Исследование электрофизических и морфологических свойств и поверхностных явлений в гетерогенных твердотельных наноразмерных системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ
|
Тагаченков, Александр Михайлович
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2010
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.07
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
004613375
На правах рукописи
ТАГАЧЕНКОВ Александр Михайлович
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И МОРФОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ГЕТЕРОГЕННЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМАХ
Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния
1 8 НОЯ 2010
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва-2010
004613375
Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
Научный руководитель
доктор физико-математических наук, профессор Илюшин Александр Сергеевич
Официальные
ты:
оппонен- доктор физико-математических наук, профессор Панов Владимир Иванович
Ведущая организация
кандидат физико-математических наук Валиев Хаммат Хафизович
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)"
Защита состоится " 2010 года в часов на заседании диссерта-
ционного совета Д 501.002.01 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.
Автореферат разослан "¿2' ¿¿игс&М-'2010 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д.501.002.01, кандидат физико-математических наук Лаптинская Т.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Современный этап развития физики конденсированных сред характеризуется устойчивым ускорением в проведении фундаментальных и прикладных исследований свойств гетерогенных твердотельных наносистем, наноматериалов и сложных объектов различного назначения, созданных на их основе.
Характерные размеры элементарных объектов и областей их взаимодействия присущие внутреннему строению наноразмерных систем находятся в диапазоне ~ 1-М 00 нм, поэтому применение большинства хорошо известных физических методов исследований оказываются малопригодными. Последнее обстоятельство приводит к необходимости создания принципиально новых и адаптации существующих экспериментальных методов изучения физических явлений.
Среди разнообразных и многоплановых проблем создания и аналитической диагностики современных наноматериалов и наноустройств на основе кремния особое место занимают физико-химические аспекты изучения объектов современной микроэлектроники. К таковым относятся сверхбольшие интегральные схемы, являющиеся на сегодня основой большинства информационных систем. В связи с этим возрастают требования как к технологическому оборудованию и способам интегрально-группового производства сверхбольших интегральных схем с наноразмерными проектными нормами, так и к методам контроля изделий на стадии разработки, проведения испытаний на надежность, а в ряде случаев и на оценке степени обеспечения информационной безопасности. Это связано не только со сверхмалыми геометрическими параметрами базовых активных элементов, но и с конструктивной сложностью изделий наноэлектроники, представляющих собой многослойные наноразмерные гетерогенные твердотельные системы, использующие, как правило, низкие рабочие напряжения, высокие частоты функционирования при чрезвычайно высокой «чувствительности» к процессу измерений параметров.
Особое место в структуре сверхбольших интегральных микросхем занимают микросхемы памяти, реализованные по «металл-оксид-полупроводник» технологии и широко применяющиеся в системах телеметрического контроля объектов космического, воздушного, морского и наземного базирования как гражданского, так и специального назначения. В случае разрушающих воздействий внешней среды (механические нагрузки, ионизирующее излучение, высокие температуры, химически агрессивные среды) единственным носителем информации об особенностях функционирования в экстремальных уело-
виях всего комплекса исполнительных систем объекта служат микросхемы памяти. При этом нарушение внутрикристальных коммутационных связей между отдельными функциональными областями исключает непосредственное электрическое тестирование данных устройств существующими штатными средствами. Однако особенности физической реализации элементарных ячеек памяти позволяют с определенной вероятностью хранить записанную в них информацию в двоичном представлении. В связи с этим актуальной становится разработка технических средств, технологических процессов и соответствующих методов неразрушающей и разрушающей диагностики кристаллов микросхем памяти с целью анализа физического состояния ячеек памяти.
Исходя из ранее указанных особенностей объектов исследований, настоящая работа направлена на создание комплекса аппаратных средств и высокоразрешающих методов диагностики электрофизических и морфологических свойств интегральных микросхем, основанных на применении остросфокусированного (~ 7 нм) ионного зонда и сканирующей зондовой микроскопии. Ионно-зондовые методы обеспечивают наноразмерное, прецизионное избирательное (при использовании ионно-стимулированных химических реакций) препарирование гетерогенных твердотельных объектов, в то время как атомно-зондовые методы с большим пространственным разрешением дают возможность не только наблюдать объект, но и осуществлять бесконтактным неразрушающим способом количественный контроль электрофизических и электрических параметров сверхбольших интегральных микросхем.
Несмотря на то, что современные сканирующие зондовые микроскопы оснащены достаточно большим набором измерительных режимов, их практическое применение выявило ряд недостатков, ограничивающих возможности их эффективного использования для решения поставленной задачи. Большинство методик применяется только на «идеальных» со структурно-морфологической точки зрения образцах. Предоставляемая информация часто трудно интерпретируема из-за зависимости результатов сразу от нескольких свойств образца. Вследствие чего потребовалось создание тестовых образцов с известными физическими свойствами и проведение комплекса измерений, что позволило осуществить калибровку аппаратных средств и с высокой достоверностью интерпретировать результаты исследований.
В данной работе в качестве объектов исследований были выбраны современные серийные образцы интегральных микросхем широко применяемых в информационных системах.
Цель работы
Целью диссертационной работы являлась разработка физико-технологических основ комплекса аппаратных средств и высокоразрешающих методов диагностики электрофизических и морфологических свойств интегральных микросхем, изготовленных по субмикронным и наноразмерным проектным нормам, основанных на применении остросфо-кусированного (~ 7 нм) ионного зонда и сканирующей зондовой микроскопии.
В соответствии с указанной целью в работе решались следующие задачи:
1. Проведение комплексных исследований по разработке методов нано-размерного ионно-зондового препарирования кристаллов кремниевых интегральных микросхем, основанных на сверхлокальных процессах:
- ионного распыления материалов под действием остросфокусированного ионного пучка при высоких ускоряющих напряжениях;
- избирательного травления и осаждения материалов с использованием активации остросфокусированным ионным пучком газовых реагентов, т.е. с помощью ионно-стимулированных химических реакций.
2. Разработка методов сверхлокального контроля распределения электрически активных примесей в субмикронных и наноразмерных полупроводниковых областях кристаллов интегральных микросхем, основанных на сочетании процессов локального ионно-зондового препарирования и атомно-зондовых измерений концентрации электрически активных примесей.
3. Разработка неразрушающих (верхняя сторона кристалла) и разрушающих (обратная сторона кристалла) методов сверхлокального контроля электрического потенциала функциональных областей (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства) кристаллов интегральных микросхем, основанных на проведении электрических измерений с помощью сканирующего зондового микроскопа в электростатической моде и в режиме зонда Кельвина.
Научная новизна
Предложен комплекс взаимно коррелированных сверхлокальных физико-технологических методов и аппаратных средств, основанных на применении остросфокусированного (~ 7 нм) ионного и атомного силового зондов для решения задач препарирования и тестирования кристаллов сверхбольших интегральных микросхем с целью кон-
троля их морфологических, электрофизических и электрических параметров при проведении работ, связанных с обеспечением надежности, информационной безопасности, восстановления телеметрической информации «черных ящиков» в условиях перехода к элементной базе с субмикронными и наноразмерными проектными нормами, включая:
- сверлокальное (разрешение не хуже 50 нм) ионно-лучевое и ионно-стимулированное химическое травление кремния, поликристаллического кремния, диоксида и нитрида кремния, нитридов тугоплавких металлов и металлических композиций;
сверлокальное (разрешение не хуже 50 нм) ионно-стимулированное химическое осаждение диэлектрических и металлических материалов на кремниевую подложку;
- сверхлокальный (разрешение не хуже 10 нм) контроль распределения электрически активных примесей (в диапазоне см ) в субмикронных и наноразмер-ных полупроводниковых областях кристаллов интегральных микросхем;
- сверхлокальный (до 10 нм) контроль распределения электрического потенциала (чувствительность не хуже 100 мВ) на поверхности функциональных областей кристаллов интегральных микросхем, в том числе, при сохранении ее работоспособности.
Научная и практическая ценность
1. Предложена и реализована методика прецизионного локального препарирования сверхбольших интегральных микросхем с помощью остросфокусированного ионного пучка, включающая рекомендации по обеспечению сверхлокальности и избирательности травления отдельных материалов в составе многослойной композиции (до 9 слоев коммутации).
2. Предложен и реализован метод контроля распределения электрически активных примесей в субмикронных и наноразмерных структурообразующих полупроводниковых областях сверхбольших интегральных микросхем в диапазоне концентрации 10|5-10'9 см"3 с пространственным разрешением не хуже 10 нм, основанный на нетрадиционной методике:
- создания сверхлокального косого шлифа ионно-лучевым травлением кристалла под малым углом к поверхности;
- применения атомно-зондового сканирования во вскрытой области по глубине в режиме емкостной моды.
3. Предложены и реализованы методики сверхлокального контроля электрического потенциала в функциональных областях (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства) кристаллов сверхбольших
интегральных микросхем с помощью сканирующего зондового микроскопа в электростатической моде или при использовании метода зонда Кельвина с пространственным разрешением до 10 нм и чувствительностью не хуже 100 мВ, в том числе:
- через защитные изолирующие диэлектрические слои без препарирования и нарушения функционирования кристаллов (верхняя сторона);
- через тонкий окисел, вскрытый локальным селективньм травлением подложек кремния.
4. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ.
Основные положения, вынесенные на защиту
1. Предложена и реализована методика прецизионного препарирования гетерогенных твердотельных наноразмерных систем (сверхбольших интегральных микросхем) с помощью остросфокусированного ионного пучка и ионно-стимулированных химических реакций, обеспечивающих сверхлокальность, избирательность травления и осаждения отдельных материалов в составе многослойной композиции структурообразующих слоев.
2. Показано, что для контроля распределения электрически активных примесей в субмикронных и наноразмерных структурообразующих полупроводниковых областях сверхбольших интегральных микросхем эффективной является методика, основанная на сочетании процессов создания локального косого шлифа под малым углом к поверхности кристалла остросфокусированным ионным пучком и последующего атомно-зондового сканирования вскрытой вглубь кристалла области в режиме емкостной моды.
3. Экспериментально установлено, что для обеспечения локального контроля электрического потенциала в функциональных полупроводниковых областях (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства) кристаллов сверхбольших интегральных микросхем эффективна методика, основанная на проведении электрических измерений с помощью сканирующего зондового микроскопа в электростатической моде или при использовании метода зонда Кельвина.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и симпозиумах:
III Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», 14-19 сентября 2003 г., Кисловодск. Ставрополь: СевКавГТУ, Ежегодный научно- технический семинар «Вакуумная техника и технология», 1-3 июня 2004, Санкт-Петербург, IV Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», 19-24 сентября 2004 г., г. Кисловодск, IX международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники», Дивноморское, Россия, 12-17 сентября 2004 г., IX международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники», Дивно-морское, Россия, 12-17 сентября 2004.
Публикации
Основные результаты работы опубликованы в 9 печатных работах: 4 статьях и 5 тезисах докладовна международных и всероссийских конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 76 наименований. Основная часть работы изложена на 121 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 85 рисунков и 7 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, а также положения, выносимые на защиту.
Первая глава содержит обзор литературы по теме диссертационной работы. Представлены и проанализированы основные тенденции развития современных информационных технологий, определяемых динамикой разработки микро- и нано-размерной электронной элементной базы для:
- сверхвысокоскоростных процессорных систем;
сверхбольшой информационно-безопасной высоконадежной памяти.
Приведены результаты обобщенного анализа основных конструкторско-топологических решений, применяемых при создании современной элементной базы микро- и наноэлектроники.
Проанализировано современное состояние совокупности основных физико-технологических методов и аппаратно-программных средств контроля электрофизических и морфологических свойств элементной базы отечественной и зарубежной электроники на надежность и информационную безопасность. Определяются перспективные направления исследований для создания методик эффективного функционального контроля субмикронных и наноразмерных сверхбольших интегральных микросхем в рамках следующих критериев:
- высокое пространственное разрешение;
«дистанционный» бесконтактный неразрушающий характер измерений;
- проведение контроля непосредственно на кристалле в режиме «in situ» при использовании реальных рабочих режимов функционирования.
Во второй главе излагаются вопросы разработки методов сверхпрецизионного локального избирательно-селективного препарирования кристаллов сверхбольших интегральных схем на основе ионно-лучевых технологий, включая:
- сверлокальное (разрешение не хуже 50 нм) ионно-лучевое и ионно-стимулированное химическое травление кремния, поликристаллического кремния, диоксида и нитрида кремния, нитридов тугоплавких металлов и металлических композиций;
- сверлокальное (разрешение не хуже 50 нм) ионно-стимулированное химическое осаждение диэлектрических и металлических материалов на кремниевую подложку.
Приводятся краткое описание и основные характеристики аппаратно-программного комплекса электронно-ионного сканирующего микроскопа Nova 600 Nano Lab (рис.1), предназначенного для исследования внутреннего строения объектов на микро- и нано-уровнях, создания стерео изображения образцов в реальном масштабе времени без дополнительной программной обработки.
Рис. 1. Электронно-ионный сканирующий микроскоп Nova 600 NanoLab.
Отличительной особенностью комплекса является совместное использование сверхпрецизионных остро-сфокусированных электронного и ионного лучей. Это позволя-
ет совмещать операции по модификации свойств кристаллов СБИС ионным лучом с выполнением анализа и контроля технологического процесса электронным лучом.
Экспериментально реализованы процессы препарирования сверхбольших интегральных схем в металлокерамических и пластмассовых корпусах. Разработаны технологические маршруты процессов, включающие следующие операции:
- механическая (металлокерамический) или жидкостная (пластмассовый) де-капсуляция корпусов интегральных микросхем;
прецизионное ионно-лучевое или (и) стимулированное ионньм пучком избирательное травление для получения поперечных сечений или косых шлифов в локальных областях полупроводниковой структуры кристаллов;
- прецизионное ионно-лучевое или (и) стимулированное ионным пучком избирательное травление для получения мембран (30-400 нм) в локальных областях полупроводниковой структуры кристалла для «тонкого» структурного анализа методом сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии;
прецизионное ионно-стимулированное химическое осаждение диэлектрических и металлических материалов для создания диагностических контактов с высоким ас-пектным отношением (~ 4) в локальных областях полупроводниковой структуры кристаллов;
- вертикальное жидкостное селективное травление обратной стороны кремниевой подложки до «стоп-слоя», функцию которого в структурах выполняет слой изолирующего диэлектрика;
- прецизионное ионно-стимулированное химическое осаждение диэлектрических и металлических материалов для создания тестовых структур, предназначенных для калибровки (оценка чувствительности и латерального разрешения) микроскопии электростатических сил и метода зонда Кельвина.
Для демонстрации эффективности разработанных методов представлены результаты:
- препарирования кристаллов сверхбольших интегральных схем ионным пучком с созданием кросс-секции ячейки энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти, сделанной вдоль разрядной и словарной шин (рис. 2),
локального косого шлифа в области формирования полупроводниковой структуры транзисторов с р и п - типами проводимости (рис. 3),
- мембраны (ЗО-НОО нм) в локальной области полупроводниковой структуры кристалла для «тонкого» структурного и вещественного анализа методом сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии (рис. 4).
Рис. 2. Изображение кросс-секции ячейки энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти, сделанной вдоль разрядной и словарной шин.
а) разрядные шины;
б) поликремниевые плавающие затворы;
в) поликремниевый затвор транзистора выборки;
г) тонкий туннельный диэлектрик;
д) управляющие поликремниевые затворы.
Рис. 3. Изображение локального косого шлифа в области формирования полупроводниковой структуры транзисторов с р и п - типами проводимости.
а) тестовый шаблон травления клинообразного углубления на структуре кристалла интегральной микросхемы;
б) изображение поверхности интегральной микросхемы со сформированной топологической структурой (сканирующий электронный микроскоп).
а) б) в) г) д) е)
I Рис. 4. Изображение мембраны (30+100 нм) в локальной области полупроводнико-
вой структуры кристалла для «тонкого» структурного и вещественного анализа методом сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии. I а) мембрана;
I б) поверхностное распределение технологического слоя платины (Р1:);
I в) распределение алюминия (А1) в коммутационных слоях;
' г) распределение титана ("П) в коммутационных слоях;
1 д) распределение кислорода (Ог) в диэлектрических слоях;
I ,|
11 г
е) распределение кремния (Э!) в диэлектрических слоях.
В третьей главе представлены результаты разработки методов сверхлокального атомно-зондового контроля важнейших электрофизических и электрических параметров сверхбольших интегральных схем:
- концентрации электрически активных примесей в субмикронных и нанораз-мерных полупроводниковых областях;
- электрического потенциала на поверхности кристалла-чипа, определяемого через защитные или изолирующие диэлектрические слои без нарушения работоспособности схемы.
В основу разрабатываемого атомно-зондового контроля кристаллов интегральных микросхем положена сканирующая зондовая микроскопия в режимах емкостной и электростатических мод, а также метод зонда Кельвина.
На рис. 5 приведена обобщенная схема электрического взаимодействия зонда с поверхностью образца.
Рис. 5. Обобщенная схема электрического взаимодействия зонда с поверхностью образца.
Z-кoмпoнeнтa электрической силы взаимодействия зонда и поверхности образца
равна
Г. = -■
т
1 г/2 дС — х и х—
32 2 дг
Подстановка суммарного напряжения [/= (Уо-у(х,у))+и1зт(ш1) показывает, что результирующая сила ^-- будет иметь три компоненты: одну постоянную во времени и две переменные с частотами со и 2 со.
Постоянная компонента электростатической силы равна:
(С/0-ф,у))2
гс < —
аг
Переменные компоненты имеют вид:
^ (ш) = - (р{х,у)) х и, 5т(«)]х —
Детектирование амплитуды колебаний кантилевера на частоте позволяет исследовать распределение вдоль поверхности величины ^г - производной от емкости по координате т. (емкостная микроскопия).
Детектирование сигнала на частоте со позволяет изучать распределение поверхностного потенциала ср(х,у) (метод зонда Кельвина). Для этого при сканировании образца в каждой точке производится следующая процедура. С помощью перестраиваемого источника постоянного напряжения подбирается величина и<> таким образом, чтобы амплитуда колебаний зонда на частоте ш становилась равной нулю. Это происходит в том случае, когда ио=ф(х,у). Величина регистрируемого напряжения Ио пропорциональна контактной разницы потенциалов между зондом и поверхностью образца.
Учитывая ограниченные возможности по локальности определения концентрации электрически активных примесей в полупроводниковых областях при использовании традиционных методов СУ измерений, основанных на использовании жидкометаллических зондов или формирования нанесением металла барьеров Шоттки, в работе было предложено исследовать возможности для решения данной задачи сканирующей зондовой микроскопии в режиме емкостной моды. Особенностью разрабатываемого метода измерений применительно к реальным гетерогенным твердотельным объектам является то, что данный метод должен обеспечивать:
- количественные измерения концентрации электрически активных доноров и акцепторов в диапазоне концентраций не хуже 10|5-Ч019 см"3;
- пространственное разрешение при контроле распределения примесей не хуже десяти нанометров;
- реализацию процесса контроля примесей не только по поверхности полупроводникового кристалла, но и вглубь образца, учитывая многослойный характер современных полупроводниковых структур.
Отработка процессов измерений осуществлялась на эталонных образцах пир- типами проводимости с варьированием концентрации электрически активных примесей от 51014 до 2'1019 см'3 (81 - подложки, - эпитаксиальные и диффузионные структуры).
В рамках предложенной емкостной модели в системе «зонд-поверхность образца» предварительно с помощью экспериментальных исследований были получены градуиро-вочные зависимости, позволяющие установить связь (при наблюдении объектов в емкостной моде сканирующего зондового микроскопа) между силой, положением кантилевера, выраженного в виде тока регистрируемого детектирующей системой микроскопа и приповерхностной емкостью, которая отражает концентрацию электрически активных примесей.
С учетом реально имеющихся эталонных образцов и возможностей бесконтактного режима работы сканирующего зондового микроскопа, определяемых диапазоном достижимых амплитуд колебаний зонда над поверхностью, устойчивый диапазон регистрации электрически активных примесей в данной работе был определен в интервале от 1015 до 1019 см"3, что не исключает возможность его расширения как в область малых, так и больших концентраций. Вопросы применения данной методики сверхлокального наноразмер-ного контроля важнейших электрофизических параметров полупроводниковых материалов в составе реальных интегральных микросхем, рассмотрены в четвертой главе.
Вторым разрабатываемым сверхлокальным методом контроля важнейших параметров современных и перспективных интегральных микросхем являлся метод измерения электрического потенциала на поверхности функциональных областей кристаллов. К основным требованиям, предъявляемым к данному методу относились:
высокое пространственное разрешение, соответствующее топологическим размерам отдельных конструктивно-функциональных элементов;
- приемлемая чувствительность по напряжению, позволяющая регистрировать низковольтные сигналы;
возможность наблюдения электрической топографии фрагмента поверхности кристалла достаточно больших размеров (десятки микрон) для построения карт распределения электрического потенциала;
- возможность наблюдать в режиме высокоразрешающей электрической топографии реальные объекты без нарушения функционирования.
Существующие методы локального зондового электрического тестирования, выполняемого непосредственно на теле кристалла интегральных микросхем достаточно сложны для реализации, поскольку требуют осуществления непосредственного контакта с контролируемым конструктивно-функциональным элементом. Для реализации данной операции, как правило, необходимо осуществлять препарирование кристаллов для вскрытия окон в защитных слоях и сверхвысокоточного позиционирования наноразмерного
зонда, при этом возникают неустойчивости и дополнительные погрешности в регистрации сигналов из-за вносимых измерительным зондом возмущений.
Поэтому в качестве разрабатываемого метода контроля электрического потенциала был выбран бесконтактный метод, реализуемый с помощью сканирующей зондовой микроскопии в режимах электростатической моды или метода зонда Кельвина. Принципиальным вопросом, решенным в данной работе, являлась разработка неразрушающего метода контроля электрического потенциала, который реализуется не только бесконтактным методом, но и осуществляется через защитные или изолирующие диэлектрические слои без вскрытия в них окон для контроля потенциала.
Комплекс проведенных исследований показал, что независимо от состава диэлектрических слоев (органические полимеры, диоксид и нитрид кремния), экранирующих то-копроводящих элементов (металлические, поликремниевые шины) вплоть до толщин диэлектрика в 1,5 мкм имеется возможность бесконтактного неразрушающего контроля электрического потенциала на поверхности шины с чувствительностью не хуже 100 мВ. При этом установлено наличие связи между чувствительностью метода, толщиной диэлектрика и уровнем потенциала на экранированной диэлектриком шине, значение которого соответствовало типовым напряжениям на кристалле интегральной микросхемы. Все измерения с целью построения калибровочных зависимостей проводились на специально разработанных и изготовленных тестовых структурах (Э] - Р1 - диэлектрик (ТЕОЭ)) на воздухе (рис. 6).
Рис. 6. Изображение фрагмента тестовой структуры.
Одновременно показано, что возможно проведение не только сверхлокального контроля электрического потенциала в точке, но и построение электрических топограмм фрагментов поверхности интегральных микросхем размером в десятки микрон в условиях подачи на кристалл типовых уровней сигналов. Данный метод подробно рассмотрен в следующей главе для решения задач неразрушающей регистрации информации, хранящейся в памяти полупроводниковых кристаллов интегральных микросхем.
В четвертой главе представлены практические результаты по применению разработанного комплекса ионно- и атомно-зондовых методов для решения конкретных задач,
связанных с контролем и тестированием кристаллов интегральных микросхем для определения таких параметров, как:
распределение концентрации электрически активных примесей в полупроводниковых областях кристаллов;
- построения карт распределения электрического потенциала при неразру-шающих (верхняя сторона кристалла) и разрушающих (обратная сторона кристалла) методах сверхлокального контроля функциональных областей (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства),
основанных на проведении электрических измерений с помощью сканирующего зондового микроскопа в электростатической моде и в режиме зонда Кельвина,
На рис. 7 приведены фотографии разработанного измерительного комплекса на базе сканирующего зондового микроскопа Solver Р47Н производства компании НТ-МДТ.
а) б)
Рис. 7. Фотографии разработанного измерительного комплекса на базе сканирующего зондового микроскопа Solver Р47Н производства компании НТ-МДТ.
а) фотография измерительного комплекса;
б) фотография кристалла интегральной микросхемы, расположенной на столе сканирующего зондового микроскопа.
Рассмотрен на реальных объектах ряд эффективных методических приемов, позволяющих сочетать методы препарирования и атомно-зондового тестирования кристаллов интегральных микросхем с целью получения количественных параметров анализируемых объектов без нарушения их работоспособности. Для оценки эффективности разработанной сверхлокальной наноразмерной методики определения распределения электрически активных примесей в полупроводниковых областях в качестве объекта исследований была выбрана интегральная микросхема однокристального микроконтроллера Рю16Р84а с топологической нормой 0,35 мкм на основе комплиментарных транзисторных структур. Рас-
смотрен вариант контроля электрически активных примесей на поверхности косого шлифа, создаваемого с помощью локального ионного препарирования полупроводниковых областей в глубь кристалла (рис. 8).
Рис. 8. Изображения косого шлифа полупроводниковой области однокристального микроконтроллера Р1с16Р84а, полученные методом сканирующей зондовой микроскопии.
а) режим топологии;
б) сканирующая емкостная микроскопия.
Последний вариант позволяет повысить пространственную разрешающую способность метода и получать распределение электрически активных примесей в сверхтонких приповерхностных полупроводниковых областях. Использование «косых шлифов» позволяет растянуть область сканирования в десятки раз, что обеспечивает при использовании сканирующей зондовой микроскопии в режиме емкостной моды, после калибровки системы, получение устойчивой картины распределения электрически активных примесей в канале полевого транзистора.
Для проверки эффективности процесса регистрации электрических зарядов в ячейках энергонезависимой памяти однокристальных микроконтроллеров, используемых для хранения телеметрической информации, были созданы тестовые образцы, и осуществлены исследования временного, пространственного разрешения и определения чувствительности измерений поверхностного электрического потенциала в электростатической моде и методе зонда Кельвина.
Оценка временного разрешения аппаратно-программного комплекса в режимах электростатической моды и методе зонда Кельвина осуществлялась на структуре 51/Рг. С помощью генератора импульсов на поверхность платиновой пленки подавали сигналы прямоугольной формы амплитудой 2 В с частотой от 10 Гц до 2 кГц. Для обоих режимов были получены следующие переходные характеристики (рис. 9):
б) г)
Рис. 9. Осциллограммы динамических откликов измерительной системы в электростатической моде (а, б) и методе зонда Кельвина (в,г).
а) частота f = 10 Гц;
б) частота f = 2000 Гц;
в) частота f = 10 Гц;
г) частота f = 100 Гц.
Оценку пространственного разрешения метода зонда Кельвина проводили на тестовой структуре Si/TEOS/Pt.
На поверхности Si/TEOS с помощью установки фокусированного ионного пучка Nova NanoLab 600 были сформированы Pt шины шириной 2 мкм и высотой 0,3 мкм. Расстояние между шинами менялось от 0,1 мкм до 2,0 мкм. На рис. 10 приведены изображения этой структуры, полученные в топологическом режиме и методе зонда Кельвина.
•• ■ л
г
! Ш£: и
10 15 X» 25
10 15
а)
б)
Рис. 10. Изображения структуры ЗУТЕОЭ/Р!, полученные в режимах топологии (а) и зонда Кельвина (б).
На образцах 31/ Р1 /ТЕОБ (рис. б) проводились исследования чувствительности сканирующей зондовой микроскопии при работе в электростатической моде и методе зонда Кельвина. Значения толщины диэлектрика составляли от 0,20 мкм до 1,20 мкм. На рис. 11 приведена зависимость выходного сигнала в методе зонда Кельвина (11о) от напряжения, подаваемого на образец (ивх), для различных толщин диэлектрика (1.
£0 0.8 3 0.6
3
'4еГ
хй
1 4
• г о 1 0 0
Рис. 11. Зависимость выходного сигнала МЗК моды (1_)о) от напряжения, подаваемого на образец (ивх), для различных толщин диэлектрика <1:
1 - ¿=0,20 мкм;
2 - <1=0,35 мкм
3 - (1=0,50 мкм
4 - ¿=0,70 мкм
5 - ¿=0,90 мкм
6 - (1=1,20 мкм.
Исследования возможности регистрации и идентификации физического состояния ячеек энергонезависимой памяти проводились методом зонда Кельвина на двух типах микроконтроллеров (Рю12С508а - электрически программируемая память, Р1с2 бР84а — электрически перепрограммируемая память). Наблюдение осуществлялось с удаленной верхней частью корпусов, но при сохранении верхнего защитного слоя диэлектрика. Мик-
росхемы с совокупностью питающих и сигнальных проводников непосредственно размещались на столике прибора, атомно-зондовое сканирование осуществлялось бесконтактным методом через диэлектрический слой при подаче строго контролируемых последовательностей электрических сигналов в виде нулей и единиц от задающего генератора логических сигналов. Измерения электрического потенциала Piel6F84a осуществлялись на поверхности защитно-изолирующего покрытия при 3-ех схемах подключения интегральной микросхемы:
- при подключении микроконтроллера к программатору и постоянном обращении к памяти кристалла;
при подключении микроконтроллера к источнику питания +5 В, предварительно записав информацию в кристалл с помощью программатора;
- при отключенном питании микроконтроллера, предварительно записав информацию в кристалл с помощью программатора и заземлив выводы.
На рис. 12 представлена последовательность наблюдаемых картин изменения электрических потенциалов в ячейках памяти микросхемы Picl6F84a.
\ - '1 'г гшЛ 1
Л1 Ч А ' У V ¥ У " ы л,,, (1/1 / щ ч V i V !
Рис. 12. Последовательность наблюдаемых картин изменения электрических потенциалов в ячейках памяти микросхемы Р1с16Г84а.
а), в) запись во все адреса логических 1;
б), г) запись во все адреса логических 0.
Таким образом, с учетом ранее определенной чувствительности метода к изменению электрического потенциала с высоким пространственным разрешением были построены бесконтактным методом картины распределения электрического потенциала на поверхности кристалла микроконтроллера через диэлектрические защитные слои без нарушения работоспособности схемы. Пространственная разрешающая способность метода зависит от толщины диэлектрического слоя через который осуществляется контроль.
Для оценки возможности использования разрушающих (обратная сторона кристалла) методах сверхлокального контроля функциональных областей (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства) при проведении измерений электрического потенциала были осуществлены технологические операции по прецизионному механическому (полировка) и химическому селективному (селективность 81/ 8(02 ~ 4000) удалению кремниевой подложки интегральной микросхемы Р1с12С508а.
На рис. 13 представлена последовательность наблюдаемых картин изменения электрических потенциалов в ячейках памяти микросхемы Рю12С508а,
в) г)
Рис. 13. Последовательность наблюдаемых картин изменения электрических потенциалов в ячейках памяти микросхемы Р1с12С508а.
а) топография;
б) поверхностный потенциал;
в) поверхностный потенциал по сечению расположения заряженных плавающих затворов ячеек памяти;
г) поверхностный потенциал по сечению расположения незаряженных плавающих затворов ячеек памяти.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Создан комплекс взаимно скоррелированных сверхлокальных физико-технологических методов и аппаратных средств, позволяющих осуществлять:
- сверлокальное (разрешение не хуже 50 нм) ионно-лучевое и ионно-стимулированное химическое травление кремния, поликристаллического кремния, диоксида и нитрида кремния, нитридов тугоплавких металлов и металлических композиций;
- сверлокальное (разрешение не хуже 50 нм) ионно-стимулированное химическое осаждение диэлектрических и металлических материалов на кремниевую подложку;
- сверхлокальный (разрешение не хуже 10 нм) контроль распределения электрически активных примесей (в диапазоне 1015 -И019 см"3) в субмикронных и наноразмер-ных полупроводниковых областях кристаллов интегральных микросхем;
- сверхлокальный (до 10 нм) контроль распределения электрического потенциала (чувствительность не хуже 100 мВ) на поверхности функциональных областей кристаллов интегральных микросхем, в том числе, при сохранении ее работоспособности.
2. Предложена и реализована методика прецизионного локального препарирования гетерогенных твердотельных нано-размерных систем (сверхбольших интегральных микросхем) с помощью остросфокусированного ионного пучка и ионно-стимулированных химических реакций.
3. Показано, что для обеспечения локального контроля электрического потенциала в функциональных полупроводниковых областях кристаллов сверхбольших интегральных микросхем, оптимальной является методика, основанная на проведении электрических измерений с помощью сканирующего зондового микроскопа в электростатической моде или при использовании метода зонда Кельвина.
4. С использованием комплекса разработанных прецизионных методик ионного препарирования и атомно-зондового контроля получены:
распределения концентрации электрически активных примесей в субмикронных каналах полевых транзисторов,
- распределения электрического потенциала в функциональных областях кристаллов сверхбольших интегральных микросхем как через защитные изолирующие диэлектрические слои без препарирования и нарушения функционирования
кристаллов, так и через тонкий окисел, вскрытый локальным селективным травлением подложек кремния.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах
Статьи:
1. A.M. Тагаченков Исследование логического состояния интегральных микросхем методами атомно силовой микроскопии // Вестник московского университета. Серия 3.Физика. Астрономия Х°3. 2010.С.59-61
2. Лучинин В.В. Савенко А.Ю., Тагаченков A.M. Методы микро- и наноразмерной обработки материалов и композиций// Петербургский журнал электроники. №2, 2005. -С.3-14.
3. Ю.А. Демин, В.А. Ильин, Н.М. Коровкина, В.В. Лучинин, A.B. Матузов, A.M. Тагаченков Эффективность сканирующей зондовой микрскопии./Петербургский журнал электроники. № 4. 2005. -С.31-39
4. В.В. Лучинин, А.Ю. Савенко, A.M. Тагаченков Наноразмерные ионно-лучевые экспресс-технологии//Индустрия. №2(44). 2006. -С. 42-43.
Тезисы докладов:
5. Казак-Казакевич А.З., Комиссаров С.С., Коровкина Н.И., Тагаченков A.M., Филатов Д.О. Сверхлокальный контроль электрического потенциала на поверхности гетерогенного твердого тела// III Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», 14-19 сентября 2003 г., Кисловодск. Ставрополь: СевКавГТУ, 2003. С.219-220.
6. Комплекс аппаратуры для прецизионного сверхлокального и послойного ионно-лучевого и ионно-химического препарирования сложных гетерогенных объектов. Лучинин В.В., Сазанов А.П., Савенко А.Ю., Тагаченков A.M., Шкловер В.Я.//Ежегодный научно- технический семинар «Вакуумная техника и технология», 1-3 июня 2004, Санкт-Петербург. 2с.
7. Ильин В.А., Коровкина Н.М., Лучинин В.В., Тагаченков A.M. Диагностика интегральных микросхем и элитаксиальных структур карбида кремния методом атомно-силовой микроскопии// IV Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», 19-24 сентября 2004 г., г. Кисловодск. Материалы конференции. С.204-205.
8. Демин Ю.А., Лучинин В.В., Тагаченков A.M. специализированный растровый электронный микроскоп для автоматизированного тополого-схемотехнического анализа интегральных схем // IX международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники», Дивноморское, Россия, 12-17 сентября 2004 г. Труды конференции. 4.1. С. 135-136.
9. Лучинин В.В., Сазанов А.П., Савенко А.Ю., Тагаченков A.M., Шкловер В.Я. Аппаратура для прецизионного сверхлокального и послойного ионно-лучевого и иошю-химического препарирования сложных гетерогенных объектов // IX международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники», Дивноморское, Россия, 12-17 сентября 2004 г. Труды конференций. 4.1. С.136-139.
Подписано к печати 21 .iO.jP Тираж 50 Заказ 47/0.
Отпечатано в отделе оперативкой печати физического факультета МГУ
Введение
Глава 1. Анализ современных и перспективных проблем создания и ^ диагностики гетерогенных твердотельных наносистем.
Введение.
1.1. Особенности функционирования энергонезависимых микросхем памяти.
1.2. Методы и аппаратура измерения электрического потенциала и ^ электрофизических параметров микроэлектронных структур.
1.2.1. Электронно-зондовая и ИК- эмиссионная микроскопия.
1.2.2. Контактное микрозондовое тестирование.
1.2.3. Сканирующая зондовая микроскопия.
1.2.3.1. Сканирующая туннельная микроскопия.
1.2.3.2. Электростатическая силовая микроскопия.
1.2.3.3. Микроскопия сканирования емкости.
1.2.3.4. Сканирующие зондовые микроскопы.
Глава 2. Прецизионные сканирующие ионно - лучевые технологии.
Введение.
2.1. Нанотехнологический комплекс на основе электронно-ионного 31 сканирующего микроскопа.
2.1.1. Электронно-ионный сканирующий микроскоп Nova 600 NanoLab.
2.1.2. Создание кросс-секций.
2.1.3. Высокоселективное ионно-стимулированное осаждение и травление 37 материалов с использованием газовой инжекционной системы.
2.1.3.1. Особенности использования газовой инжекционной системы.
2.1.3.2. Процесс осаждения платины (Pt).
2.1.3.3. Процесс осаждения диэлектрика (TEOS).
2.1.3.4. Процесс ускоренного травления материалов (ЕЕ).
2.1.3.5. Процесс селективного травления материалов в среде XeF2 (IEE).
2.1.3.6. Создание диагностических контактов на коммутационных ^ токопроводящих шинах.
2.1.3.7. Создание мембран в локальных областях полупроводниковой структуры ^ кристалла для «тонкого» структурного анализа методом сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии.
2.2. Технологическая подготовка интегральных микросхем для проведения ^ исследований методами атомно-силовой микроскопии.
2.2.1. Декапсуляция кристаллов интегральных микросхем для анализа с ^ верхней стороны кристалла.
2.2.1.1. Рентгеновская интроскопия корпусов интегральных микросхем.
2.2.1.2. Методика локального декапсулирования кристалла интегральной микросхемы.
2.2.2. Подготовка образцов для зондовых исследований с нижней стороны ^ кристаллов
2.2.2.1. Механическая обработка.
2.2.2.2. Селективная химическая полировка.
2.2.2.3. Химическая чистка поверхности.
Глава 3. Методы атомно-зондового контроля электрофизических и морфологических свойств гетерогенных твердотельных систем 59 (интегральные микросхемы).
3.1. Сканирующая зондовая микроскопия.
3.1.1. Контактная атомно-силовая микроскопия.
3.1.2. Колебательные методики атомно-силовой микроскопии.
3.1.3. «Полуконтактный» метод атомно-силовой микроскопии.
3.1.4. Микроскопия электростатических сил.
3.2. Взаимодействие зонда и образца при приложении напряжения.
3.3. Методики измерения электрического потенциала с помощью 72 сканирующей зондовой микроскопии.
Глава 4. Экспериментальные исследования электрофизических и морфологических свойств гетерогенных твердотельных наносистем 80 (сверхбольшие интегральные схемы).
4.1. Аппаратно-программный комплекс на базе сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) для исследований электрофизических и морфологических свойств гетерогенных твердотельных наноразмерных систем.
4.2. Экспериментальные исследования пространственного, временного разрешения и чувствительности при измерении электрического потенциала на поверхности гетерогенных твердотельных объектов.
4.2.1. Тестовые структуры.
4.2.2. Калибровка измерительной системы.
4.2.3. Оценка пространственного разрешения метода МЗК.
4.2.4. Оценка временного разрешения методов ЭСМ и МЗК.
4.2.5. Оценка чувствительности измерений электрического потенциала на поверхности гетерогенных объектов методов ЭСМ и МЗК.
4.3. Экспериментальные исследования пространственного распределения концентрации электрически активных примесей в полупроводниковых областях кристаллов.
4.4. Исследования логических состояний энергонезависимой памяти с помощью аппаратно- программного комплекса методами СЗМ.
4.4.1. Экспериментальные исследования логических состояний ячеек памяти интегральной микросхемы Рю12С508а.
4.4.2. Экспериментальные исследования логических состояний ячеек памяти 98 интегральной микросхемы Рю16Б84а.
4.4.3. Оценка возможности использования разрушающих (обратная сторона кристалла) методов сверхлокального контроля функциональных 112 областей памяти.
Выводы.
Актуальность темы.
Современный этап развития физики конденсированных сред характеризуется устойчивым ускорением в проведении фундаментальных и прикладных исследований свойств гетерогенных твердотельных наносистем, наноматериалов и сложных объектов различного назначения, созданных на их основе.
Характерные размеры элементарных объектов и областей их взаимодействия присущие внутреннему строению наноразмерных систем находятся в диапазоне ~ 1-И 00 нм, поэтому применение большинства хорошо известных физических методов исследований оказываются малопригодными. Последнее обстоятельство приводит к необходимости создания принципиально новых и адаптации существующих экспериментальных методов изучения физических явлений.
Среди разнообразных и многоплановых проблем создания и аналитической диагностики современных наноматериалов и наноустройств на основе кремния особое место занимают физико-химические аспекты изучения объектов современной микроэлектроники. К таковым относятся сверхбольшие интегральные схемы, являющиеся на сегодня основой большинства информационных систем. В связи с этим возрастают требования как к технологическому оборудованию и способам интегрально-группового производства сверхбольших интегральных схем с наноразмерными проектными нормами, так и к методам контроля изделий на стадии разработки, проведения испытаний на надежность, а в ряде случаев и на оценке степени обеспечения информационной безопасности. Это связано не только со сверхмалыми геометрическими параметрами базовых активных элементов, но и с конструктивной сложностью изделий наноэлектроники, представляющих собой многослойные наноразмерные гетерогенные твердотельные системы, использующие, как правило, низкие рабочие напряжения, высокие частоты функционирования при чрезвычайно высокой «чувствительности» к процессу измерений параметров.
Особое место в структуре сверхбольших интегральных микросхем занимают микросхемы памяти, реализованные по «металл-оксид-полупроводник» технологии и широко применяющиеся в системах телеметрического контроля объектов космического, воздушного, морского и наземного базирования как гражданского, так и специального назначения. В случае разрушающих воздействий внешней среды (механические нагрузки, ионизирующее излучение, высокие температуры, химически агрессивные среды) единственным носителем информации об особенностях функционирования в экстремальных условиях всего комплекса исполнительных систем объекта служат микросхемы памяти. При этом нарушение внутрикристальных коммутационных связей между отдельными функциональньши областями исключает непосредственное электрическое тестирование данных устройств существующими штатными средствами. Однако особенности физической реализации элементарных ячеек памяти позволяют с определенной вероятностью хранить, записанную в них информацию в двоичном представлении. В связи с этим актуальной становится разработка технических средств, технологических процессов и соответствующих методов неразрушающей и разрушающей диагностики кристаллов микросхем памяти с целью анализа физического состояния ячеек памяти.
Исходя из ранее указанных особенностей объектов исследований, настоящая работа направлена на создание комплекса аппаратных средств и высокоразрешающих методов диагностики электрофизических и морфологических свойств интегральных микросхем, основанных на применении остросфокусированпого 7 нм) ионного зонда и сканирующей зондовой микроскопии. Ионно-зондовые методы обеспечивают наноразмерное, прецизионное избирательное (при использовании ионно-стимулированных химических реакций) препарирование гетерогенных твердотельных объектов, в то время как атомно-зондовые методы с большим пространственным разрешением дают возможность не только наблюдать объект, но и осуществлять бесконтактным неразрушающим способом количественный контроль электрофизических и электрических параметров сверхбольших интегральных микросхем.
Несмотря на то, что современные сканирующие зондовые микроскопы оснащены достаточно большим набором измерительных режимов, их практическое применение выявило ряд недостатков, ограничивающих возможности их эффективного использования для решения поставленной задачи. Большинство методик применяется только на «идеальных» со структурно-морфологической точки зрения образцах. Предоставляемая информация часто трудно интерпретируема из-за зависимости результатов сразу от нескольких свойств образца. Вследствие чего потребовалось создание тестовых образцов с известными физическими свойствами и проведение комплекса измерений, что позволило осуществить калибровку аппаратных средств и с высокой достоверностью интерпретировать результаты исследований.
В данной работе в качестве объектов исследований были выбраны современные серийные образцы интегральных микросхем широко применяемых в информационных системах.
Цель работы.
Целью диссертационной работы являлась разработка физико-технологических основ комплекса аппаратных средств и высокоразрешающих методов диагностики электрофизических и морфологических свойств интегральных микросхем, изготовленных по субмикронным и наноразмерным проектным нормам, основанных на применении остросфо-кусированного (~ 7 нм) ионного зонда и сканирующей зондовой микроскопии.
В соответствии с указанной целью в работе решались следующие задачи:
1. Проведение комплексных исследований по разработке методов нано-размерного ионно-зондового препарирования кристаллов кремниевых интегральных микросхем, основанных на сверхлокальных процессах:
- ионного распыления материалов под действием остросфокусированного ионного пучка при высоких ускоряющих напряжениях;
- избирательного травления и осаждения материалов с использованием активации остросфокусированным ионным пучком газовых реагентов, т.е. с помощью ионно-стимулированных химических реакций.
2. Разработка методов сверхлокального контроля распределения электрически активных примесей в субмикронных и наноразмерных полупроводниковых областях кристаллов интегральных микросхем, основанных на сочетании процессов локального ионно-зондового препарирования и атомно-зондовых измерений концентрации электрически активных примесей.
3. Разработка неразрушающих (верхняя сторона кристалла) и разрушающих (обратная сторона кристалла) методов сверхлокального контроля электрического потенциала функциональных областей (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства) кристаллов интегральных микросхем, основанных на проведении электрических измерений с помощью сканирующего зондового микроскопа в электростатической моде и в режиме зонда Кельвина.
Научная новизна.
Предложен комплекс взаимно скоррелированных сверхлокальных физико-технологических методов и аппаратных средств, основанных на применении остросфокусированного (~ 7 нм) ионного и атомного силового зондов для решения задач препарирования и тестирования кристаллов сверхбольших интегральных микросхем с целью контроля их морфологических, электрофизических и электрических параметров при проведении работ, связанных с обеспечением надежности, информационной безопасности, восстановления телеметрической информации «черных ящиков» в условиях перехода к элементной базе с субмикронными и наноразмерными проектными нормами, включая:
- сверхлокальное (разрешение не хуже 50 нм) ионно-лучевое и ионно-стимулированное химическое травление кремния, поликристаллического кремния, диоксида и нитрида кремния, нитридов тугоплавких металлов и металлических композиций;
- сверхлокальное (разрешение не хуже 50 нм) ионно-стимулированное химическое осаждение диэлектрических и металлических материалов на кремниевую подложку;
- сверхлокальный (разрешение не хуже 10 нм) контроль распределения электрически активных примесей (в диапазоне 1015 -1019 см"3) в субмикронных и наноразмер-ных полупроводниковых областях кристаллов интегральных микросхем;
- сверхлокальный (до 10 нм) контроль распределения электрического потенциала (чувствительность не хуже 100 мВ) на поверхности функциональных областей кристаллов интегральных микросхем, в том числе, при сохранении ее работоспособности.
Научная и практическая ценность.
1. Предложена и реализована методика прецизионного локального препарирования сверхбольших интегральных микросхем с помощью остросфокусированного ионного пучка, включающая рекомендации по обеспечению сверхлокальности и избирательности травления отдельных материалов в составе многослойной композиции (до 9 слоев коммутации).
2. Предложен и реализован метод контроля распределения электрически активных примесей в субмикронных и наноразмерных структурообразующих полупроводниковых областях сверхбольших интегральных микросхем в диапазоне концентрации 1015-1019 см"3 с пространственным разрешением не хуже 10 нм, основанный на нетрадиционной методике:
- создания сверхлокального косого шлифа ионно-лучевым травлением кристалла под малым углом к поверхности;
- применения атомно-зондового сканирования во вскрытой области по глубине в режиме емкостной моды.
3. Предложены и реализованы методики сверхлокального контроля электрического потенциала в функциональных областях (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства) кристаллов сверхбольших интегральных микросхем с помощью сканирующего зондового микроскопа волектростатической моде или при использовании метода зонда Кельвина с пространственным разрешением до 10 нм и чувствительностью не хуже 100 мВ, в том числе:
- через защитные изолирующие диэлектрические слои без препарирования и нарушения функционирования кристаллов (верхняя сторона); через тонкит окисел, вскрытый локальным селективным травлением подложек кремния.
4. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ.
Основные положения, вынесенные на защиту.
1. Предложена и реализована методика прецизионного препарирования гетерогенных твердотельных наноразмерных систем (сверхбольших интегральных микросхем) с помощью остросфокусированного ионного пучка и ионно-стимулированных химических реакций, обеспечивающая сверхлокальность, избирательность травления и осаждения отдельных материалов в составе многослойной композиции структурообразующих слоев.
2. Показано, что для контроля распределения электрически активных примесей в субмикронных и наноразмерных структурообразующих полупроводниковых областях сверхбольших интегральных микросхем эффективной является методика, основанная на сочетании процессов создания локального косого шлифа под малым углом к поверхности кристалла остросфокусированным ионным пучком и последующего атомно-зондового сканирования вскрытой вглубь кристалла области в режиме емкостной моды.
3. Экспериментально установлено, что для обеспечения локального контроля электрического потенциала в функциональных полупроводниковых областях (электрически программируемые и электрически перепрограммируемые запоминающие устройства) кристаллов сверхбольших интегральных микросхем эффективна методика, основанная на проведении электрических измерений с помощью сканирующего зондового микроскопа в электростатической моде или при использовании метода зонда Кельвина
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и симпозиумах:
III Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», 14-19 сентября 2003 г., Кисловодск. Ставрополь: СевКавГТУ,
Ежегодный научно- технический семинар «Вакуумная техника и технология», 1-3 июня 2004, Санкт-Петербург, IV Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», 19-24 сентября 2004 г., г. Кисловодск, IX международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники», Дивноморское, Россия, 12-17 сентября 2004 г., IX международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники», Дивно-морское, Россия, 12-17 сентября 2004.
выводы
1. Создан комплекс взаимно скоррелированных сверхлокальных физико-технологических методов и аппаратных средств, позволяющих осуществлять:
- сверхлокальное (разрешение не хуже 50 нм) ионно-лучевое и ионно-стимулированное химическое травление кремния, поликристаллического кремния, диоксида и нитрида кремния, нитридов тугоплавких металлов и металлических композиций;
- сверхлокальное (разрешение не хуже 50 нм) ионно-стимулированное химическое осаждение диэлектрических и металлических материалов на кремниевую подложку;
- сверхлокальный (разрешение не хуже 10 нм) контроль распределения электрически активных примесей (в диапазоне 1015 -1019 см"3) в субмикронных и наноразмерных полупроводниковых областях кристаллов интегральных микросхем;
- сверхлокальный (до 10 нм) контроль распределения электрического потенциала (чувствительность не хуже 100 мВ) на поверхности функциональных областей кристаллов интегральных микросхем, в том числе, при сохранении ее работоспособности.
2. Предложена и реализована методика прецизионного локального препарирования гетерогенных твердотельных нано-размерных систем (сверхбольших интегральных микросхем) с помощью остросфокусированного ионного пучка и ионно-стимулированных химических реакций.
3. Показано, что для обеспечения локального контроля электрического потенциала в функциональных полупроводниковых областях кристаллов сверхбольших интегральных микросхем, оптимальной является методика, основанная на проведении электрических измерений с помощью сканирующего зондового микроскопа в электростатической моде или при использовании метода зонда Кельвина.
4. С использованием комплекса разработанных прецизионных методик ионного препарирования и атомно-зондового контроля получены:
- распределения концентрации электрически активных примесей в субмикронных каналах полевых транзисторов,
- распределения электрического потенциала в функциональных областях кристаллов сверхбольших интегральных микросхем как через защитные изолирующие диэлектрические слои без препарирования и нарушения функционирования кристаллов, так и через тонкий окисел, вскрытый локальным селективным травлением подложек кремния.
1. Chou S., Krauss P., Zhang W. et al. Sub-10 nm imprint lithography and applications // J. Vac. Sci. Technol. 1997. В 15(6). P. 2897-2904.
2. Carcenac F., Vieu C., Lebib A. et al. Fabrication of high density nanostructures gratings (>500 Gbit/in?) used as molds for nanoimprint lithography // Microelectronic Engineering. 2000. V. 53. P. 163-166.
3. Гурович Б.А., Долгий Д.И., Кулешова E.A., Велихов Е.П. и др. USA Patents № 6.218.278 № 6.004.726 priority 05/22/98.
4. Гурович Б.А., Долгий Д.И., Кулешова Е.А., Велихов Е.П. и др. Управляемая трансформация электрических, магнитных и оптических свойств материалов ионными пучками // Успехи физических наук. 2000. Т. 44. № 1.
5. Gurovich В, Dolgii D., Meilikhov Е., Kuleshova Е. New Technique for Producing Patterned Magnetic Media // Intermag Europe 2002 (Amsterdam, April-May, 2002). Digest FPIO.
6. Gurovich B.A., Dolgy D.I., Kuleshova E.A., Meilikhov E.Z. et al. Selective Removal of Atoms as a New Method for Fabrication of Nanoscale Patterned Media // Special issue of Microelectronic Engineering. To be published.
7. Валиев K.A., Горбацевич A.A., Кривоспицкий А.Д. и др. Способ изготовления полупроводникового прибора с Т-образным управляющим электродом субмикронной толщины. ФТИАН. Патент РФ №2192069.10.07.2000.
8. Krivospitsky A.D., Okshin A.A., Orlikovsky А.А., Semin Yu.F. Submicron structures formation with the help of usual photolithography and self-formation method // Proc. of 1PT RAS. Ed. By A.A. Orlikovsky. 2000. V. 16. P. 71-83.
9. Т. Сугано, Т. Икома, Ё. Такэиси. Введение в микроэлектронику.
10. User's manual. Reactive ion etcher Nextral 100.
11. Integrated circuit engineering corporation. ROM, EPROM, & EEPROM technology.
12. Nova 600 NanoLab Manual Set. FEI Company. 2005.
13. Bharat Bhushan, Harald Fuchs, Masahiko Tomitori (Editors) Applied Scanning Probe Methods VIII: Scanning Probe Microscopy Techniques (NanoScience and Technology), Springer; -465 pp, 2008).
14. Binning, G. Scanning tunneling microscopy: from birth to adolescence / G. Binning, H. Rohrer // Rev. Mod. Phys. 1987. V. P. 615; УФН. 1988. T. 154. C. 261.
15. Paolo Samori (Editor)Scanning Probe Microscopies Beyond Imaging: Manipulation of Molecules and Nanostructures, Wiley-VCH; 570 pp., 2006.
16. Рыков, С.А. Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур / Под ред. А.Я. Шика. СПб.: Наука, 2000.
17. Binning, G. Atomic Force Microscope / G.Binning, C.F. Quate, C. Gerber // Phys. Rev. Lett. 1986. V. 56. P. 930-933.
18. Арутюнов, П.А. Атомно-силовая микроскопия в задачах проектирования приборов микро- и наноэлектроники. Часть 1 / П.А. Арутюнов, A.JI. Толстихина. // Микроэлектроника. 1999. Т. 28. №6, с. 405-414.
19. Giessible, F.J. Atomic force microscopy in ultrahigh vacuum / F.J. Giessible // Jpn. J. Appl. Phys. 1994. V. 33. Pt. 1. № 6B. P. 3726-3734.
20. Matey, J.R. Scanning Capacitance Microscopy / J.R. Matey, J. Blanc. // J. Appl. Phys. 1985. V. 57, №5, p. 1437-1444.
21. Use of scanning capacitance microscopy for controlling wafer processing / O. Jeandupeux, Y. Marsico, A. Acovic, P. Fazan, H. Brune, K. Kem. // Microelectronics Reliability 2002. У. 42, p. 225-231.
22. Electric Force Microscopy, Surface Potential Imaging, and Surface Electric Modificacion with the Atomic Force Microscope (AFM) / F. M. Serry, K. Kjoller, .T.T. Thornton, R.J. Tench, D. Cook. // Digital Instruments.
23. Hong, J.W. Measurement of hardness, surface potential, and charge distribution with dynamic contact mode electrostatic force microscope / J. W. Hong, Sang-il Park, Z. G. Khim // Review of Scientific Instruments. 1999. V. 70, №3, p.1735-1739.
24. Wisendanger. Scanning Probe Microscopy. Analytical Methods. / Wisendanger // Springer-Verlag, Berlin, 2000.
25. Основы сканирующей зондовой микроскопии. / Миронов, B.JI. / М.: Техносфера, 2004. 143 с.
26. Суслов, А.А. Сканирующая зондовая микроскопия / А.А. Суслов, С.А. Чижик // Материалы, технологии, инструменты. 1997. №3. С. 78.
27. Быков, В.А. Микромеханика для сканирующей зондовой микроскопии / В.А. Быков // Микросистемная техника. 2000. №1. С. 21.
28. Бахтизин, Р.З. Физические основы сканирующей зондовой микроскопии / Р.З. Бахтизин, P.P. Галлямов // Уфа: РИО Баш. ГУ. 2003. 82 с.
29. Anvar, M Atomic force microscopy with time resolution of microseconds / M. Anvar, I. Rousso // Applied Physics Letters. 2005. V.86. pp. 014101.
30. R. W. Carpick and M. Salmeron, Scratching the surface: Fundamental investigations of tribology with atomic force microscopy, Chemical Reviews, vol. 97, iss. 4, pp. 1163-1194 (2007).
31. Handbook of Micro/Nanotribology / Brushan B. / Boca Raton, FL: CRC Press. 1999.
32. Dedkov, G.V. Experimental and theiretical aspects of the modern nanotribology / G.V. Dedkov // Phys. Stat. Solid. 2000. V. (a) 179. №1. P.3.
33. Дедков, Г.В. Нанотрибология: экспериментальные факты и теоретические модели / Г.В. Дедков // УФН. 2000. Т. 170. №6. С.585.
34. Paredes, J.I. Adhesion artifacts in atomic force microscopy imaging / J.I. Paredes, A. Martinez-Alonso, J.M.D. Tascon // Journal of microscopy. V. 200. Pt. 2. November 2000. Pp. 109-113.
35. Force modulation imaging with atomic force microscopy // www.veeco.com.
36. Noncontact Atomic Force Microscopy, vol. 2: Seizo Morita,Franz J. Giessibl,Roland Wiesendanger, Berlin, Springer, 2008.
37. Comparison between shear force and tapping mode AFM-high resolution imaging of DNA / Massimo Antognozzi, Mark D. Szczelkun, Andrew N. Round, Mervyn J. Miles // Single Molecules. 3 (2002) 2-3. pp. 105-110.
38. True non-contact mode vs. Tapping mode // PSIA advanced AFM/SPM.
39. Визуализация заращенных наноостровков GeSi в кремниевых структурах методом атомно-силовой микроскопии / М.С. Дунаевский, З.Ф. Красильник, Д.Н. Лобанов, А.В. Новиков, А.Н. Титков, R. Laiho // Физика и техника полупроводников, 2003, Т. 37, вып. 6.
40. Observation and analysis of self-organized surface grain structures in silica films under nonepitaxial growth mode / N.K. Sahoo, S. Thakur, M. Senthilkumar, R.B. Tokas, N.C. Das // Vacuum. V. 77. 2004. Pp. 87-96.
41. ACM визуализация нанокристаллов Si в термическом окисле Si02 с помощью селективного травления / М.С. Дунаевский, J.J. Grob, А.Г. Забродский, R. Laiho, А.Н. Титков // Физика и техника полупроводников, 2004. Т. 38, вып. 11.
42. Applications of atomic force microscopy in epitaxial nanotechnology / D. Sheglov, S. Kosolobov, E. Rodyakina, A. Latyshev // European Microscopy and Analysis. September 2005. Pp. 5-7.
43. Журнал технической физики, 2009, том 79, стр79-85, Электростатические и ван-дер-ваальсовы силы в воздушном контакте зонда атомно-силового микроскопа с проводящей поверхностью Г.В. Дедков, 1 А.А. КанаметовД Е.Г. Дедкова 2.
44. Sorokina, K.L. Atomic force microscopy modified for studing electric properties of thin films and crystals. Review / K.L. Sorokina, A.L. Tolstikhina // Crystallography Report. 2004. vol. 49, № 3, pp. 476-499.
45. Martin, Y. High-resolution capacitance measurement and potentiometry by force microscopy / Y. Martin, D.W. Abraham, H.K. Wrickramasinghe. // Appl. Phys. Lett. 1988. V. 52, №13, p.l 103-1105.
46. Surface potential imaging of CNT-FET devices by scanning Kelvin probe microscopy. H Hosoil, M Nakamural, Y Yamadal, К Sueoka2, К MukasalIVC-17/ICSS-13 and ICN+T2007 Journal of Physics: Conference Series 100 (2008) 052085.
47. Атомно-силовая микроскопия электростатических сил на полупроводниковой поверхности с квантовыми точками / А.Н. Титков, А.К. Крыжановский, В.П. Евтихиев, П. Жирард. // Материалы совещания "Зондовая микроскопия 2000", с. 12 -16.
48. Meas. Sci. Technol. 20 (2009) 084017 (брр) Deconvolution of Kelvin probe force microscopy measurements—methodology and application, T Machleidt, E Sparrer, D Kapusi and K-H Franke.
49. Rosenwaks Y, Saraf S, Tal O, Glatzel Th, Lux-Steiner M Ch, Strassburg E and Boag A 2007 Principles of Kelvin probe force microscopy Scanning Probe Microscopy vol 2 (Berlin: Springer) pp 663-89.
50. Work-function measurement by high-resolution scanning Kelvin nanoprobe Larisa-Emilia Cheran , Sherri Johnstone , Saman Sadeghi and Michael Thompson Measurement Science and Technology Volume 18, Number 3, 567, 2007.
51. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы / Под ред. Лучинина В.В., Таирова Ю.М. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 552 с.
52. Electric Force Microscopy, Surface Potential Imaging, and Surface Electric Modificación with the Atomic Force Microscope (AFM) / F. M. Serry, K. Kjoller, J.T. Thornton, R.J. Tench, D. Cook. // Digital Instruments.
53. Stevens-Kalceff, М.А. More than a surface probe: investigation of subsurface charging in buried oxide layers in silicon using Kelvin Probe Microscope / M. A. Stevens-Kalceff // Microscopy and Microanalysis. 2004. V. 10 (suppl 2). Pp. 1090-1091.
54. Исследование распределений потенциала в прямо смещенном кремниевом диоде методом электростатической силовой микроскопии / А.В. Анкудинов, А.Н. Титков, R. Laiho, В.А. Козлов // ФТП. 2002. Т. 36, №9, с. 1138-1143.
55. Микроскопия электростатических сил на сколах полупроводниковых лазерных диодов / А.В. Анкудинов, У.Ю. Котельников, А.А. Канцельсон, В.П. Евтихиев, А.Н: Титков. // ФТП. 2001. Т. 35, №7, с. 874-880.
56. Dynamic EFM spectroscopy studies on electric force gradients of 1г02 nanorod arrays / D. Chiang, P.Z. Lei, F. Zhang, R. Barrowcliff//Nanotechnology. 2005. №16, pp. 35-40.
57. Contrast mechanisms for the detectionof ferroelectric domains with scanning force microscopy. Tobias Jungk, Ákos Hoffmann and Elisabeth Soergell // New Journal of Physics 11 (2009) 033029 (14 pp).64. http://www.di.com/AppNotes/SCM/SCMMain.html
58. Honda, К. Visualization using scanning nonlinear dielectric microscopy of electrons and holes localized in the thin gate film of a metal-Si02-Si3N4-Si02-semiconductor flash memory / K. Honda, Y. Cho // Applied Physics Letters. 2005. - T. 86, pp. 1-3.
59. Арутюнов, П.А. Атомно-силовая микроскопия в задачах проектирования приборов микро- и наноэлектроники. Часть 2 / П.А. Арутюнов, A.J1. Толстихина. // Микроэлектроника. 1999. Т. 29. №1, с. 13-22.
60. Exploring Scanning Probe Microscopy with Mathematica / D. Sarid. //New York: John Wiley & Sons. 1997, p. 262.
61. Володин, А.П. Новое в сканирующей микроскопии (обзор материалов международной конференции STM'97) / А.П. Володин // Приборы и техника эксперимента. 1998. №6. С.3-42.
62. Арутюнов, П.А. Конструктивные и электрофизические характеристики датчиков силы в атомно-силовой микроскопии / П.А. Арутюнов, A.JI. Толстихина // Микроэлектроника. 1998. Т. 27. №4. С. 304-316.
63. Мошников, В.А. Методы сканирующей зондовой микроскопии в микро- и наноэлектронике: учеб. пособие / В.А. Мошников, А.А. Федотов, А.И. Румянцева. СПб.: изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. 84 с.68.
64. Attonewton force detection using ultrathin silicon cantilevers / T.D. Stowe, K. Yasumura, T.W. Kenny, D. Botkin, K. Wago, D. Rugar. // Appl. Phys. 1997. V. 71. №2. P. 288290.
65. Interdigital cantilevers for atomic force microscopy / S.R. Manalis, S.C. Minne, A. Atalar, C.F. Quate // Applied Physics Letters. 1996. V. 69. №25. pp. 3944-3946.
66. Nakayama, Y. Nanoengineering of carbon nanotubes for nanotools / Y. Nakayama, S. Akita // New Journal of Physics. 2003.- №5, pp. 128.1-128-23.
67. Onaran, A.G. A new atomic force microscope probe with force sensing integrated readout and active tip / A.G. Onaran, M. Balantekin, W. Lee // Review of Scientific Instruments. 2006. V. 77. pp. 023501-1-023501-7.76. www.reseach.ibm.com
