочки: коь.^оль исходных материалов, полуфабрикатов а готовых изделия, а также анализ отказов, возникающих з процессе эксплуатации. Незаменимую роль в данной области играют различные микрозонцовые методы, позволяющие визуализиропать заутреннее строение исследуемого объекта. Их можно разделить по типам зондирования на активные и пассивные: при пассивном зондировании регистрируется картина некоторых физических полей, уже существующих в объекте и нэ нарушаемых присутствием зонда, а при активном - зонд сам дыЗывает в объекте некоторые процессы, кстсрме несут необходимую информацию. В настоящее время получили наибольшее распространение следующие классы микрозондових методов:

а) мь 1-однкн, в основном, пассивного типа, использующие в качестве зондов механически? острия (например, тунельная или ёмкостная микроскопии),

б) пассивное ультразвуковое зондирование,

в) различные способы активного и пассивного оптического или лазерного зондирования,

г) активные электронно-зондозые методы, большинство из которых реализовано з приборах типа растрового электронного'! микроскопа (РЭМ). В настоящее' время, однако, сложилась ситуация, при которой аппаратные возможности многих из этих методов, т.е. возможности получения информации о внугрен.зя структуре объектов, значительно отстали от возможностей адекватной интерпретации этой информации. В основном это езязано с тем, что, во-первых, для мсогих методов, сио-

собных давать ценную информацию о подповерхностной строении, в настоящее время не построено более или менее точных моделей формирования сигналов, а во-вторых, при регистрации используемых сигналов информация о внутренней структуре усредняется по некоторому пространственному многообразию внутри исследуемого объекта, определяемому характерными размерами области взаимодействия зонда с объектом. В результате '»того достаточно точно интерпретируются только макроне-олнородности строения исследуемого объекта, т.о. такие, характерные размеры которых много больше размеров области взаимодействия. Информация же о мнкронеоднородностях, т е. таких, размер которых много меньше области взаимодействия, поступает в весьма опосредованном виде, что крайне затрудняет их интерпретацию Кроме того, при получении двумерных изображений исследуемой структуры часто практически полностью усредняется информация о трехмерном (пространственном) строении, что приводит к невозможности "глубинной" интерпретации даже макронеоднородностей Для большинства зондоаых методов это не приносит существенных неудобств в силу достаточности изучения толь-к. макроструктур, либо наличия большого количества априорной информации об изучаемых объектах. В области же элоктронно-зондовых исследования такая ситуация начинает уже существенно тормозить развитие их возможностей в связи со веб большей необходимость^ изучения микроструктурных элементов. Поэтому возникает проблема разработки точных количественных методов днагносткки!"зТл>г облома требует гораздо более строгого подхода и включает в себя некольхо взаимосвязанных задач, решение каждой из которых определяю^«? влияет на общий результат, а именно': '

а) ^".работку количественных моделей взаимодействия электронного .»онда с образцом и вызываемых вследствие этого последующих процес

сов в присутствии макро- и микронеоднородностей;

б) точную постановку эксперимента, определяемую выводами из теории;

в) строго фиксируемый набор экспериментальных данных с непогридот венной оцифровкой и запоминанием в памяти ЭВМ;

г) построение томографических алгоритмов адекватного восстановлении внутреннего строения объекта по имеющемуся набору данных

Необходимо пояснить/ что на современном этапе под томофафжи', подразумевается вообще некоторая совокупность методов, позволяющих получать с той или иной степенью адекватности трехмерную ипформа цию о внутреннем строении исследуемого объекта в послойном виде. При. этом можно выделить два больших класса: аппаратурную и компьютер ную томографию. В аппаратурной томографии упомянутая информация получается либо с помощью чисто приборных "ухищрений" (например рентгеновская проекционная томография при относительном смещении источника и детектора, интроскопия слоистых сред в конусных пучках конфокальная микроскопия, ультразвуковое /3 -сканирование и др.), либо также с помощью некоторой дополнительной компьют ной обработки данных (подавление шумов, низкочастотная фильтрация, стандартная математическая обработка изображений и их Фурье-образон к др.) И компьютерной же томографии вычислительная обработка данных играет определяющую роль: т.е. либо существенно, принципиально повышав; адекватность информации, пространственное или плотностное разреши ние (пример: реконструкция в "фокальной плоскости" в традиционной томографии, микротомография в конусных пучках), либо вообще получение интересующей информации без вычислительных операций оказывает ся попросту невозможным (пример: медицинская и промышленная ком пьютерная томография).

Основной целью данной работы является разработка и апробация

— О —

оригинальных методов электронно-зондовой томографической (аппаратурной и компьютерной) визуализации микронеоднородностей, предназначенных для целей диагностики, контроля и исследования структурных и электрофизических свойств широкого класса полупроводниковых объектов, получаемых на различных этапах их производства.

Научная новизна данной работы состоит в физическом обосновании и реализации новых томографических методов исследования и диагностики локальных физических характеристик полупроводниковых структур, а именно:

1) Построена уточнённая модель формирования слабоконтрастного сигнала наведённого тока (НТ) в РЭМ.

2) Впервые создан алгоритм реконструкции трехмерного пространственного распределения рекомбинационных параметров в исследуемом объекте по набору НТ-изображений, получаемых при различных энергиях электронов зонда.

3) На основе уточнённой модели НТ и разработанного алгоритма практически реализозан новый метод трёхмерной диагностики: электрон-но-зондовая микротомография в НТ и продемонстрирована его работоспособность для исследования дефектов в образцах полупроводниковых материалов.

. 4) Разработан новый способ расчёта сигнала обратно отражённых электронов (ООЭ) для слабоотражающих объектов, основанный на решении кинетического уравнения Больцмана.

5) Обоснована и продемонстр11рована возможность визуализации многослойных структур, например, интегральных микросхем с помощью специальной пространственно-энергетической фильтрации потока ООЭ.

6) На основе учёта влияния микронеоднородностей построена новая модель формирования сигнала в растровом электронно-термоакустичес-

ком микроскопе (РЭТАМ), показана принципиальная возможность применимости алгоритма реконструкции коэффициента неоднородности и в случае регистрации электронно-термоакустического (ЭТА) отклика (в этом случае восстанавливается коэффициент неоднородности температуропроводности), исследованы ограничения такой применимости, а также преимущества использования ЭТА сигнала по сравнению со случаем ИТ.

Практическая ценность работы заключается в дальнейшем развитии возможностей электронно-зондовых методов при диагностике,, контроле и физических исследованиях полупроводниковых объектов за счйт корректной "расшифровки" некоторых типоз РЭМ-изображений при помощи специальных методов формирования таких изображений, а также их эффективной аппаратурной и компьютерной обработке. Предложенные методы могут сыграть большую роль в неразрушающей диагностике объектов полупроводниковой микроэлектроники, а также в исследованиях локальных электрофизических свойств приповерностных слобя твёрдотельных структур.

Основные защищаемые положения:

1) Метод реконструкции трёхмерного распределения рекомбинаци-онных параметров в слабонеоднородном полупроводниковом объекте.

2) Теория формирования сигнала ООЭ в слабоотражающем объекте, особенности и закономерности этого сигнала при пространственной и энергетической фильтрации. .

3) Метод аппаратурной послойной визуализации структуры интегральных микросхем при помощи вариации энергии электронного зонда и энергетической спекроскопии потока ООЭ.

4) Теория формирования контраста микронеоднородностей в ЮТАМ. Обоснование применимости алгоритма реконструкции для ЭТА

(-»пиала, ограничения и преимущества испольэовани ЭТА сигнала по «•равнению с сигналом ИТ для диагностики полупроводниковых объектов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и чйсуждалисъ на IV Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твёрдых тел -"ГЭМ-К!'\ (г. Звенигород, 1984 г.), на Всесоюзной конференции "Физические методы исследования поверхности и диагностика материалов и элементов вычислительной техники." (г. Кишинёв, шв г.), на Всесоюзном гоминаре "Моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах." (г. Ярославль, 1988 г.), на международной КОНфОССО "lMcct recognition and image processing for research and development of M-micomiuotors." (Япония, г. Токио, 1989 г.), на Научно-практической конференции "Разработка систем технического зрения." (г. Ижевск, 1987 г.), на iv Неосоюзной конференции по вычислительной томографии (г. Ташкент, :wa i 1, на vi Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микро-."кочни и аналитическим методам исследования твёрдых тел - "РЭМ-89" ¡г Звенигород, 1989 г.), на XIV Всесоюзной конференции по гчектронноя МИКрОСКОГПШ (Г. Суздаль, 1990 г.).

Пубикащи, Основные материалы диссертации опубликованы в p.iOorax [1 - 12}.

Структура н объем работы, Диссертация состоит из введения н четирех глав, содержит 127 страниц, в том числе 29 рисунков. Список цитированной литературы составляет 138 работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Lv нроденни лапа краткая характеристика работы и обзор содержа-по гплр.п-

И пер^й г.;.\ре дан ocnmp проблемы ра'лраОотки количественных

методов исследования внутренней-структуры микрообъектов в РЭМ. Детально разобрана общая схема формирования информационных сигналов в РЭМ. Отмечены принципиальные трудности, возникающие при ин терпретации таких сигналов и поставлена в общем виде задача диагностики внутренней структуры объектов в РЭМ, т.е. задача восстановления некоторого набора трехмерных функций, описывающих пространственное распределение физических параметров внутри объекта, по имеющимся массивам детектируемых сигналов РЭМ. Показано, что основным моментом, необходимым для-решения этой задачи, является построение точных количественных моделей формирования таких сигналов. Описаны основные результаты работ для трёх режимов растровой электронной микроскопии: наведённого тока, отражённых электронов и электронно— термоакустического. Для режимов наведённого тока и электронно— термоакустического до недавнего времени существовали только лишь качественные и полуколичественные модели формирования контраста от неоднородных объектов в этих режимах, что существенно затрудняло и затрудняет задачу интерпретации получаемых изображений. В последнее время появилось несколько более или менее точных теорий: теория Доно-лато для наведённого тока, теория Холстейна для электорняо— акустического режима и др. Тем не менее, как показано в этой главе, ло прежнему остро стоит проблема построения более точ!1ЫХ моделей формирования сигнала в присутствии мккронеоднородностей. Для режима отраженных электронов существует большое разнообразие точных численных моделей расчёта сигнала от неоднородных объектов, основанных на методе Монте-Карло, однако они практически непригодны для аналитических оценок. Поэтому представляется наиболее перспективным использовать методы расчёта, основанные на решении кинетических уравнений. В последующих главах сделана попытка так или иначе

приблизиться к решению этой проблемы.

Во второй главе изложена построенная на основе известной модели Донолато уточненная теория формирования сигнала наведённого тока в слабонеоднородном объекте с бесконечно тонким р-с переходом (или барьером Шоттки) на верхней поверхности, а также описан построенный на её основе метод компьютерной электроннозондовой микротомографии в наведённом токе, способный давать точную количественную информацию о трёхмерном распределении рекомбинационных параметров в исследуемом объекте, что позволяет исследовать структуру нарушений кристаллической решётки, таких как микротрещины, дислокации, дефекты упаковки, а также других электрически активных микронеоднородностей. Приведены данные модельных расчётов и экспериментальные результаты, полученные на реальных образцах. Модельные расчёты использовались для проверки устойчивости алгоритма к внешним помехам (шумы и пр.) и некорректностям используемой модели. Эксперименты на реальных образцах проводились в двух модификациях: с реконструкцией глубинного строения и без него. В последнем случае было получено существенное (более, чем в два раза) улучшение планарного разрешения. В случае же реконструкции глубинного строения, помимо улучшения пространственного разрешения, было получено глубинное разрешение порядка 2 мкм. На основе этих результатов сделан вывод, что этот метод, по-видимому, обладает хорошими перспективами на этапе контроля исходных материалов и полуфабрикатов.

В третьей главе рассматриваются проблемы диагностики готовых изделий микроэлектроники в режиме ООЭ Приводится разработанная оригинальная "тр^хпогоксьая' теория Формирования сигнала ООЭ в сла-боотражаюшем объекте в присутствии глубинных микронеоднороднос-

тей, основанная на решении кинетического уравнения Больцмана. Эта теория позволяет объяснить некоторые известные экспериментальные факты, до на стоящего времени ив находившие теоретического объяснения, такие, как, например, инверсия контраста приповерхностных слоёв при росте ускоряющего напряжения или аномально высокое разрешение глубоколежащих сгобв при высоких ускоряющих напряжениях. Кроме того, на основе этой теории показана возможность эффективной визуализации подповерхностных неоднородностей с помощью аппаратурной микротомографии, основанной на фнльтрациин энергетического спектра сигнала ООЭ, осуществляемой с помощью соответствующих энергсаналнзаторов. П серии таких экспериментов на тестовых образцах (интегральнальных микросхемах) получено глубинное разрешение порядка 2 мкм. Ожидается, что применение к данному режиму методов компьютерной томографии даст ещё болео существент ные результаты.

В четвёртой главе списан усовершенствованный метод растровой, электронной электорнно-а:;устическоя микроскопии (ЮТАМ), обладающий близкими к методу НТ возможностями диагностики исходных материалов и полуфабрикатов. Для этой методики построена количественная теория формирования сигнала, аналогичная тосрнн НТ. Основные вызоды этой теории подтверждены экспериментально. Показано, что алгоритм реконструкции внутренней структуры объекта, разработанный для режима ИТ может быть, в принципе, применён и для ЭТА режима, причем а некоторых случаях ЭТА режим обладает большей гибкостью,' чем режим НТ. Для подтверждения последнего факта проведёпы модельные эксперименты. •

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1) Построена уточнённая модель формирования слабоконтрастного сигнала ИТ в РЭМ при произвольной конфигурации слабых микронеод-нородностей в распределении рекомбииацнонных параметров. Создан алгоритм реконструкции трехмерного пространственного распределения коэффициента неоднородности времени жизни в исследуемом объекте по набору НТ-изображений, получаемых при различных энергиях электронов зонда.

2) На основе уточненной модели Н'Г и разработанного алгортитма впервые {фактически реализован новый метод трёхмерной диагностики: электронно-зондовая микротомография в НТ и продемонстрирована его работоспособность для исследования структурных дефектов в полупроводниковых объектах.

3) Разработан новый способ расчёта сигнала ООЭ' для слабоотражающнх объектов, основанный на решении стационарного уравнения Больцмана в трёхпотоковом приближении, позволяющий объяснить некоторые экспериментальные факты; не находившие ранее удоволетворительной теоретической трактовки.

4)/На. основе трбхпотокового приближения' обоснована и продемонстрирована« возможность эффективной визуализации' многослойных структур при специальной пространственнон-энергетической фильтрации потока-ООЭ.

5) На основе учёта предположения о преимущественном возбуждении изгибных волн в объекте пластинчатого типа построена новая термодиффузионная модель формирования ЭТА сигнала, учитывающая присутствие микронеоднородностей в термоупругих параметрах.

6) Показана принципиальная возможность применимости

разр&ботаккого алгоритма рбконструкщш н в случав регистрации ЭТА сигнала, исследованы особенности работы алгоритма в этом случае.

Основные результаты диссертации приведены в следующих работах:

1. Лихарев С. К., Трифсненков В.П. Электроинозондоваи ыикротомография полупроводников с регистрацией наведенного тока. -Тезисы докладов II Всесоюзного -совещания "Моделирование физических процессов в полупроводниках н полупроводниковых приборах", ЯрОСЛаВЛЬ, 1988, с. 97

2. Bondarenko I.E., Likh&iev S.К., Rau E.I., Yakimov E B. Microtomography of individua] dislocation» in the EBIC modaf- Proceedings of the III International Congres» "Defect Recognition and Image Processing for Research and Development of Semiconductor!", Tokyo, Japan, 1989, T. Ill, С. Ш-5

3. Лихарев C.K., Pay Э.И. Электронио-зондовая микротомографня с регистрацией наведенного тока н электронноакустнчесхого отклика. -Тезисы докладов VI Всесоюзного симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел "РЭМ--89", Звенигород, 1Р39, с. 100

4. Лихарев С.К., Pay Э.И., Трнфоненков В.П., Ягола Л.Г. Электронна зокдозая мккротомография полупроводниковых структур в режиме паве денного тока. - Доклады Академии Наук СССР, 1989, т. 307, N 4, с. 840-в45

5. liondiiento I.E., I.itharev S.К , îlau El., Yakimov Е,ВЬ Microtomogrípliy i,f semiconductor crysiilî i» the ERIC mode. - Journd of Cryital Growth (North-Holland), iS90,T. 103,С 197-199

« Аристов В В.. ДремоваН.Н., Лихарев С.К , РауЗ.Н. Визуализация подповерхностных неоднородкостей методами томографии в растровом электронном микроскопе - Тезисы докладов XIV Всесоюзной конференции по электронной микроскопии, Суздаль, 1990, с. 183

7. Гостев A.B., Лихарев С.К., РауЭ.И., Савин Д.О., Сасов А.Ю., Соколан С В., Спивак Г.Е. Эксперименты по реконструктивной вычислительной томографии в РЭМ. - Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим'методам исследования твердых тел "РЭМ-&Г, Звенигород (Изд. ИК АН СССР), 19S4, с. 38

8. Гончарский A.B., Леоног, В.Б., Лихарев С.К., Pay Э.И., Савин Д.О., Спивак Г.В. Микротомография объектов в растровой электронной микроскопии. - Известия Академии Наук СССР, серия физическая, 1987, т. 51, N 3, С. 480-483 .

у. Бочикашвили П.Н., Лихарев С.К., РауЭ.И., Саыш ДО., Ясько A.B. Неразрушающно комплексные методы контроля изделий микроэлектроники. - Тезисы докладов научно-практической конференции "Разрабо'' ка систем технического зрения и их применения в промышленности", Ижевск, 1988, с. "3

10. Бочикашвилк Л.Н., Лихарев С.К., Никитин А.Ю., РауЭ.И., Тркфоненков В.П. Микротомография материалов и приборов микроэлектроники. - Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии, Ташкент, 1089, т. I, с. 1-150

н. Аристов В.В., Дремова H.H., ЛихарезС.К., РауЭ.И. Физические основы трехмерного неразрушающего метода исследования многослойных структур в отраженных элек-.ронах РЭМ. - Электронная промышленность, 1S90, N 2, J. 26-28

12. Лихарев С.К., РауЭ.И. Перспективы развития

электронно-зондовай термоакустической микротсЗмографин. - Известия Академии Наук СССР, серия физическая! 19S0, т. 54, N 2, с. 255-258