автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Сканирующая лазерная интроскопия полупроводниковых структур

российская академия наук

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ОСОЕОЧИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

На правах рукописи.

ФРОЛОВ Константин Константинович

СКАНИРУЮЩАЯ ЛАЗЕРНАЯ ИНТРОСКОПИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР.

Специальность: 05.27.01 - твердотельная электроника и микроэлектроника.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Черноголовка 1992 г.

Работа выполнена в Институте проблем технологии микроэлектроники к оособочистых материалов РАН.

Научный руководитель : • Кандидат физико-математических наук Pay Э.И.

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук Дкжов В.Г. ' Кандидат физико-математических наук Филиппов М.Н.

Ведущая организация : Физический факультет Московского Государственного Университета.

Защита состоится " а1С ¿си^/С^- 1992 г. в /<? час.'

на заседании специализированного совета при Институте проблей технологии микроэлектроники к особочистых материалов РАИ по адресу : 142432, Черноголовка Ногинского района, Московской области, ИПШ РАН.

С диссертацией 'можно ознакомиться в библиотеке . Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН.

Автореферат разослан

7

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАШГЫ Актуальность темы. В последнее время для развития элементной базы микроэлектроники все более актуальной становится разработка методов неразрушавдей диагностики и контроля на всех технологических этапах: контроль исходных материалов, полуфабрикатов и готовых изделий, а также анализ причин отказов, возникающих в процессе испытаний и эксплуатации. Незаменимыми для локальной диагностики являются различные микрозондовые методы, наиболее приемлемыми и универсальными среди которых являются электронно - зондовые и оптические зондовые методы. По сравнению с достаточно хорошо разработанными метадзми диагностирования кикроэлектронных изделий и материалов в РЭЙ оптическое зондовое тестирование по ряду причин есвоено в значительно меньшей степени.В сравнении с электрокио-зондовыми методами оптическая диагностика значительно уступает лишь в достижимом значении пространственного разрешения (порядка I мкм), но это вполне приемлемо для диагностирования ' большинства структурных элементов современной микроэлектроники. Широкое использование ШОП -структур, характеризуемых низким энергопотреблением придает оптическим зондовьгм методам диагностики особую ценность, так как только они в этом случае полностью соответствуют понятию "неразруиащкй контроль".' Среда ряда достоинств оптической зондовой диагностики принципиально важным является также возможность "глубинного" диагностирования таких йатесналов как кремний, арсенид галлия, германии и

3

изделий на их основе, а также визуализация существующих в них различных микрополей. Значительная по сравнению с электронным зондом глубина проникновения ИК-излученпп в полупроводниковых материалах в сочетании с регистрацией сигналов-откликов различной физической природа позволяет реализовать комплексную диагностику микроэлектронных изделий и материалов с применением компьютерной и аппаратурной томографии. Таким образом, для визуализации и анализа структуры изделий микроэлектроники большую важность приобретает задача создания многофункционального лазероскана, рассмотрения физических особенностей формирования контраста изображений электрически активных дефектов и элементов в полупроводниковых кристаллах и применение полученных результатов для решения научных 'и практических задач.

В данной диссертационной работе дёлается попытка приблизиться к реиению ряда задач оптической зондовой диагностики полупроводниковых материалов и ( изделии приводятся объяснения соответствующих физических процессов, обосновывается эффективность предложенных нами решений для диагностики изделий микроэлектроники, что позволяет получать достаточно хорошие практические результаты.

Основной целью данной, работы является: разработка и апробация оригинальных методов лазерной сканирующей микроскопии и интроскопии для целей визуализации структуры , и микронеоднородностей широкого класса полупроводниковых

4 '

изделий при контроле, диагностике и исследования структурных и электрофизических свойств на различных этапах технологического процесса изготовления, например микросхем.

Научная новизна настоящей работы состоит в физическом обосновании и разработке физических и технических принципов лазерной сканирующей интроскопии полупроводниковых объектов,а также реализация оригинальных методов исследования и диагностики ряда полупроводниковых структур, а именно:

1.Исследовалось явление инверсии контраста в изображениях дефектов в кристаллах кремния при изменении длины волны зондирующего излучения и объяснен физический механизм этого эффекта.

2.Предложен и реализован полностью бесконтактный метод визуализации распределения поверхностной фого-ЭДС Рассмотрены процессы и параметры облучаемого кристалла, ответственные за формирование локальной фотоЭДС.

3.Впервые предложен и реализован метод, конфокальной . регистрации светорассеяния для углов близких к л/2, что . позволило почти • на порядок- повысить пространственное разрешение режима рассеяния.

4.Теоретически обоснован и реализован метод регистрации светорассеяния и отражения с высокой локальностью при использовании эллипсоидального отражателя а также реализация конфокального режима в катодомшиесцеицт РЭМ.

5.Разработанные методы лазерной сканирующей микроскопии и

: ж

микротомографии приманены для исследования ряда полупроводниковых объектов микроэлектроники,, в частности электрических микронеодаородностей и доменов в кристаллах.

Практическая ценность работы заключается в развитии лазерных зондовых методов интроскопии и микротомографии полупроводниковых структур. На основе сответствувдих теоретических обоснований создана многофункциональная установка, представляющая ценность не только для научных исследований, но и для контроля технологии и анализа-отказов в микроэлехтронной полупроводниковой промышленности. Предложенные методы и результаты исследований могут сыграть известную роль в неразрушащей бесконтактной диагностике объектов полупроводниковой микроэлектроники.

. Основные защищаемые положения : I.Объяснение возможного механизма инверсии контраста изображений дефектов в кремниевых пластинах при изменении длина волны оптического зондирующего излучения.

2.Метод бесконтактной визуализации распределещш поверхностной фото-ЗДС и его реализация.

3.Метод конфокальной регистрации ИК-светорассеяния для углов близких к/2 и его реализация.

4.Применение эллипсоидального отражателя для регистрации ИК-светорассеяния и отражения с высокой локальностью, демонстрация высокой эффективности предложенного решения. 5.0'осшвание . ■ комплексного =.у.подхода ттри ': кзучешш электрофизических свойств ряда полупроводгаювьк объектов,

в частности кремниевых фотопреоброзователей, рекомбинационнкх волн и доменной неустойчивости в кристаллах кремния , легированных цинком , и в монокристаллах германия.

Апробация работы : Основные результаты диссертационной

работа обсуждались на xii Всесоюзной конференции

"Неразрузавдиэ физические методы я средства контроля"

(Свердловск IS90 г.), vn Всесоюзном симпозиуме по

растровой электронной микроскопии и аналитическим методам

\

исследования твердых тел (P3M-9I,Звенигород, 1991), на Международном конгрессе по микроскопии-( scanning 91, snn-Die.?o, usa ) , на научных семинарах Физического факультета .'{ГУ и ИПТМ РАЙ.

Публикации : по материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ в трудах конференция , отечественных и зарубежных журналах.

Диссертация состоит из введения, трех глав, содер:кит 130 страниц машинописного текста , в том числе 25 рисунков и список цитированной литератур«, включающий ПО публикаций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дана общая характеристика работы и обзор содержания по главам.

Первая глава посвящена обзору известных методов и некоторых результатов исследования полупроводниковых

7

материалов и приборов в оптической сканирующей микроскопии.Рассматриваются теоретические вопросы формирования изображения для различных методов сканирующей оптической микроскопии и томографии, различные схемы постановки эксперимента. Показаны физические и технические ограничения применимости различных методов для исследования материалов и изделий микроэлектроники на различных этапах технологического 'цикла; Обсуждаются возможности и достоинства бесконтактной оптической диагностики полупроводниковых приборов и материалов, вопросы интерпретации получаемых изображений и количественного анализа. Обращено внимание на технические аспекты .рассмотрены практические • и научные задачи в микроэлектронике,успевно решаемые при помощи оптическбй сканирующей микроскопии и томографии.

Вторая глава посвадена разработке й реализации новых методов ПК - микроскопии полупроводниковых кристаллов и также новым устройстве*\ дополняющим многофункциональный лазеросхан. - ,

В первой часта главы описываются принципы построения многофункционального лазероскана. Рассмотрена взаимосвязь и возможные режимы работы всех функциональных узлов комплекса. Обосновываются достоинства использованных технических решений . и приводятся основные

характеристики лабораторного варианта лазероскана. Отмечается Еасокая универсальность усганопзь что связано с возможность») применения дверного излуче;гая от различных

ш

злучателей : газовый н<.--ме- лазер с тремя длинами волн и абор полупроводниковых лазеров а также значительное оличество дополнительных устройств расширяющих озможности лазероскана. Кроме того, отмечается как остоинстзо Iвм - совместимость устройства.

Во второй части главы обсуждаются особенности как реляционных диагностических методов, так и предложенных ами в настоящей работе. Рассматривается ряд аспектов армирования контраста в локально легированных образцах а акже способы визуализации оптическими методами локальных частков с отличающимися уровнями легирования. Приведены кспериментальные результаты визуализации локально згированных участков для кремния при регистрации граненного излучения, поляризационного контраста п а'лоуглового рассеяния а таюке при бесконтактной згистрации поверхностной фотоЭДС. Изложенный материал змонстрирует перспективность комплексного подхода и зстоинства многофункционального лазероскана.

В третьей части главы описан предложенный иами способ тпаратной оптической томографии, позволяющий повысить ззрешение по "глубинной" координате почти на порядок по эавнению с известными опубликованными за рубежом данными, «спериментальные результаты показали эффективность зинцила конфокального детектирования излучения прй шаратурноя томографии в рэлеевском рассеянии. Выделан змографический слой тотциной 2-3 мкм, что позволяет ; только обнаруживать рассеиващие центры но и

исследовать пространственную конфигурации микропреципитато ( в том числе декорированных дислокаций распределенных в объеме полупроводникового материала.

В четвертой части главы рассматриваются вопрос применения эллипсоидального отражателя дл

конфокальной регистрации изобретений полупроводников^ материалов и изделий в отраженном и рассеянной излучение Проводится сравнительный анализ классической конфокальнс схемы и схемы, содержащей эллипсоидальный отражателЕ Приводятся результаты численных расчетов "глубинногс разрешения и распределений интенсивности с использование ЭВМ. Отмечается, .что оптическая схема с отраг,:ащ1 эллипсоидом может не уступать в "глубинном" разрешат обычной схеме конфокального микроскопа с сохранен» достоинств присущих использовании ' эллипсоидально! отраяателя : большая доля концентрируемой на фотоприемни мощности, ахроматизм свойственный зеркальным система! возможность применения для излучений в широком диапазо: длин волн, практически полный диапазон углов рассеяни Рассматриваются возможности получения максимально разрешения в этом методе.

Третья глава посвящена исследованию электрофизическ свойств полупроводниковых кристаллов с помоц универсального лазероскана.

В первой части главы рассматриваются особенное формирования контраста изображений в режиме фэтеЭДС оптически наведенного тока и их связь с. пзпрэ*

40

икронеоднородностей кристалла. Дана корректная

нтерпретация пр!фоды инверсии контраста изображений римесных' дефектов на основе перехода квазиуровкей Фарт врез глубокие уровни дефектных образовании и на осноеэ оотношений мегхду глубинами залегания дефекта, диффузионной ;линой и глубиной проникновения света с различной нергией фотонов. Проведена корреляция меяду

тсазанными параметра»® и электрофизическими свойствами, i тагсхе глубиной залегания дефектов на примерз [зучекия микронеоднородностей кремниевых

¡отопреобразователей.

Во второй части главы описывается модифицированная :зтодика бесконтактной регистрации поверхностной локальной ЕотоЭДС и ее возмогшие применения для диагностирования и . ^следования полупроводгажовых структур. Приведены оценки r/вствителъности метода, продемонстрированы его возмогшости л преимущества при тестировании изделий \нкроэлектроники. Рассмотрены физические аспекты формирования контраста азображения электрически активных шасронеоднородностей в этом неразрушавдем метоле диагностики и его информативность.

В третьей часта главы приводятся результаты исследования электрических доменов и рекомбинационных волн в кристаллах кремния и германия. В частности показано, что поля электрических доменов в полупроводниковых кристаллах кояко , визуализировать . . и .исследовать' .. сканирущиня оптическими кетод^ки, в частности тага« образен проса"оно

",-■ '■ Г - -И ' ■

изучение доменов в крекнии » - типа проводимости с примесы цинка. Установлено, что область сильного поля локализуете} у катода, что противоречит выводам теоретических анализов, а область значительного изменения электрического пол} является индуцированной основными носителями, приче* инжэхция эта усиливается добавочными неравновесным! носителями, генерированными фотонами оптического зонда. Показано, что. образование доменов электрического пол? связано с примесно - ионизационным механизмом образован!« лавинного тока в кристалле, имеющем объемные микроне однородно с ти.

Основные вывода и результаты работы :

1. Модифицирован, дополнен новыми устройствами г соответствующим программным обеспечением многофункциональный лаззроскан, что позволило реализовав комплексный прибор нового поколения, пригодный как дл? научнык так и дая прикладных исследований.

2. Впервые реализован режим конфокальной аппэратно} микротомографии на основе отражакцих поверхностей второгс порядка, что позволило повысить пространственное разрешена на порядок при послойном профилировании полупроводниковые кристаллов ИК-раесеянным светом.

3. Показаны . преимущества нового решения задач! детектирования поверхностной фотоЭДС бесконтактны неразрешим способом для целей диагностик! полупроводниковых пластин и Функционирующих микросхем

ш

риведены оценки чувствительности метода,

родемонстрнрованы его возмоясности при тестировании изделий жсроэлектроники.

. Рассмотрены детали физического механизма формирования онтраста изображений электрически актив!их дефектов в олупрсводниковых кристаллах в ре::симе индуцированного птическим зондом тока. Дана корректная интерпретация рироды инверсии контраста изображений примесных дефектов а основе перехода квазиуровней Ферми через глубокие уровни ефектннх образований и на основе соотношений меяду лубинами генерации электронно-дырочных пар оптическим ондон и глубиной проникновения света с различной энергией стонов. Проведена корреляция мезду указанными параметрами [ электрофизическая! свойствами, а таете глубиной залегания ¡ефектов на примере изучения кикронеоднородностей .ремниевых фотсцреобразователей.

•.Комплексными методами • оптической микроскопии и щтроскопии исследованы некоторые электрофизические ¡араметры полупроводндасвйх структур на- основе врсенмда •аллия и кремния, изучено влияние исходных дефектов на юкальнув прозодимость и пробойные явления, з.Изучены особенности возникновения рекомбинационннх волн и электрических доменов в германии , легированным марганцем и гремнии легированным цинком. Показано, что область сильного электрического поля локализуется в кристалле германия у анода, а кремния у катода , т.е. у контакта, от которого «чинается движение рекомбинационных волн. Экспериментально*

и

установлено, что эта область является индуцированной и ее протяженность растет по линейному закону с увеличение?-напряжения на образце, и что образование и рост облает! сильного поля сопровождается наличием сублинейного учаспи вольт-амлерной характеристики образца.

Основные результаты опубликованы в работах : ).Э.И.Pay,К.К.Фролов."Нерязрушзщий контроль изделий микроэлектроники с помощью инфракрасного сканирующего интроскопа",12 Всесоюзная конференция "Неразрушащие Физические метода и средства контроля".Свердловск IS90,тезисы докладов,том 4, стр 79-80. 2.Л.В.Аксенов,В.В.Аристов,Э.И.Pay,Н.Г.Ушаксч,К.К.Фролов, "Оптическая сканирующая микроскопия и томография полупроводниковых кристаллов ".Тезисы докладов 7-гс Всесоюзного симпозиума по растровой электронной микроскопш и аналитическим методам исследования твердых тел (РЭМ-SI ) .г.Звенигород, (1991 ) .Москва, стр 2

З.Э.И.Pay,К.К.Фролов,"Лазерная сканирующая микроскопия : томография в рассеянном свете",Известия академии нау СССР,серия физическая,Т.55,No8,(1991),стр1623-1626.

4 . V . V. Л г 1 stov.K. К. Froiov , Е . I . liau, " Laser Scanning íí i его scop ! M ro;v.:oj\v and И i с го tomo g raph v of sem i conduc to

«I riic-1 urrs" , ' Scnntii tig 1 3 ,Suppl 1 , ( 1991 I , p 1-85 .

r.. Л. В. Аксенов. В.В.Аристов, Э. И .Pay, К. К. Фролов, "Интроскопия!' иикротомография полупроводниковых структур в инхракраснс пучении". Известия академии паук СССР, сер; •1 >!"•:>! ч Г- с к г я, Т. 5 В3, (195? 1,стр83-£Э.