автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Методы зондовой диагностики микроструктур: теория, моделирование и обратные задачи

,/ / РолййскаяАкдемия'наук •

Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов

л , • •, " На правах рукописи

ПргамАмум ВАК^»ссии

Шёелс^

ЗЕШуЖ:]

[ЗДОмон.

фоств/ктур:

теория, модел>гррвание и обратные задачи

Специальность 05.27.01-твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника.

Диссертащмв виде научного доклад на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Черноголовка 2000

Работа выполнена в Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистык материалов Р4Н

1ициальные оппоненты: ' ДвЙтор физико-математических наук> Дюков В-Г. Доктор физико-математических наук, МахвЦнйдзе Т. М. Доктор физико-математических наук, Филиппов М. Н.

Л Ведущая организация: 1

I Институт Математического Моделирования РАН

Защита состоится « июля 2000 г. в .10 ч. на заседаг

НИИ диссертационного совета Д.003.90101 при Институте проблем технологии микроэлектроники и особое -гсъ " материалов-РАН по адресу: 142432, Московская область, п. Черь Г1л а, ИПТМ РАН.

С диссертацией в виде научного доклада жно ознакомиться в библиотеке Институташроблем технологий микроэлектроники и особочи-стых материалов РАН. - ;

Диссертация в виде научного доклада разослана «2Л» июня 2000 г.

Ученый секретарь ,

лдиссертарионного совета Д.003.90.01 - ' ' •

Кандидат химических наук л Лл{£. ПанченкоЛ.А.

/

© Институт проблем технологии микроэлектроники и ошбочипьДХ материалов РАН

ОБЩАЯ ЧАСТЬ...................................................................-..................3

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.................................................................3

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ...............................................................................-Л

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.........................................................................................5

НАУЧНАЯ НОВИЗНА..............................•................................................................5

ДОСТОВЕРНОСТЬ....................................................................................................6

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ....................................................................................6

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ...................................................................6

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.............................................................................................7

ПУБЛИКАЦИИ..................................................................................................8

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................,..........8

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ НАБЛЮДЕНИЯ: ПЕРВИЧНЫЕ ЧАСТИЦЫ, ВТОРИЧНЫЕ,

ТРЕТИЧНЫЕ.....................Л...........................Л...............................л.....................8

ПОНЯТИЕ РАЗРЕШЕНИЯ, ЛОКАЛЬНОСТЬ...............................................................10

1. ТЕОРИЯ И МОНТЕ-КАРЛО МОДЕЛИРОВАНИЕ РЭМ СИГНАЛОВ..........................................................................................................11

ОБЗОР МОДЕЛЕЙ И ПРИЕМОВ, НЕДОСТАТКИ ПРИБЛИЖЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ

ПОТЕРЬ.................................................................................................................11

ТЕОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ОР Э..............................13

УЧЕТ СЛУЧАЙНОСТИ ПОТЕРЬ В МК МОДЕЛИРОВАНИИ.......................................15

ПРИЕМЫ УСКОРЕНИЯ СЧЕТА В МК МОДЕЛИРОВАНИИ.......................................18

СРАВНЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТАМИ И ОБСУЖДЕНИЕ..............................................19

ВЫВОДЫ.............................................................................................................20

2. СИГНАЛЫ ОТРАЖЕННОЙ (ПОГЛОЩЕННОЙ) ЭНЕРГИИ В РЭМ.......................................................................................................................21

МИКРОТОПОГРАФИЯ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННО-АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ. 21

СИГНАЛЫ ОТРАЖЕННОЙ ЭНЕРГИИ......................................................................23

СХОЖЕСТЬ И РАЗЛИЧИЕ СИГНАЛА ОТРАЖЕННОЙ ЭНЕРГИИ И СИГНАЛА ОБРАТНО-

РАССЕЯНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ........................................................-................-.........24

РАЗДЕЛЕНИЕ ВКЛАДОВ РЕЛЬЕФА И ОБЪЕМНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ................27

Выводы.............................................................................................................28

3. ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ РЭМ-ПРОФИЛОМЕТРИИ....................28

ВВЕДЕНИЕ (ПРЕДЫСТОРИЯ И МОТИВАЦИЯ)........................................................28

УРАВНЕНИЕ СИГНАЛА ОТРАЖЕННОЙ ЭНЕРГИИ И ОТРАЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ. ... 29

СРАВНЕНИЕ С МОНТЕ КАРЛО МОДЕЛИРОВАНИЕМ И ЭКСПЕРИМЕНТАМИ............30

ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ..................................................................34

Выводы..................................,............................................................36

5. РЕКОНСТРУКЦИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ И СОСТАВА ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ С ПОМОЩЬЮ ПУЧКОВОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ И ПРОТОННОЙ МИКРОСКОПЙИ...52

' УРАВНЕНИЕ СИГНАЛА............................................................:......;....;.;..;.......;....52

ВОССТАНОВЛЕНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ И ФОРМЫ СКРЫТЫХ СЛОЕВ.54

ПОЛНОЕ УРАВНЕНИЕ СИГНАЛА....................................................................54

ПРОТОННАЯ МИКРОСКОПИЯ................................................................................56

ВЫВОДЫ......................................................................................;.....................56

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ..............................................................57

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................58

Общая часть

Актуальность темы.

Диагностика на основе использования различных пучков была в последние 30 лет основным методом характеризации сред, материалов, изделий, их свойств и дефектов. Доминирующая роль пучковых методов не изменилась даже с появлением и развитием новых диагностических методов, подобных туннельной микроскопии или атомно-силовой мшфоскопии. Более того, эта роль продолжала возрастать в технологии микроэлектроники и, особенно, в таких новейших, возникших на основе успехов микроэлектроники, технологических направлениях как микромеханика, микроэлектромеханика и микрооптика.

За последние 30 лет минимальные размеры структурных элементов микросхем уменьшились с Юмкм до 0.2мкм, и перед технологией стоит задача преодоления рубежа в ЮОнм. В этих условиях дальнейший процесс микроэлектроники (и связанных с ней технологий) в значительной степени определяется состоянием диагностических средств. Наиболее важным средством микроэлектронной диагностики в настоящее время и в обозримом будущем является растровая электронная микроскопия (РЭМ). Такая роль РЭМ обусловлена целым рядом свойств, делающих ее чрезвычайно приспособленной к решению диагностических проблем микроэлектроники: возможностью фокусировать пучки электронов до достаточно малых (несколько нм) поперечных размеров, способностью проникать на достаточно большие (до 10 мкм) глубины, разнообразием сигналов, получаемых в микроскопе - обратно рассеянные и вторичные электроны, рентгеновское и световое излучение, наведенный ток, наведенный потенциал, локальное повышение температуры, амплитуда упругих деформаций и т. д., что позволяет исследовать широкий спектр физических и электрофизических свойств микроэлектронных приборов и устройств, контролировать практически все стадии технологического процесса изготовления СБИС. Важным обстоятельством является тот факт, что электронный зонд в большинстве практически важных случаев можно считать неразрушающим инструментом.

В связи с переходом на глубоко субмикронный уровень в РЭМ-диагностике сложилась в то время новая ситуация. Этот переход потребовал от РЭМ не просто дальнейшего количественного совершенствования, но и решения качественно новых проблем. Главной особенностью диагностики субмикронных структур является то обстоятельство, что размеры исследуемых неоднородностей становятся меньше размеров области формирования сигнала. Если на надмикронном уровне размерами зоны генерации обычно можно пренебрегать и считать, что информация, поступающая с микроскопа, носит локальный характер, то на Субмикронном уровне информация всегда

усреднена по некоторому объему. Это приводит к необходимости специальной обработки сигналов для получения локальной информации. Другими принципиально важными обстоятельствами, вызывающими необходимость такой обработки, являются переход к многослойным структурам и возрастание роли количественных методов.

Эти соображения в полной мере относятся к сравнительно новым методам диагностики, основанным на использовании тонких пучков рентгеновского излучения. Успехи в создании мощных источников рентгеновского излучения (синхротронного излучения) и производстве элементов рентгеновской оптики привели к ситуации, когда поперечные размеры пучков стали меньше области генерации сигналов. В этих условиях дальнейшее увеличение локальности методов и улучшение пространственного разрешения возможно, как и в РЭМ, только за счет создания специальных методов обработки сигналов.

Указанные обстоятельства настоятельно требуют существенного развития методов обработки сигналов и изображений сканирующей пучковой микроскопии с использованием вычислительной техники. Эти методы прщаны решать такие задачи, как получение объективной количественной инфррцЛации об исследуемых объектах, повышение локальности до субмикронного и нанометрового уровней, извлечение информации о внутренней структуре образцов без разрушения последних, улучшение качества малоконтрастных изображений, снижение уровня радиационного воздействия пучков на исследуемый объект за счет понижения необходимого соотношения сигнал/шум, определение оптимальных условий проведения экспериментов для получения максимальной точности измерения исследуемых характеристик. Использование компьютерных методов обработки сигналов цозролит значительно повысить возможности РЭМ и пучков €И как диагностического средства микроэлектроники и микротехнологии, а в некоторых областях перейти на качественно новый уровень.

Перечисленные обстоятельства показывают актуальность проблемы развитця количественных методов обработки сигналов и изображений растровой электронной микроскопии с использованием ЭВМ.

Предмет исследования

составляют: ' "

- заШйомерностй формирования разнообразных сигналов и изображений в п>™1ковых методах (в основном это процессы РЭМ)

- свкзй регистрируемых сигналов с различными физическими и электрофизическими свойствами материалов и образцов, на этой основе выписываются уравнения сигналов (и Изображений)

Методы и приемы моделирования формирования сигналов, решения прямУх и обратных задач

2х>бт

4

Цель работы

Заключалась в создании, развитии и совершенствовании моделей формирования сигналов от неоднородных образцов, методов моделирования сигналов, в разработке методов и алгоритмов обработки сигналов и изображений, с целью извлечения объективной количественной информации об исследуемых объектах, в том числе об их внутренней структуре.

Целью являлось также развитие таких моделей, методов моделирования и методов обработки, которые позволяли бы повысить чувствительность, пространственное разрешение, снизить уровень необратимого воздействия на образец.

Научная новизна

определяется следующими основными результатами, полученными впервые:

-Теория формирования энергетических потерь ОРЭ дополнена учетом случайности неупругих потерь быстрых электронов в среде. Предложено объяснение особенности спектров ОРЭ, известной как "квазиупругий" пик, как проявление именно случайности неупругих потерь.

-Предложен метод разделения вкладов рельефа поверхности и объемных неоднородностей в сигналы, определены условия, когда эта процедура правомочна. Развиты и дополнены представления о вкладе поглощенной (отраженной) энергии, как основы трактовки получаемых в РЭМ сигналов и изображений. На качественном уровне эти представления позволяют сделать вывод о подобии целого класса РЭМ сигналов хорошо изученному и понятому сигналу ОРЭ.

-Достроены уравнения сигнала отраженной энергии и отраженных электронов для однородных образцов с рельефом поверхности, предложены методы решения обратных задач по восстановлению рельефа поверхности. Проведено восстановление рельефа по экспериментальным сигналам отраженных электронов и отраженной энергии.

-Выделен широкий класс диагностических методов РЭМ (названный методами наведенной концентрации), описываемый единым уравнением сигнала. Развит общий метод решения обрат]аой задачи не использующий линейного приближения.

-Предложен метод восстановления внутренних характеристик объекта не за счет изменение области генерации сигнала, а за счет изменения условий сбора частиц сигнала. Предложены некоторые схемы, реализующие этот метод в виде много-электродных методов ЕВ1С и КЕВЮ. Численно исследованы чувствительность и локальность этих схем,

-Изучены закономерности формирования флуоресцентного сигнала узкими пучками рентгеновского и протонного излучения, выведено уравнение

сигнала для сильно неоднородной среды. Исследованы некоторые важные частнь1е слу;ча11, когда были поставлены и решены (аналитически и численно) обратные задачи количественной рентгено-флоуресцентной диагностики.

Достоверность

полученных результатов обеспечивается детальным теоретическим анализом рассматриваемых задач, строгим математическим доказательством результатов, имеющих количественную природу, обоснованностью постановок задач и используемых моделей, многочисленными модельными расчетами и сравнением их с результатами экспериментов и моделирования, успешным практическим использованием основанного на результатах диссертации математического обеспечения.

Практическая ценность

Исследования, представленные в работе, проводились по планам научно-исследовательских работ Института проблем технологии микроэлектроники РАН и имеют прикладную направленность. Практическая ценность результатов определяется следующими обстоятельствами.

1) Проведенное в работе исследование процессов формирования сигнала и разработка соответствующих физических и математических моделей является теоретической основой для постановки и решения задач количественной субмикронной РЭМ и других пучковых методов.

2) Развитые в работе математические методы являются эффективным аппаратом исследования обратных задач пучковой микродиагностики.

3) Разработанные численные алгоритмы позволяют использовать вычислительную технику для количественного анализа физических и электрофизических характеристик микроэлектронных материалов с1руктур и контроля различных технологических процессов.

Ряд разработанных алгоритмов уже нашел применения в организациях

РАН.

Защищаемые положения

В диссертационной работе защищаются:

1) Результаты исследования процессов формирования различных типов сигналов пучковых методов, позволяющие записать в виде уравнений связь между сигналом и свойствами объектов.

2) Результаты теоретического анализа возможностей определения тех или иных физических и электрофизических характеристик микрообъектов по измеренным сигналам.

3) Методы обработки сигналов, позволяющие по наблюдаемому сигналу получать объективную количественную информацию об исследуемом объекте.

4) Разработанные методы улучшения моделирования РЭМ-сигналов, позволяющие существенно поднять точность моделирования.

Апробация работы

Материалы 'работы докладывались на следующих конференциях: Всесоюзной конференции «Физические методы исследования поверхности и диагностика материалов и элементов вычислительной техники» (Кишинев, 1986 г.). Первом Всемирном конгрессе Общества математической статистики и теории вероятностей им. Бернулли (Ташкент, 1986 г.), 11-ом Международном конгрессе по электронной микроскопии (Киото, Япония, 1986), Первой Всесоюзной конференции «Проблемы создания супер ЭВМ, суперсистем и эффективность их применения» (Минск, 1987), Первой Всесоюзной конференции «Физические и физико-химические основы микроэлектроники» (Вильнюс, 1987), 13-ой Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Сумы, 1987), 25-ой Осенней школе «Электронная микроскопия тонких пленок и тонкопленочных систем» (Халле, ГДР, 1987), 5-ой Международной конференции по численному анализу полупроводниковых приборов и интегральных схем (Дублин, Ирландия, 1987), Всесоюзной конференции «Методы и средства обработки сложной графической информации» (Горький, 1988), Республиканской конференции «Проблемно ориентированные диалоговые системы» (Батуми, 1988), Международной конференции по стохастическим процессам и их приложениям для персональных компьютеров (Дебрецен, Венгрия, 1988), 7-ом Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел «РЭМ-89» (Звенигород, 1989), 3-ей Международной конференциц по распознаванию дефектов и обработке изображений (Токио, Япония, 1989), 4-ом Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Ташкент, 1989), 29-ой Весенней школе по растровой электронной микроскопии (Халле, ГДР, 1990), 14-й Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Суздаль, 1990), 8-м Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим мет;одам исследования твердых тел «РЭМ-9Ь> (Звенигород, 1991), 2-ой Международной конференции по методам наведенной концентрации (Париж, Франция, 1991), 13-ом Всемирном конгрессе по вычислительной и прикладной математике (Дублин, Ирландия, 1991), 4-й Международной конференции по распознаванию и визуализации дефектов в полупроводниках (Манчестер, Англия, 1991), 10-й Международной Пфефферкорновской конференции «Обработка сигна