Исследование методом эллипсометрии диэлектрических и полупроводниковых структур микроэлектроники тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

> - - — / Г ■

' ¿ '/и с/ ЫЯ/6Т

V-

Государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Пульсар" и Акционерное общество открытого типа "Научно-исследовательский институт микроэлектроники и нанотехнологии "Дельта "

Йа «правах рукописи

ггрпсум..,-. степень Л

' уай

Т.Т;г - •>•• - > - ■ ■ ^ С . ») . £ :

РёзвььйРостиславФоет йславович С С

Исследование методом эллипсометрии диэлектрических и полупроводниковых структур микроэлектроники

щ.

Специальность 01. 04. 10 - Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

ГвЛКДАРетвгннАй

1Й5ДШ2ТЕКА

{

/V I

iü QQ

f J J J

Официальные оппоненты:

доктор технических наук БатавинВ.В. доктор физико-математических наук Раков A.B. доктор технических наук Астахов В.П.

Ведущая организация:

Объединенный институт физики полупроводников Сибирского отделения РАН

Защита диссертации состоится "п " декабря 1998 г. на заседании диссертационного совета Д 053.16.06 в Московском Энергетическом (те>: нвческом

университете) по адресу: 1112 ! > азарменная,

дом 1 7, ауд. № Г-408 в 15 ■

С диссертацией в виде нау" - _ : ■ .ся в

библиотеке Московского :.гл<.- : . ■ ;:>ывы на

диссертацию в количе<"- , о адресу:

11 1250, Москва, ул. К;/ .. п: совет МЭИ.

Диссертация разослана S г.

Ученый секретарь диссертационного сов* - эЗ. 16.06

кандидат физико-математических наук

Огнев А.Н.

-г / ■ ^ Ч' ^ г) / /«) / ]

/

Государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Пульсар" и Акционерное общество открытого типа "Научно-исследовательский институт микроэлектроники и нанотехнологии "Дельта "

На правах рукописи

Резвый Ростислав Ростиславович

Исследование методом эллипсометрии диэлектрических и полупроводниковых структур микроэлектроники

Специальность 01. 04. 10 - Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика работы ...................... 4

Глава 1. Разработка лазерных эллипсометрических микроскопов и

эллипсометров для контроля полупроводниковой технологии

1.1. Введение ........................................... Ю

1.2. Разработка лазерных эллипсометрических микроскопов ....

1.3. Обоснование метода эллипсометрической микроскопии .... ^ Глава 2. Применение эллипсометрии для контроля и исследования

технологических процессов подготовки поверхности пластин

2.1. Эллипсометрические методы определения оптически

постоянных материалов...............................

2.2. Эллипсометрия нарушенныхповерхностных слоев и контроль финишной обработки пластин........................... 28

2.3. Прецизионное измерение углов смачивания жидкостей...... 33

Глава 3. Использование эллипсометрии для контроля реальных

тонкопленочных структур в твердотельной электронике

3.1. Оптические модели реальных тонкопленочных структур..... 36

3.2. Принципы решения обратной задачи эллипсометрии ....... 39

3.3. Экспериментальные исследования структур "диэлектрик-полупроводник", применяющихся в полупроводниковой электронике........................................... 41

Глава 4. Эллипсометрия полупроводниковых и металлизированных

слоев и другие её применения в технологии микроэлектроники

4.1. Эллипсометрия ионно-имплантированных полупроводниковых слоев .............................. ^

4.2. Эллипсометрия поликристаллических слоев кремния........

4.3. Эллипсометрия эпитаксиальных структур в инфракрасном диапазоне излучений...................................

4.4. Экспрессный эллипсометрический метод контроля качества металлизации.........................................

4.5. Использование эллипсометрии для контроля процессов фотолитографии....................................... 53

4.6. Использование эллипсометрических методов на различных этапах технологического процесса создания полупроводниковых приборов и интегральных схем.................... 56

Общие выводы ............................................... 58

Список литературы, в которой отражено основное содержание

работы...................................................... 59

Введение. Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Прогресс микроэлектроники, являющейся одной из приоритетных областей науки и техники и обеспечивающей темпы научно-технического прогресса, в значительной степени определяется уровнем развития физики и технологии тонкослойных систем на основе полупроводниковых и диэлектрических материалов.

В связи с распространением микроэлектронных приборов на базе тонкопленочных структур субмикронного диапазона толщин и развитием планарно-эпитаксиальной технологии их изготовления возникла проблема изучения свойств таких систем, разработки и обеспечения объективных методов контроля технологических процессов, позволяющих создавать слои материалов с заранее заданными свойствами. Специфика полупроводниковой технологии потребовала разработки локальных, бесконтактных, неразрушающих методов и аппаратуры контроля, исключающих загрязнение и повреждение даже очень малых областей приборных структур.

Одним из таких методов, позволяющих решать указанные проблемы, является эллипсометрия, основанная на анализе изменения состояния поляризации света после его взаимодействия с исследуемым образцом. Метод эллипсометрии характеризуется высокой чувствительностью и точностью измерения параметров тонких поверхностных слоев и границ раздела между ними, т.е. тех областей структур, где происходят почти все электронные процессы в приборах.

К моменту начала настоящей работы (1967 г.) все опубликованные в СССР исследования по эллипсометрии были связаны с изучением слоёв с толщинами не свыше 10-20 нм и проводились в основном, в областях поверхности относительно большой площади (несколько мм2). Отсутствовала эллипсометрическая аппаратура, пригодная как для научных исследований, так и для производственного контроля. Недостаточно была развита техника и методы интерпретации эллипсометрических измерений, практически отсутствовали сведения об использовании эллипсометрии для анализа структур полупроводниковой микроэлектроники.

Приведенные в диссертации исследования и разработки были связаны с решением проблем, находящихся на стыке таких областей знаний как

физика полупроводников и диэлектриков, методология оптико-физических измерений, вычислительная техника, конструирование и создание аппаратуры для научных исследований.

Большинство работ, основные научные результаты которых изложены в диссертации, проводились в соответствии с тематическими планами таких институтов как НИИ «Пульсар», а затем НИИ «Дельта», а также отраслевыми и министерскими планами комплексных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Их начало совпало с периодом разработки и исследования ряда базовых технологических процессов создания планарных полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Необходимо отметить, что за рубежом к началу настоящей работы также отсутствовала промышленная эллипсометрическая аппаратура, пригодная для контроля пластин и структур полупроводниковой электроники.

Цель работы. Целью диссертационной работы являлось создание методических и технических средств (эллипсометрической аппаратуры, методов измерений, машинных методов обработки данных), обеспечивающих внедрение и эффективное использование эллипсометрических методов для исследования и контроля тонкослойных структур микроэлектроники на основе полупроводниковых и диэлектрических материалов, а также исследований ряда базовых технологических процессов создания полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Основная проблема диссертационной работы состояла в установлении адекватных оптико-математических моделей реальных тонкослойных приборных структур микроэлектроники.

Конкретными задачами, решаемыми в диссертации, являлись:

1. Разработка физических основ и математического обеспечения новых методов в области эллипсометрии и создания на их основе промышленных приборов для научных исследований и производственного контроля.

2. Эллипсометрическое исследование приборных структур микроэлектроники и базовых технологических процессов их изготовления. Установление адекватных моделей слоистых систем на основе полупроводниковых и диэлектрических материалов.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Впервые в мировой практике разработаны принципы и метод эллипсометрической микроскопии тонкопленочных систем, оптически и (или) геометрически неоднородных в плоскости пластин или структур. Для характеристики состояния поляризации пучка света впервые введено новое понятие «эллипсометрическое изображение».

2. Разработаны принципы и методики иммерсионной эллипсометрии в средах, позволяющих исключить влияние на результаты измерений слоя естественного окисла.

3. Установлены системы адекватных (с точки зрения эллипсомет-рических измерений) моделей реальных структур дискретных и интегральных приборов полупроводниковой микроэлектроники, получаемых как на основе базовых технологических процессов, так и с применением ряда нетрадиционных и экспериментальных методов и приемов их создания и обработки.

4. Определены новые области эффективного применения эллипсометрии.

Практическая значимость работы и реализация её научных результатов.

1. На основе теоретического анализа эллипсометрического метода изучения отражающих поверхностей и разработки метода эллипсометрической микроскопии (микроэллипсометрии) создана серия лазерных эллипсометрических микроскопов: ЛЭМ-1, ЛЭМ-2, ЛЭМ-3, ЛЭМ-ЗМ, ЛЭМ-5, 09ИТ-1.7-004, 09ИТ-1.7-006.

Организован серийный выпуск приборов. Эллипсометры типа ЛЭМ внедрены более, чем в 100 научно-исследовательских институтах, промышленных предприятиях и высших учебных заведениях бывшего Советского Союза.

2. Разработан и внедрен в серийное производство инфракрасный эллипсометр типа ЭИ09.ИТ-1.7-003 на длину волны 10,6 мкм.

3. Экономический эффект от внедрения указанных приборов на предприятиях бывшего Министерства электронной промышленности СССР составил свыше 18 млн. рублей (в ценах до 1991 года).

4. Разработанные методы эллипсометрических исследований с использованием иммерсионных сред, измерительных кювет, алгоритмов и программ ЭВМ использованы в прикладных исследованиях на различных предприятиях отрасли.

5. Разработаны и внедрены в промышленное производство полупроводниковых и микроэлектронных приборов на предприятиях страны эллипсометрические методики исследования и контроля технологических процессов: подготовки поверхности полупроводниковых пластин (полировка, травление, отмывка, ионная очистка); нанесения, обработки и удаления диэлектрических покрытий; окисления полупроводников; фотолитографии, ионной имплантации, нанесения эпитаксиальных плёнок полупроводников.

6. Разработаны и внедрены в производство эллипсометрические методики исследования нарушенных слоёв на поверхности полупроводников.

Результаты исследования приборных структур использованы при разработке базовых технологических процессов на 20 предприятиях.

7. Исследования кинетики роста, осаждения и стравливания диэлектрических слоев ВЮ2 и 813Ы4 на поверхности кремния, проведенные с помощью метода эллипсометрии и эллипсометрической микроскопии, явились основой для получения стабильных маскирующих и защитных слоев в планарно-эпитаксиальной технологии ряда полупроводниковых и микроэлектронных приборов.

Основные положения, выносимые на защиту.

Метод эллипсометрической микроскопии и его обоснование. Конструкции лазерных эллипсометрических микроскопов и новых эллипсометров.

Новые методы контроля параметров поверхности полупроводниковых пластин.

Методы и результаты исследования диэлектрических и полупроводниковых структур, используемых в базовых технологических процессах микроэлектроники.

Публикация и апробация работы. Основное содержание диссертации отражено в 69 работах, список которых приведен в конце диссертации.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих всесоюзных, республиканских, межотраслевых и отраслевых конференциях, совещаниях и семинарах:

Вторая Республиканская конференция молодых ученых по вопросам микроэлектроники, Тбилиси, 1969 г.

Заседание секции 18 МНТС микроэлектроники по неразрушающим методам контроля, Ленинград, 1971 г.

Межведомственный семинар. Методы исследования свойств и состояния поверхности материалов. Рязань, 1975 г.

Четвертая отраслевая конференция «Диэлектрические покрытия в планарной технологии». Москва, 1976 г.

Вторая межотраслевая научно-техническая конференция «Тонкие пленки в интегральных схемах и ионные методы создания пленочных структур», Киев, 1976 г.

Четвертое Всесоюзное совещание по физике поверхностных явлений в полупроводниках, Киев, 1977 г.

Третья Республиканская конференция молодых ученых и специалистов «Вопросы микроэлектроники и физики полупроводниковых приборов», Тбилиси, 1977 г.

Первая Всесоюзная конференция «Эллипсометрия - метод исследования физико-химических процессов на поверхности твердых тел», Новосибирск, 1977 г.

Третье межведомственное совещание по метрике полупроводников «Физические основы, ме"к лы и средства контроля процессов образования полупроводниковых и диэлектрических структур», Саратов, 1977 г.

Третья отраслевая научно-техническая конференция «Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем», Воронеж, 1978 г.

Вторая Всесоюзная конференция «Эллипсометрия - метод исследования физико-химических процессов на поверхности твердых тел», Новосибирск, 1980 г.

РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

9

Первая Всесоюзная межвузовская научно-техническая конференция «Оптические и радиоволновые методы и средства неразрушающего контроля качества материалов и изделий», Фергана, 1981 г.

Третья Всесоюзная конференция «Эллипсометрия: теория, методы, приложения», Новосибирск, 1985г.

Четвертая Всесоюзная конференция «Эллипсометрия - метод исследования поверхности твердых тел», Новосибирск, 1989 г.

Разработанная под руководством и при участии автора лазерная эллипсометрическая аппаратура в период с 1970 по 1983 гг. демонстрировалась на ряде отечественных и зарубежных выставок, где эти приборы и их разработчик были награждены дипломом президиума Московского правления научно-технического общества радиотехники и электроники им. A.C. Попова (1970 г.), золотой медалью Лейпцигской ярмарки 1972 г. (лазерный эллипсометригческий микроскоп ЛЭМ-2), золотыми, серебрянными и бронзовыми медалями ВДНХ СССР. Лазерному эллипсометрическому микроскопу ЛЭМ-2 в 1973 г. и лазерному телевизионному микроскопу ЛЭМ-ЗМ в 1978 г. присуждены Государственные знаки качества.

За работы в области эллипсометрии в 1984 году автору настоящей диссертации в составе творческого коллектива была присуждена премия Совета Министров СССР.

Глава 1. Разработка лазерных эллипсометрическнх микроскопов и эллипсометров для контроля полупроводниковой технологии.

1.1. Введение.

Эллипсометрия (отражательная поляриметрия) - это оптический метод измерения, основанный на анализе изменения поляризации пучка поляризованного света при его отражении от исследуемого объекта. Используется высокая чувствительность состояния поляризации света к свойствам и параметрам поверхностных и приповерхностных областей исследуемой отражающей системы при наклонном падении пучка лучей. Метод применяется для исследования состояния поверхности, явлений на границе раздела двух фаз, структуры тонких поверхностных слоев и определения их толщины.

Так как обычно измеряются параметры эллиптически поляризованного света, метод назван эллипсометрическим, или просто эллипсометрией. Известный свыше 100 лет, он начал интенсивно развиваться только в 60-х годах 20-го века главным образом в связи с потребностями полупроводниковой техники и микроэлектроники и с развитием вычислительной техники.

Производство большинства современных микроэлектронных изделий основано на использовании методов планарно-эпитаксиальной технологии, основой которых являются создание тонких полупроводниковых, диэлектрических и металлических слоев на поверхности полупроводниковых пластин и последовательная многократная их обработка с целью получения большого числа как активных, так и пассивных микроструктур на одной пластине. Одним из главных условий получения качественных и надежных микроэлектронных устройств является контроль состояния поверхности пластин, параметров тонких поверхностных слоев и границ раздела между ними, т.е. тех областей, где происходят почти все электронные процессы в приборах. Специфика полупроводниковой технологии требует применения локальных, бесконтактных, неразрушающих методов контроля, исключающих загрязнение и поврежд