Введение к работе
Актуальность темы.
Вторично-ионная мзсс-споктрометрия (ВИМС) является одним из основных средств аналитического обеспечения микроэлектронной технологии. Послойный элементный анализ (ПА) пленарных структур с высокой чувствительностью и локальностью как по поверхности, так и по глубине объекта - область наиболее эффективного применения'метода ВИМС. Профиль ПА дает информацию о распределении по глубине заданных компонент. Основные параметры ПА: разрешение по глубине, динамический диапазон регистрации, точность и достоверность, -определяют качество этой информации.
К началу настоящей работы в области послойного ВИМС-анализа существовал ряд научных и методических задач, связанных с появлением новых классов объектов (металлизация с диффузионными барьерами, КНИ структуры,' эпитаксиальные структуры в кремнии с 6-легированием). Работа с'-такими объектами потребовала достижения экстремальных значений параметров ПА и их оптимального сочетания.
Необходимость определять характеристики слоя, имеющего толщину до 10 им (диффузонный барьер), находящегося под толстым (-1мкм) слоем металлизации, вызывает серьезные трудности ввиду развития микрорельефа на поверхности поликристаллческих пленок металла под действием ионной бомбардировки. ПА 5-слоев требует разрешения по глубине на уровне нанометров наряду с обеспечением приемлемых пределов обнаружения загрязняющих примесей.
Присутствие диэлектрических слоев в структуре - это заряжение образца и связанные с ним повышение пределов обнаружения примесей, увеличение времени анализа; искажение информации, вызываемое электромиграцией подвижных примесей, дрейфом условий анализа и сильными матричными эффектами. 'Сочетание металлических и диэлектрических слоев усугубляет трудности ПА структуры как единого целого. Разнородность физико-химических свойств слоев, трудности теоретического описание процесса вторично-ионной эмиссии и сильная зависимость эмиссионных свойств поверхности от условий анализа определяют сложность проблемы количественного ПА многослойных структур.
Использование в методе ВИМС химически активных ионных-пучков для повышения параметров ПА, задает сложную картину кинетических и эмиссионных явлений, происходящих в поверхностных слоях образца под
действием ионной бомбардировки. Исследование процессов взаимодействия названных пучков с многослойными пленочными структурами должно было послужить основанием для выработки концепции их послойного анализа в химически активных условиях.
Решение поставленных выше задач позволит расширить аналитические возможности метода ВИМС, способствуя успешному развитию ряда современных направлений в микроэлектронике, что и определяет актуальность темы диссертационной работы.
Целью работы являлось исследование процессов, происходящих при взаимодействии химически активных ионных пучков с тонкопленочными структурами, используемыми в технологии СБИС и применение полученных результатов для создания научной и методической базы их послойного анализа методом ВИМС.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие основные задачи:
экспериментально изучить процессы взаимодействия химически активных ионных пучков с тонкопленочными структурами и кремнием и на основании этого определить эффективность использования в послойном ВИМС-анализе нового первичного пучка - Ыг+ - в дополнение к традиционно применяемым Ог+ и Cs+;
исследовать процессы вторично-ионной эмиссии и разработать эмпирический подход к решению проблемы количественного послойного ВИМС-анализа тонкопленочных структур.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
1. Впервые показана целесообразность использования в методо
ВИМС пучка ионов Ыг+ для послойного анализа многослойных
тонкопленочных структур. Для широкого набора разнообразных структур
показаны преимущества ПА, определяемые выбором нового пучка
первичных ионов.
2. Впервые исследованы процессы ионной эмиссии, и
формирования измененного поверхностного слоя при взаимодействии
пучка ионов N2+ средних энергий с кремнием. Показано влияние свойств
измененного слоя и условий бомбардировки на форму профиля ПА 5-
слоя в кремнии.
3. Определены принципы послойного количественного ВИМС-
анализа тонкопленочных структур на содержание микропримесей в
условиях кислородной бомбардировки. Впервые разработана схема
определения величин полезного выхода вторичных ионов, основанная на
локальных измерениях основных эмиссионных характеристик
- 5 -анализируемых слоев. Она включает методику in situ имплантации двух элементов-стандартов на установке ВИМС и методику определения индивидуальных зависимостей полезного выхода положительных атомарных вторичных ионов от содержания кислорода в области эмиссии.
Научно-практическая значимость результатов работы:
в практику послойного ВИМС-анализа введетлервичный- пучок ионов Ыг+. Для широкого набора сложных тонкопленочных структур, как перспективных, так и используемых в технологии микроэлектроники, его применение позволяет получить болео обширную и достоверную информацию о распределении элементов по глубине, чем та, которую может обеспечить ПА с первичными пучками Ог+ и Cs+;
предложенный в работе полуэмпирический метод определения коэффициентов полезного выхода вторичных ионов позволяет значительно продвинуться в решении проблемы послойного количественного анализа тонкопленочных структур. При этом использование литературных данных по коэффициегам относительной чувствительности ., не гарантирует необходимой точности анализа; изготовление имплантированных стандартов крайне дорого, а в случае тонких слоев - проблематично.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментальное доказательство существенного улучшения
основных параметров послойного анализа многослойных тонкопленочных
структур, используемых в технологии СБИС за счет:
использования в послойном анализе пучка ионов Ыг+;
создания кислородной атмосферы над образцом.
2. Метод количественного послойного анализа кислорода в кремнии
в широком диапазоне концентраций, включающий использование
первичных ионов N2+ и разработанную методику прямого
преобразования шкалы времен профиля ПА в шкалу глубин.
3. Влияние процессов формирования измененного слоя на
разрешение по глубине при послойном ВИМС-анализе сверхтонких
мелкозалегающих слоев легирования в кремниии (6- легирование),
установленное в результате экспериментального исследования
взаимодействия пучков ионов N2"1" и Ог+ с поверхностью кремния.
4. Полуэмпирический метод расчета величин полезного выхода
вторичных ионов с использованием существенных эмиссионных
характеристик системы матрица-элемент-кислород, получаемых in situ,
который позволяет проводить безэталонный количественный послойный ВИМС-анализ тонкопленочных структур.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Работа изложена на 151' странице машинописного текста, включая 40 рисунков и 9 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 146 наименований.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на : II Европейской вакуумной конференции (EVC-II, Триест, Италия, 1990); VIII Международной конференции по вторично-ионной масс-спектрометрии ( SIMS-VIII, Амстердам, Нидерланды, 1991); VI Всесоюзном семинаре по вторично-ионной и ионно-фотонной эмиссии (Харьков, 1991); Всесоюзном семинаре-совещании "Диагностика поверхности ионными пучками" (Одесса, 1990); IX Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (Москва, 1989); X Всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (ВИП-91, Москва, 1991); XI Конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (ВИП-93, Москва, 1993); Российской конференции "Микроэлектроника-94" (Москва, 1994), ежегодных конференциях Института микроэлектроники РАН.
