МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 39, № 5, с. 327-336
ДИНАМИКА МИКРО- И НАНОСТРУКТУР
УДК 621.385.833:548.316
ЭЛЕКТРОННО-ЗОНДОВАЯ НЕРАЗРУШАЮЩАЯ БЕСКОНТАКТНАЯ ДИАГНОСТИКА ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
© 2010 г. А. Ф. Александров1, С. А. Дицман2, Ф. А. Лукьянов1, Н. А. Орликовский3,
Э. И. Рау2, Р. А. Сеннов1
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 2Институт технологии микроэлектроники Российской АН 3Физико-технологический институт Российской АН E-mail: rau@phys.msu.ru Поступила в редакцию 24.01.2010 г.
Описан электронно-зондовый диагностический комплекс на базе растрового электронного микроскопа (РЭМ), позволяющий бесконтактным неразрушающим способом исследовать строение и архитектуру трехмерных приборных структур микроэлектроники и одновременно определять распределение электрически активных элементов, т.е. проводить дефектоскопию таких приборов. Параллельная диагностика основана на методе бесконтактного детектирования локальных электронно-индуцированных потенциалов и методе микротомографии в отраженных электронах в РЭМ.
ВВЕДЕНИЕ
Получение послойных изображений внутренних структур, т.е. "глубинный" мониторинг трехмерных объектов, актуален и практически важен при нераз-рушающей диагностике, тестировании и контроле качества в производственном цикле объектов, имеющих тонкопленочное строение, например, планар-ных интегральных микросхем. В последние годы одним из наиболее перспективных неразрушающих методов диагностики многослойных структур становится микротомография в отраженных электронах (ОЭ) в РЭМ, позволяющая получать сепарированные изображения определенных тонкопленочных слоев, скрытых под поверхностью объекта [1—3].
С другой стороны, бесконтактное детектирование электронно-индуцированного потенциала (ЭИП) в РЭМ зарекомендовало себя как действенный способ визуализации локальных электрически активных включений в полупроводниковых кристаллах, диффузионных барьеров ^-«-переходов и т.п. [4—6]. В настоящей работе эти методы и соответствующее приборное обеспечение объединены в едином диагностическом комплексе для осуществления одновременного параллельного детектирования обоих информативных сигналов. Такое решение позволяет проводить неразрушающий бесконтактный контроль качества и тестирование как объемного (трехмерного) строения тонкопленочных многослойных микро- и наноструктур, так и картографирование всех электрически активных элементов исследуемого образца (локальных потенциальных барьеров, дефектов полупроводникового кристалла, распределения примесей и скопления рекомбинационных центров).
МЕТОДИКИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
Подробное изложение методических вопросов микротомографии в РЭМ и описание соответствующей аппаратуры можно найти в работах [1—3], поэтому остановимся здесь только на основных аспектах обсуждаемых методик.
Схема электронного спектрометра—энергоанализатора, с помощью которого реализуется микротомография многослойных пленочных образцов представлена на рис. 1. Электронный зонд 1 РЭМ сканирует исследуемую трехмерную микроструктуру 2, помещенную на металлический держатель 3. Часть потока отраженных электронов, имеющих непрерывный спектр энергий, попадает в кольцевую щель спектрометра 4, после чего эти электроны отклоняются от начальных траекторий в пространстве между двумя тороидальными электродами, на которые подается соответствующее напряжение ±К Через выходную кольцевую щель дефлектора выходят только те ОЭ, которые имеют строго определенную энергию Е3, пропорциональную задаваемому напряжению ± V Электроны больших и меньших энергий, чем Е3, поглощаются на поверхности тороидальных электродов или отсекаются выходной диафрагмой. Электроны, прошедшие через анализатор и отфильтрованные в полосе энергий Е3 ± ДЕ, где АЕ — разрешение спектрометра, регистрируются кольцевым сцинтилляционным или полупроводниковым (из ряда планарных кремниевых фотоприемников) детектором 5. Сигнал с него поступает либо на видеоконтрольное устройство 8 РЭМ (при регистрировании изображений), либо на персональный компьютер 9 (при регистрировании
5
Рис. 1. Блок-схема параллельного детектирования в РЭМ сигналов ОЭ (микротомография подповерхностной структуры) и ЭИП (визуализация потенциальных барьеров).
энергетических спектров ОЭ). При этом в первом случае на электроды спектрометра от источника 10 подается фиксированное заданное напряжение ± V, а во втором — пилообразное. Спектрометр имеет относительно малые размеры, что позволяет легко инсталлировать его в стандартный РЭМ и, главное, его конструкция не мешает получать высокое пространственное разрешение, так как рабочее расстояние микроскопа не увеличивается.
Энергетическая полосовая фильтрация позволяет выделять группы ОЭ, имеющие определенные остаточные энергии, поскольку они отразились на соответствующей глубине образца, т.е. от определенного слоя. Глубина залегания и толщина искомого подповерхностного фрагмента структуры, или точнее, массовая толщина верхнего слоя как раз и определяет величину энергии ОЭ, детектируемых спектрометром при последовательном послойном мониторинге строения образца по глубине.
Для получения дополнительной информации о распределении потенциальных барьеров или любых электрически активных участков исследуемой микроэлектронной структуры осуществляется одновременное детектирование электронно-индуцированного потенциала на образце. В этом режиме датчиком сигнала служит металлическое кольцо 11, помещенное непосредственно между спектрометром и поверхностью тестируемой структуры 2. На электроде-детекторе посредством электростатической индукции через емкостную связь между кольцом 11 и возбуждаемым участком электрического барьера на поверхности сканируемого образца наводится электронно-индуцированный потенциал (ЭИП). Этот сигнал через зарядочувствительный предусилитель 7 поступает на экран РЭМ 8, формируя картину всех электрически активных фрагментов полупроводникового кристалла или микросхемы.
При ярко выраженной поверхностной топографии часть вторичных и отраженных электронов, по-
падающих на кольцевой детектор, дают фоновое изображение, аналогичное режиму вторичных электронов в РЭМ. Это свойство можно использовать в низковакуумных (атмосферных) РЭМ, но иногда требуется получить изображения только в режиме ЭИП, свободное от влияния топографии поверхности. Существенное подавление влияния топографии достигается при детектировании сигнала ЭИП с нижней стороны образца [6]. С этой целью образец 2 заземляется сверху, со стороны поверхности, а сигнал коммутируется переключателем 6 с подложкой 3, разделяемой от образца в этом способе детектирования диэлектрической прокладкой (на рис. 1 не показана).
Информация об электронных свойствах и локальных потенциальных барьерах полупроводниковых материалов и приборов, получаемая методом ЭИП в РЭМ во многом аналогична известному методу наведенного электронным зондом тока (НТ) при изучении р-п-переходов, барьеров Шоттки, ре-комбинационных центров в кристаллах. Существенное различие заключается не только в отсутствии любых контактов с образцом, но и в том, что роль разделяющего неравновесные носители барьера выполняет приповерхностная область пространственного заряда, где возникает изгиб энергетических зон. Вариации этого изгиба А V при электронном облучении носят локальный характер, зависящий от типа проводимости облучаемого участка полупроводника, величины потенциального барьера, времени жизни т и диффузионной длины Ь неравновесных носителей заряда и других электронных свойств кристалла. Изменения амплитуды АVв зависимости от времени I и координаты сканирования х регистрируются детектором ЭИП и формируют видеосигнал. Величину видеосигнала в первом приближении можно выразить следующим соотношением:
±Д Г = С в 1п [ 1 + (1,0/1,) ехр (-х/ Ь)]. (1)
Здесь С — емкостной коэффициент связи детектирующего устройства, в = kT/q — термический потенциал, 13 — обратный ток насыщения потенциального барье-
ра, О —эффективный темп генерации носителей заряда, равный (Ео/Е)(1 — п)^/(1 + £), где Е0 — энергия первичных электронов, Е — энергия генерации электронно-дырочных пар, п — доля отраженной энергии облучающих электронов, S — приведенная скорость поверхностной рекомбинации неосновных носителей заряда.
Важным фактором в выражении (1) является параметр С = С/О,, где С0 = 0.3 пФ — емкость в цепи обратной связи зарядочувствительного предусили-теля детектора ЭИП, С3 — емкость между локально облучаемым эквипотенциальным участком поверхности образца и детектирующим электродом. Емкость проволочного кольца-детектора относительно возбужденной площади образца в единицы мкм2 равна приближенно 0.6 пФ, т.е. в варианте детектирования АV над поверхностью образца коэффициент С = 2. При детектировании сигнала ЭИП с нижней стороны полупроводникового кристалла через диэлектрическую прокладку (т.е. при съеме сигнала с подложки 3 на рис. 1) емкость С3, а следовательно, коэффициент С и величина сигнала А V увеличиваются на порядок, причем вклад в видеосигнал от фоновой подставки вторичных электронов минимален. Но при этом следует учитывать, что быстродействие системы детектирования, зависящее от указанной емкости, значительно ухудшается.
Для установления определенного компромисса между качеством изображения в режиме ЭИП и временем сканирования одного кадра, рассмотрим кинетические характеристики сигнала ЭИП, которые важны при модуляционном режиме детектирования, когда электронный зонд прерывается периодическими импульсами с периодом 10, а видеосигнал выделяется с помощью Lock-in усилителя. Одновременно проанализируем близкие по физическим основам характеристики режимов наведенного тока (НТ) и одноконтактного наведенного тока (ОКНТ) [5-7].
Изменения заряда барьерной емкости р-п-перехода, возникающие при импульсном электронном облучении выражается формулой:
-йа/йг = (С, + С^)( йу/йг) = (1, + I) -1, ехр ( V / в), (2)
где О — емкость барьера, — генерированный зондом НТ
Из этого соотношения находим переходную характеристику для сигнала ЭИП при включении электронного зонда:
Кй( г) = в 1п
(1, +1) /I
1 ( 1 +1, г
1 + -
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.