автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Вторично-ионная масс-спектрометрия тонкопленочных структур микроэлектронной технологии

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов

Р Г Б ОД

• л и1" ^ ЛЛ -Т

1 ь ОН!

На правах рукописи УДК 537.534.8

СИМАКИН СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ВТОРИЧНО - ИОННАЯ МАСС - СПЕКТРОМЕТРИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Специальность - 05.27.01 твердотельная электроника и микроэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка - 1995

Работа выполнена в Институте микроэлектроники РАН

Научный руководитель: Кандидат физико-математических наук

В.К. Смирнов

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук Доктор физико-математических наук

Г.Г. Сихарулидзе В.С, Черныш

Ведущая организация: Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе (С.-Петербург)

Защита состоится "¿2:" 1995 г. в час

на заседании Специализированного Совета К.ООЗ.90.01 в Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН по адресу: 142432, пос. Черноголовка, Московской области, ИПТМ РАН

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

Автореферат разослан "_"_ 1995 г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета кандидат химических наук

Н.В. Личкова

3.1879. Т. 100. ЯГГУ.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, КИИ 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 нм (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 матричнымй 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 Сз+;

- 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 методе 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 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

анализируемых слоев. Она включает методику in situ имплантации двух элементов-стандартов на установке ВИМС и методику определения индивидуальных зависимостей полезного оыхода положительных атомарных вторичных ионов от содержания кислорода в области эмиссии.

Научно-практическая значимость результатов работы:

- в практику послойного ВИМС-анализа введет-первичный-пучок ионов Для широкого набора сложных тонкопленочных структур, как перспективных, так и используемых в технологии микроэлектроники, его применение позволяет получить более обширную и достоверную информацию о распределении элементов по глубине, чем та, которую может обеспечить ПА с первичными пучками 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 □ 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во- введении обоснована актуальность темы диссертации, формулируются цель и основные задачи работы, показаны научная новизна результатов и их практическая значимость, а также представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор литературы, сформулированы требования, предъявляемые к послойному ВИМС-анализу базовых структур СБИС, на основаннии чего осуществлена постановка задачи диссертационной работы.

Поликристаллические пленки металлов, диэлектрические слои и слои легирования являются основными структурными элементами планарной технологии. Их сочетание в многосойных структурах обеспечивает формирование контактов, затворов, многоуровневой металлизации, а также активных элементов. В настоящее время внимание исследователей и технологов привлекают также структуры, получаемые в кремнии методами ионного синтеза и молекулярный эпитаксии. К первым относится - "кремний на изоляторе" (К.НИ) , ко вторым - эпитаксиальные слои с 5-легированием.

Послойный элементный анализ является источником необходимой информации о распределении различных компонент по глубине указанных структур. Использование ионной бомбардировки одновременно' для генерации аналитического сигнала и распыления поверхности образца, высокая чувствительность регистрации микропримесей и пространственная локальность делают ВИМС основным инструментом послойного анализа (ПА).

Анализ литера+уры и длительная практика позволяют выделить наиболее актуальные на сегодняшний день аналитические задачи. Это ПА:

-' многослойных пленочных структур на основе металлов с высоким

разрешением по глубине (< 10 им), сохраняемым до глубин -1 мкм ;

- кислорода в многослойных структурах в широком диапазоне

концентраций;

- сложных многослойных структур как единого целого;

- эпитаксиальных слоев с 5-легированием, требующим разрешения

по глубине на уровне им;

- количественный ПА тонкопленочных структур.

Штатные режимы работы установок ВИМС, использующие химически активные пучки ионов Ог+ и Сз+ для повышения чувствительности, часто не позволяют выполнять ПА в соотвествии с заданными требованиями. Анализ литературных данных показал, что расширение возможностей метода может быть связано с использованием в ПА также химически активных первичных ионов (ПИ) азота. Однако, имеющиеся к началу выполнения данной работы отдельные разрозненные сведения, касались применения ПИ 1М2+ для анализа поверхности массивных образцов .

Апробация первичного пучка проводимая в сравнении с

традиционными пучками - Ог+ и Сз+, и определение области его наиболее эффективного приложения в ПА тонкоплеиочных структур стало одной из задач настоящей работы. Детальное изучение процессов взаимодействия химически активных ионов с поверхностью кремния и тонкими пленками должно послужить основой ео решения. При этом проблема микрорельефа поверхности, инициируемого ионной бомбардировкой, заслуживает особого внимания, поскольку он являяется главной причиной потери разрешения по глубине при ПА поликристаллических пленок металлов.

Разнородность физико-химических свойств слоев, составляющих многослойные пленочные структуры, трудности теоретического описание

процесса вторично-ионной эмиссии и сильная зависимость эмиссионных свойств поверхности от условий анализа определяют необходимость экспериментального изучения процесса вторично-ионной эмиссии в химически активных условиях. Его результатом должна стать разработка подхода к безэталонному послойному количественному анализу, являющемуся альтернативой практикуемому способу определения концентраций посредством прямой калибровки по каждому элементу. Актуальность такой альтернативы определяется, высокой стоимостью изготовления стандартных образцов и проблематичностью проведения калибровки для тонких слоев.

Изложенное выше определяет основную задачу работы исследование процессов формирования измененного поверхностного слоя и эмиссионных явлений, происходящих при взаимодействиии химически активных ионных пучков с тонкопленочными структурами. Расширение возможностей послойного ВИМС-анализа объектов микроэлектронной технологии является конечной целью такого исследования.

■ • Вторая глава,, состоящая из трех разделов, посвящена изучению закономерностей, определяющих параметры ПА пленок металлов, диэлектриков и многослойных структур в химически активных условиях. Все эксперименты в настоящей работе выполнены на вторично-ионном масс-спектромтре САМЕСА 1МЭ-4Г

В первом разделе главы представлены экспериментальные результаты для первого класса объектов - тонких поликристаллических пленок металлов и установлены экспериментальные условия их' ПА, обеспечивающие максимальное разрешение по глубине (РГ). РГ характеризуется величиной уширения СЗ- абсолютно резкой границы разнородных. материалов, обычно определяемой изменением интенсивности аналитического сигнала с уровня 0.84 до 0.16 от его стационарного значения.

Определялась эффективность ПА многослойных пленок ("сэндвичей") на основе металлов: А1, Мо, Л, \Л/, Сг - при бомбардировке поверхности ПИ Ог+, Сэ.+ Аг+ и N2+. Установлено, что бомбардировка ПИ N2+ обеспечивает наилучшее РГ. Величина для азотного пучка не превышала 8 нм, оставаясь неизменной по всей толщине структуры. В остальных случаях в большей или меньшей степени наблюдалась деградация РГ с глубиной.

В настоящей работе установлено, что создание кислородной атмосферы над образцом (РОг = Ю-5"Торр) является общим

методическим приемом значительного улучшения РГ при ПА многослойных . поликристаллических .пленок металлов. Согласно литературным данным, образование химических соединений (оксидов, нитридов) подавляет эффекты каналирования и сдерживает поверхностную миграцию. Названные процессы ответственны за развитие микрорельефа в условиях ионной бомбардировки Необходимость регистрации кислорода в образце и условие достаточно высокой способности к хемосорбции кислорода материалов структуры задают границы применимости данного приема.

Второй раздел главы посвящен определению возможностей ПИ Ыг"1" в ПА диэлсктирических слоев. На приборах типа. 1МЭ-4! режим самокомпенсации заряда - наиболее эффективный при работе с изолирующими слоями - обеспечивается использованием коллинеарной электронной пушки в сочетании с регистрацией отрицательных вторичных ионов (ВИ). На нескольких примерах ПА структур с диэлектрическими слоями, проводимого в названном режиме, показаны преимущества первичного пучка 1\1г+ при анализе такого рода объектов. Они обусловлены следующими факторами:

Во-первых, в отличие от кислородного пучка, пучок N2"*" позволяет осуществить регистрацию кислорода в образцах, являясь таким образом альтернативой пучку Сз+.

Во-вторых, бомбардировка ПИ Сэ+ порождает значительные матричные эффекты, особенно ярко выраженные на границах между оксидным диэлектриком и проводящей подложкой. Работа выхода поверхности, имея определяющее влияние на эмиссию отрицательных ВИ, очень чувствительна к малым изменениям содержания Сэ и О.

В-третьих, ограничение интенсивности тока ПИ - необходимое условие при работе с диэлектриками - особенно велико для ПИ Сб4", что связано с высоим уровнем ион-электронной эмиссии, присущим бомбардировке тяжелыми ионами оксидного диэлектрика. Понижение, вследствие этого, скоростей распыления приводит к повышению пределов обнаружения газообразующих примесей и существенному возрастанию времени анализа по сравнению с пучком Кроме того, обнаружено почти двукратное отлично скоростей распыления оксида кремния ПИ Ыг"1" и чистого кремния ПИ

Тот факт, что инициирование эмиссии отрицательных ВИ пучком ионов азота сопровождается минимальными матричными эффетами, был использован для решения задачи количественного ПА кислорода в кремнии методом ВИМС в широком диапазоне концентраций (от уровня

БЮг до 1018 см;2). Постановка такой задачи определялась потребностями технологии "кремний на изоляторе" (КНИ). Использование имплантации высоких доз кислорода на исходной стадии формирования КНИ-структур задает непрерывное изменение содержания кислорода в образцах в указанном выше диапазоне концентраций. В области высоких концентраций ему соответствует непрерывное изменение выхода ВИ О' и Б!", а также, для ПИ непрерывное изменение скорости распыления. Для устранения влияния последнего фактора на результаты ПА использовалась специально разработанная методика, прямого преобразования шкалы времен профиля ПА в шкалу глубин.

Методика включает изготовление кратера-шлифа поверхностных слоев образца, его прецизионное профилометрирование и математическую обработку полученного профиля. Кратер трапециевидной формы получается путем смещения растра хорошо сфокусированного пучка ПИ Ыг+ с постоянной скоростью вдоль одной из его сторон. Для некоторого центрального участка склона кратера зависимость его глубины Т от линейной координаты X с точностью до постоянного множителя эквивалентна зависимости глубины 2. от времени ( анализа, проводимого в сходных условиях. Величина сК/ЧХ задается коэффициентом распыления соответствующего слоя. Использование линейной аппроксимации зависимости выхода ВИ 160" от содержания кислорода для концентраций, превышающих определенное пороговое значение, позволило устранить влияние матричных эффектов в области высоких содержаний кислорода, что подтверждается результатами ПА, выполненного методом оже-электронной спектроскопии.

В третьем разделе главы определены оптимальные условия ПА многослойных структур, включающих поликристаллические пленки металлов и диэлектрические слои. В данном случае требовалось одновременно обеспечить высокое РГ, хорошую компенсацию заряда и минимальные матричные эффекты. В соответствии с результатами предыдущих разделов средством решения поставленной задачи стало использование. ПИ и коллинеарной электронной пушки в режиме

самокомпенсации заряда (отрицательные ВИ).

Преимущества пучка Ыг+ наиболее наглядно

продемонстрированы!^ на примере структуры двухуровневой металлизации, содержащей 7 различных слоев. Только с помощью ПИ удалось зафиксировать все слои двухуровневой металлизации и выполнить сравнительный анализ методом ВИМС образцов, прошедших различные стадии технологического процесса. Была прослежена

эволюция пленок АК в процессе изготовления структур, эффективность отмывок по Г, 01, О, Са, К и т.д., определено качество снятия фоторезиста и примесный состав, задаваемый процессом ПХ травления.

Таким ■образом, установлено, что использование пучка в

режиме регистрации отрицательных ВИ позволяет оптимальным образом выполнить ПА сложной тонкопленочной структуры и достичь поверхности легированных слоев кристалла. Данные условия анализа не обеспечивают максимальной чувствительности регистрации основных примесей. Однако, требование выполнить анализ всей структуры в один прием (и значит с минимальными издержками) предполагает регистрацию малых концентраций примесей при инициировании эмиссии ионами Г\1-2+- В этой связи была выполнена работа по оптимизации условий анализа и определению пределов обнаружения основных легирующих (В, Р, Аэ) и ряда загрязняющих (С), Р, 3, К, №, Си, 2п) примесей в кремнии, в результате которой установлено:

(1) Выбор молекулярных ионРв ВИ" и АзЭг обеспечивает наибольшую чувствительность регистрации В и Аэ в Б| при инициировании эмиссии ПИ N2+

(2) Анализ фосфора в кремнии с использованием ПИ Ыг+ не уступает по

чувствительности таковому с использованием ПИ Ог+ и даже несколько выигрывает по пределу обнаружения.

(3) Чувствительность регистрации отрицательных ВИ С1, Р, Б, О мало зависит от выбора ПИ, что объясняется высоким сродством к электрону этих элементов. Пределы обнаружения названных элементов определяются главным образом адсорбцией из остаточной атмосферы и, следовательно, скоростью распыления, откуда следует дополнительное преимущество,связанное с применением ПИ

(4) Чувствительность регистрации положительных ВИ щелочных металлов

(К, N8) мало зависит от выбора ПИ, что объясняется низким потенциалом ионизации этих элементов.

В третьей главе, состоящей из двух разделов, представлены результаты экспериментального исследования процессов, происходящих при взаимодействии химически-активных ионных пучков с поверхностью кремния; определено влияние указанных процессов на параметры послойного ВИМС-анализа эпитаксиальных слоев кремния с 6-легированием.

Послойный анализ структур с 6-легированием должен обеспечивать разрешение слоев, имеющих толщину от доли монослоя до нескольких

монослоев. В отличие от ситуации, рассмотренной во второй главе, образование рельефа, как правило, больше не является основной причиной ограничения РГ. На передний план выходят кинетические явления, происходящие в пределах модифицированного ионной бомбардировкой поверхностного слоя. Относительный успех моделирования таких явлений для инертных ПИ не распространяется на химически-активные условия. В этой связи представляло интерес исследование кинетики формирования измененного слоя при бомбардировке поверхности кремния ПИ и Ог+ а также свойств этого слоя в отношении подвижности примесей. Его результаты представлены в первом разделе главы 3.

Для изучения кинетики начальной стадии распыления кремния пучком ионов (17 кэВ, 25°) был выполнен эксперимент с

использованием методики ионно-зондового шлифа. Указанные условия эксперимента отвечают формированию поверхностного слоя нитрида кремния. Участок профилограммы склона кратера-шлифа и зависимость относительной скорости распыления от глубины (\/х[2)~в2/йХ) приведены на рисунке 1. Графики зависимостей на рис. 1 непосредственно отражают процесс образования фазы 31зЫ4 в поверхностном слое кремния,' модифицированном бомбардировкой ионами Ыг+. Он проявляется в скачкообразном распухании поверхностного слоя, которое компенсирует движение фронта распыления вглубь.

Рис. 1.

а) Профилограмма склона кратера шлифа, сформированного пучком ионов на поверхности образца в/. .

б) Зависимость относительной скорости распыления \/х от глубины 2.

Этому моменту соответствует особенность - отрицательная скорость распыления,- наблюдаемая на графике зависимости \/х(г). Глубина локализации (18 нм) процесса резкого образования фазы нитрида при данных условиях бомбардировки соответствует величине среднего проецированного пробега ионов азота. Определяемая экспериментально величина распухания модифицированного ' слоя А (рис 1а.) использовалась для устранения ложного смещения профилей ПА,

вызванного эффектом распухания. Отмеченные особенности являются спецификой взаимодействия с кремнием ПИ азота и не наблюдались в аналогичном эксперименте с использованием первичного пучка Ог+-

Изучение свойств оксидных и нитридных слоев в отношении подвижности примосей в условиях ионной бомбардировки проводилось на примере N3 в , поскольку натрий является одной из наиболее подвижных примесей. Показано, что для пучка ионов С>2+ в условиях формирования' поверхностной пленки стехиометрического оксида профиль имплантированного в кремний N3,сильно искажается за счет процессов электромиграции и сегрегации на границе пленка/кремний. Профиль 1Ч!а, полученный с использованием ПИ близок к его

реальному распределению. Полученный результат позволяет утверждать, что формируемая при ионной бомбардировке нитридная пленка ограничивает подвижность примеси. Данное свойство нитридного слоя является весьма ценным с точки зрения послойного анализа

Исследовалась зависмость РГ при ПА мелкозалегающих 5- слоев ве и В в эпитаксиальном от условий анализа, определяющих специфику формирования и своства измененного поверхности ого слоя. Результаты исследования изложены во втором разделе главы 3.

Спад аналитического сигнала при пересечении фронтом распыления резкой границы между слоями описывается зависимостью вида 1=10 ехр(-х/А.), где х-глубина распыления. РГ , принято характеризовать толщиной слоя X, на которой I уменьшается в е-раз. Для 5-слоев В и ве с глубинами залегания И в пределах 60-140 нм исследована зависимость А. от величины среднего проецированного пробега Яр первичных ионов Сэ"1", Ог+и в широком диапазоне

энергий пучка (Ер от 3 до 17,5 кэВ). В качестве иллюстрации на рис.2 приведена зависимость МИр) Для 5-слоя В в .Зк

Согласно литературным данным, для первичных пучков инертных газов (Ые+, Аг+, Хе+) а также Сэ+ наблюдаемая линейная зависимость Л(Вр) определяется механизмом каскадного перемешивания. Профили ПА, получаемые с использованием ПИ Ог"1" демонстрируют значения меньшие значений, рассчитанных исходя из модели каскадного перемешивания. Данный эффект вызван распуханием поверхностного слоя за счет химического связывания имплантированных атомов первичного пучка. Он находит свое объяснение о рамках модели свеллинга. Аналогичные представления справедливы и в случае химически активного к кремнию пучка ионов 1\)2+.

/

б

4

8

Рис.2. Зависимость X для 5- слоя бора от среднего проецированного пробега первичных ионов йр. • -02+ ; А -Ы2+; х - Сб+;+ -Ог х, +- литературные данные

3 10 15 Кр>нм

Экспериментальная зависимость ЦЯр), полученная в настоящей работе с использованием ПИ Ог^для 6- слоя ве, показывает хорошее совпадение с литературными данными для условий анализа, не приводящих к образованию стехиометрического оксида (полжигельные ВИ, угол бомбардировки > 30°). При регистрации положительных ВИ имеет место сдвиг прямой Х(Яр) в сторону больших А. при сохранении угла ее наклона. Данный режим обеспечивает условия формирования ЭЮг для всех использованных энегий первичного пучка (углы < 30°). Найденная закономерность может быть связана с явлением сегрегации атомов йе на границе 3102/3':, ведущим к затягиванию заднего края профиля. Подобный эффект не обнаружен для ПИ азота. Точки полученные в режиме регистрации как положительных, так и отрицательных ВИ ложатся на одну прямую, имеющую меньший наклон, чем для ПИ 02+-

Экспериментальная зависимость Ц1Чр), полученная для для 5- слоя В с использованием ПИ 1Ч2+ также имеет меньший наклон и лежит ниже соответствующей зависимости, полученной для ПИ 02+ (рис. 2). Принимая по внимание, что бомбардировка ПИ 02+, как показано в настоящей работе, приводит к большему распуханию измененного слоя, меньшие значения X, получаемые при прочих равных условиях для ПИ М2+ по сравнению с ПИ О2"1", не могут быть объяснены в рамках модели свеллинга. Этот достаточно тонкий эффект может быть связан с дополнительным ограничением подвижности примесей в матрице кремния, насыщенной азотом. Данное предположение хорошо согласуется с выводами, сделанными ранее Установленное свойство измененного слоя, формирующегося при при бомбардировке кремния ПИ Гч12+, обеспечивает преимущество данного первичного пучка по сравнению с кислородным.

Наиболее явно приоритет пучка N2^ по параметру X выражен при работе в области высоких энергий ПИ, что в условиях САМЕСА соответствует режиму регистрации отрицательных ВИ. Последний оптимален для регистрации электроотрицательных элементов (С, О, Р, С1 и др). Показано, что одинаковый предел обнаружения по кислороду достигается для пучков Сэ+ и В тоже время, бомардировка ПИ Ы2+ обеспечивает существенно меньшее значение 1. Таким образом, использование одного первичного пучка - - в ПА эпитаксиальных

структур на основе с 5-слоями ве и В позволяет также получить достаточно полную информацию о содержании многих примесей в образце. Традиционно такая задача решается путем последовательного применения ПИ С>2+ и Сэ+, что требует дополнительных временных затрат.

В экспериментах с использованием пучка ионов М2+ зарегистрирован аномальный характер уширения профиля ПА 5-слоя при определенных условиях бомбардировки. Профили ПА эпитаксиального слоя 31 с двумя 5-слоями ве, представленные на рис.3, иллюстрируют обнаруженный эффект. Различие в форме профилей 1 и 2 для пучков 02+ и М2+ не находит объяснения в рамках существующих представлений об уширении границ в монокристаллических структурах на малых глубинах ( 100 нм).

Согласно литературным данным, наблюдаемая форма профиля 5-слоя определяется образованием волнообразного периодического микрорельефа, инициируемого бомбардировкой ионами N2+" на малых глубинах. Для пучка 02+ глубина возникновения такого рельефа в кремнии на порядок больше.

С,с/

Рис. 3. Профили послойного

анализа структуры с двумя 6-слоями ве в на глубинах 80 и 100 нм. Первичный пучок: 1 - N2+; 2 - 02+ :(Ер=ЗкэВ, 9-47°)

Четвертая глава посвящена проблеме безэталонного послойного количественного ВИМС-анализа тонкопленочных структур. Использование

нового пучка ПИ - - явилось эффективным средством решения ряда актуальных проблем ПА. Однако, большее влияние кислорода на эмиссию положительных ВИ, обеспечивает большую чувствительность регистрации большинства элементов. Кроме того, значительный объем присутствующих в литературе данных по коэффициентам относительной чувствительности (RSF), получен на приборах САМЕСА IMS-3f,4F с использованием ПИ 02+. Данные обстоятельства определили выбор в пользу кислородного первичного пучка при реализации количественного ПА и потребовали экспериментального изучения факторов, определяющих вторично-ионную эмиссию положительных ВИ при бомбардировке поверхности твердого тела ионами кислорода.

Первичный пучок ионов Ог+ применяется во вторично-ионной масс-спектрометрии более двух десятков лет, тем не менее, особенности взаимодействия в системе примесь-матрица-кислород в неравновесных условиях и влияние кислорода на эмиссию ВИ изучены до сих пор недостаточно.' Анализ опубликованных данных по RSF, выполненный с точки зрения определяющего влияния кислорода на выход ВИ, позволил выделить линию Li-Ag на плоскости (log RSF, IР) в качестве базовой. Здесь IP - потенциал ионизации элемента. Элементы, устойчиво тяготеющие к ■ базовой линии (Na, Li, Rh, Ад, Те, Au, Tl, Pb), слабо взаимодействуют с кислородом. Большинство других элементов расположены ниже базовой линии. Было сделано предположение, что для таких элементов каналы эмиссии, связанные с присутствием атома (атомов) кислорода вблизи распыляемого атома, определяют увеличение вероятности его ионизации. В основу разработанного в настоящей работе подхода к количественному ПА были положены две идеи. Во-первых, локально определять параметры базовой линии посредством in situ имплантации двух элементов - внутренних стандартов (Li, Ад). Во-вторых экспериментально находить индивидуальные зависимости полезного выхода ВИ элементов U, от содержания кислорода Cqv в области эмиссии.

Методика in situ имплантации пары элементов - внутренних стандартов непосредственно на установке ВИМС изложена в первом разделе главы. Реализован способ получения ионных пучков Li+ и Ад+ совместно с зондирующим пучком (Ог+, 0+) из одного источника в штатном режиме работы ВИМС IMS-4F (Ер=8кэВ). Это позволило упростить процедуру имплантации и ПА имплантанта, т.к. смена пучка стандарта на зондирующий осуществляется перестройкой масс-сепаратора первичного пучка. Распыляемые материалы (серебро и

метаборат лития), служащие источником ионов для имплантации, помещались на промежуточном электроде дуоплазматрона. Ионные токи стандартов варьировались в диапазоне 1-50 лА, а времена экспозиции от 10 сек до 20 мин, что обеспечивало достаточные для уверенной регистрации дозы. Имплантация внутреннего стандарта выполнялась после предраспыления поверхности образца зондирующим пучком, что обеспечивало корректность ПА мелкого профиля. Калибровка доз внутренних стандартов осуществлялась с использованием табличных значений РЭРдля матрицы Si.

Необходимо подчеркнуть, что имплантация тяжелых ионов (107Ад+) с низкой .энергией потребовала внимательного отношения к явлению перераспыления. Зависимость интеграла по току ВИ 107Ад+, регистрируемого в процессе имплантации, от времени экспозиции использовалась для контроля доли перераспыленных атомом и коррекции значений полезного выхода UAg. Для матрицы кремния определялась воспроизводимость процедуры определения полезного выхода ионов через in situ имплантацию. Погрешность измерения ULl не превышала 4%, UAg - 7%, что позволило с достаточной точностью находить параметры базовой линии: logU = ко + krIP;

к-, = Log(Ub/UAg)/(IPL, - 1PAg) (1),

ко = LogUL„- ki IPLl.' (2).

Во втором разделе главы изложена оригинальная методика экспериментального, in situ, определения зависимостей Uj(Cov). Контролируемое изменение объемной концентрации кислорода Cqv вблизи ее стационарного для основного режима анализа значения Cqw достигалось сменой зондирующего пучка с Ог+ на 0+. Для устранения влияния матричных эффектов при определении Cnv регистрировались ионы 0+с "отрицательными" энергиями. Известно, что ионы, принадлежащие "отрицательному хвосту" энергораспределения образуются над . поверхностью образца в результате процесса постионизации. Зависимость Cqv от времени анализа, полученная после такого переключения представлена на рисунке 4.

Рис. 4 Изменение объемной концентрации кислорода в измененном слоя образца после смены

зондирующего пучка с Ог+ на 0+.

11_I___._I._!__

О 50 100 150 200 250 время сск

Шкала концентраций кислорода для матрицы кремния калибровалась через значение Сд,^ -2.7 ЛО22 ат.см3, найденное методом ОЖЕ. Для остальных матриц пересчет Со„ производился с использованием этого значения, исходя из известного представления о том, что обьемные стационарные концентрации кислорода для различных матриц обратно пропорциональны их линейным коэффициентам распыления.

Зависимости Ц(С0у). определялись в экспериментах с имплантированными образцами: В, А1, Р, Б, К, Си, 1п, Аэ в В и Р в Се; Ве в СаР. Смена зондирующего пучка с Ог+ на 0+ производилась вблизи максимума имплантированного профиля. Зависимость ионного тока от времени распыления I, (I), регистрируемая после смены режима бомбардировки, отражают зависимость полезного выхода элемента от содержания кислорода. Зависимости 1,(1) преобразовывались в зависимости и^Сцу) с использованием Сду(1), 0,(1'), интенсивностей зондирующих пучков Ог"1" и 0+ и отношения линейных коэффициентов распыления данной матрицы, найденных экспериментально для обоих пучков. Здесь 0,(1') - участок профиля ПА имплантанта, полученный в основном режиме анализа (ПИ Ог+). Зависимость ив(Соу) для бора в кремнии представлена на рисунке 5., Большинство экспериментальных кривых ЩСо). полученных в настоящей работе, в общих чертах схожи с графиком, представленным на рис. 5, однако, ид|(СоУ) и ик(СоУ) имели нулевой наклон.

В третьем разделе главы представлена полуфеноменологическая модель эмиссии положительных ВИ в условиях кислородной бомбардировки. Установлено, что производные сЮ/сЮоу, нормированные на стационарные значения полезного выхода ЩСо«/). коррелируют с отклонениями величин полезного выхода и, от базовой линии. Отклонения Я, = 11|/10(|<° + |Р'), найденные для матрицы представлены на рисунке 6 как функция величины 5СоГ1 = сИ^/сЮоу/и^СсыУ Параметры

базовой линии к-, и кд определяются выражениями (1) и (2). Тот факт, что зависимость ЩбСо,"1) является гиперболической, непосредственно следует из предположения, что величины и, двигаются по направлению к базовой линии вдоль кривых и,(Со), когда величина Со уменьшается от своего стационарного значения Со№ до некоторого значения Сох-Действительно,

и,(С0Х)=и,(С0ш) - сЮ,/с]СоИСо«-Сох)

и

и,(Совд)/и|(Сох) = (1 - 5СогЧСоигСох))-1 (3)

! -р

30 !

I I

I ,

201 >'

| Си.^'Ф

О I-->- .

03 06 09

Рис 6. Зависимость отклонений Я, величий I), от базовой линии У-Ад как функции

нормированных производных 5Со,'1 для матрицы Бт

Со.,, 10г!аг/см3

Рис. 5. Зависимость полезного выхода ионов В+ от объемной концентрации кислорода для матрицы Эк

Подгоночный параметр дСх = Cow - Сох = 1.14-1022 см"3 для матрицы Si определялся максимальным отклонением от базовой линии Rp = 32.7, характеризующим положение фосфора. Величины полезного выхода

U,' = R|' 10(ko + kt|Р.> ' (4),

рассчитанные для данного значения дСх, близко соответсвуют реальным значениям Uj. Максимальное относительное отклонение |Ur-U||/U, для указанных выше элементов не превышало 25%. Остальные результаты, полученные для В, Р в Ge и Be, Р в GaP, подтверждают найденные закономерности. Установлено, что для исследованных матриц подгоночный параметр дСх линейно возрастает с ростом Cqw.

Формула (4) позволяет рассчитывать значения полезного выхода на основании определяемых in situ эмиссионных параметров к-], kg и SCq,"1 для определенного круга элементов. Идея экспериментального определения параметра SCq," 1 ■ отражающего эмиссионный отклик системы примесь-матрица-кислород на изменение содержания кислорода, оказывается достаточно плодотворной, что особенно'наглядно может быть проиллюстрировано на следующем примере. Условия эмиссии ВИ Р+ в кремнии, где фосфор является примесью, и в GaP, где фосфор - матричный компонент, отличаются очень значительно, что' проявляется в различии значений параметра R для этих матриц (Rp = 32.7 в Si и Rp -1.2 в GaP). При этом величина SCq'1 .адекватно отслеживает это изменение условий эмиссии (SCq-1 = 0.848 10~22 см3 в Si и 5Cq"1 .= 0.29-Ю"22 см3 в GaP).

Вместе с тем, ряд экспериментальных фактов указывает на то, что в общем случае в формулу (4) необходимо ввести долнительный параметр - так называемый коэффициент нейтрализации СП|. Известно, что для элементов с достаточно низкими потенциалами ионизации наблюдается насыщение зависимости U(IР). Между тем, в настоящей работе наблюдались воспроизводимые вариации абсолютных значений полезного выхода ВИ щелочных металлов из разных матриц, диапазон изменения которых превышает фактор 2. Кроме того, в экспериментах по изучению кинетики установления стационарных условий эмиссии при бомбардировке кремния ионами О" обнаружено скачкообразное пятикратное падение эмиссии ВИ К+ при образовании фазы S1O2 Отсюда необходимо следует отдельное рассмотрение процесса нейтрализации. В двух случаях (Ge в Ge и Ga в GaP) рассчетные значения U оказались существенно выше их реальных значений. Это позволяет говорить о большой роли нейтрализации в процессе эмиссии ВИ этих элементов, что подтверждается анализом литературных данных по RSF.

Таким образом, в общем случае параметр СП| отражает свойства как матрицы, так и элемента. В качестве нулевого приближения предложено использовать коэффициенты нейтрализации, определенные для некоторой базовой матрицы (Si):

Сщ = U,/U,- (5).

Здесь U,' - значение полезного выхода i-r0 элемента, рассчитанное по формуле (4), a U, - его реальное значение. Такой подход является полностью правомерным, если Cm ~ См-Се, где См - параметр, характеризующий свойства матрицы в отношении нейтрализации (например, уровень ион-электронной эмиссии), а Се является

характеристикой элемента. В итоге конечное выражение, определяющее полезный выход ВИ для расширенного круга элементов имеет вид:

Uj' = R|' ■ СП| ■ 10|ko + |р,) •' (6).

В этот круг не попадают инертные газы, водород и галогены, имеющие отличные механизмы эмиссии положительных атомарных ВИ, а также ряд щелочных металлов (Cs, Rb, К).

На примере определения концентрации Si, имплантированного в в структуру AloiGaogAs, продемонстрировано поэтапное применение методики в полном объеме, начиная с in situ имплантации внутренних стандартов Li и Ад.

ВЫВОДЫ

1. Для широкого набора многослойных тонкопленочных структур, применяемых в кремниевой технологии СБИС, в сравнении с традиционными пучками первичных ионов - Ог+, Cs+ и Аг+, экспериментально доказана эффективность использования в послойном ВИМС-анализе нового пучка - N2+.

а) Показано, что, как правило, пучок ионов N2+ обеспечивает лучшее

разрешение по глубине при послойном анализе поликристаллических пленок металлов, чем пучки Cs+ и Аг+ . Общим приемом значительного улучшения разрешения по глубине для данных объектов является создание кислородной атмосферы над образцом;

б) Установлено, что использование пучка N2+ для послойного анализа слоев кремния содержащих высокие . концентрации кислорода, сопровождается значительно меньшими, по сравнению с пучком Cs+, матричными эффектами. На этом основании разработан способ количественного послойного анализа кислорода в кремнии в широком диапазоне концентраций;

в) Показано, что послойный анализ многослойных структур (типа двухуровневой металлизации), содержащих в себе слои металла, диэлектрика и полупроводника является областью наиболее эффективного применения пучка Ыг"1"-

2. Исследована зависимость разрешения по глубине от условий анализа в широком диапазоне энергий первичных ионов N2+ и Ог+ для

сверхтонких мелкозалегающих слоев легирования (5-легирование) В и Ge в кремнии.

3. Для пучка N2+ установлено влияние процессов фазообразования и развития микрорельефа поверхности на разрешение по глубине, форму профиля 5-слоя и его положение по шкале глубин. На основании сравнительного анализа показано, что в ряде случаев послойный анализ с использованием первичных ионов N24" может оперативно давать Наиболее достоверную и полная'информация об эпитаксиальных слоях Si с6-легированисм.

4. Для обеспечения безэталонного послойного количественного ВИМС-анализа тонкопленочных структур на содержание микропримесей предложен эмпирический подход к определению величин полезного выхода вторичных ионов при инициировании ВИЭ пучком; ионов кислорода. Его основой являются:

а) Разработанная методика in situ имплантации пары элементов-внутренних стандартов: Li,Ад в штатном режиме работы установки ВИМС;

б) Разработанная методика локального определения зависимостей выхода положительных вторичных ионов от содержания кислорода в приповерхностном слое образца.

в) Эмпирическая модель эмиссии вторичных ионов в условиях кислородной бомбардировки.

Публикации по теме диссертационной работы

1. Смирнов В.К., Симакин С.Г., Потапов Е.В. Послойный анализ тонкопле.ночных структур металлов методом вторично-ионной масс-спектромегрии в химически активных условиях.- Тез. докл. 9-ой Всесоюзн. конф. " Взаимодействие атомных частиц с твердым телом ". т.1, 4.2, Москра, 1989, с.262-264.

2. Smirnov V.K., Simakin S.G., Potapov E.V. SIMS depth profiling of metal thin

films by different primary ions. - Vuoto 1990, v. XX, № 2, p. 329-333.

3. См-ирнов В.К., Симакин С.Г., Потапов Е.В. Послойный анализ тонкопленочных структур металлов методом вторично-ионной масс-спектрометрии в химически активных условиях,- Известия АН СССР, сер.физич., 1Э90, т.54, № 7, с. 1343-1346.

4. Симакин С.Г., Смирнов В.К. Послойный анализ диэлектрических структур методом !ВИМС при бомбардировке поверхности ионами N2+-- Тез. докл. Всесоюзн. совещания-семинара "Диагностика поверхности ионными пучками." Одесса, 1990, с. 155-156.

5. Смирнов В.К., Симакин С.Г. Первичный пучок ионов Ыг"1" в технике послойного анализа методом ВИМС.- Труды ежегодной общеинститутской конференции "Современные проблемы микроэлектроники". Институт микроэлектроники АН СССР, Ярославль, 1991, с. 103-111.

6. Симакин С.Г., Смирнов В.К. Послойный анализ распределения бора в матрице кремния методом МСВИ в режиме регистрации вторичных ионов BN" -Тез. докл. VI Всесоюзн. семинара "Вторично-ионная и ионно-фотонная эмиссия". Харьков, 1991, с.134-136.

7. Смирнов В.К., Симакин С.Г., Баталина A.B. Анализ слоев имплантации

ряда элементов в кремнии методом МСВИ при бомбардировке поверхности ионами N2+.-Тез. докл. X Всесоюзн. конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью." т.2, Москва, 1991., с. 26-28.

8. Смирнов В.К., Симакин С.Г. Анализ слоев имплантации ряда элементов

в кремнии методом МСВИ при бомбардировке поверхности ионами N2+.-Известия РАН, сер. физич., 1992, т.56, № 6, с. 101-105.

9. Smirnov V.K., Simakin S.G. N2+ primary ion beam in negative SIMS depth profiling.-Proc. of the 8-th Intern. Conf. on Secondary Ion Mass Spectrometry. SIMS-VIII /Eds. Benninghoven A. et al. Chichester: Wiley.1992, p. 491-494.

10. Smirnov V.K., Simakin S.G. SIMS depth profiling of implanted layers under N2+ ion borbandment.-Vacuum, 1993, v. 44, №9, p. 885-887.

11. Смирнов В.К., Симакин С.Г. Особенности кинетики установления стационарного режима распыления кремния ионами N2+.- Тез. докл. 11-ой конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью." т. 1, Москва, 1993, с. 137-139.

12. Симакин С.Г., Смирнов В.К., Жохов A.B. Количественный послойный анализ кислорода в кремнии в широком диапазоне концентраций с коррекцией шкалы глубин методом ВИМС при бомбардировке поверхности ионами Ы2+--Поверхность, № 10, 1994, с. 65-73.

13. Смирнов В.К., Симакин С.Г, Макаров В.В., Потапов Е.В. Послойный анализ сверхтонких слоёв легирования Ge в кремнии методом вторично-ионной масс-спектрометрии.- Микроэлектроника, 1994, т. 23, вып. 5, с. 61-69.

14. Смирнов В.К., Симакин С.Г. Количественный послойный ВИМС-анализ тонкопленочных структур посредством in situ имплантации ионов низких энергий.- Тез. докл. Российской конф. "Микроэлектроника-94", ч. 2, Москва, 1994, с. 541-542.

15. Смирнов В.К., Потапов Е.В., Симакин С.Г, Макаров В.В. Разрешение по глубине при послойном анализе 5-легированного кремния методом вторично-ионной масс-спектрометрии.-Труды ФТИ РАН, 1995, N5 9, с. 61-69.