Общие вопросы метрологии и измерительной техники
Л и т е р а т у р а
1. Кузичкин О. Р., Кулигин M. Н., Орехов А. А. Измерительный канал системы регистрации геомагнитных сигналов // Вопросы радиоэлектроники. 2010. Вып. 1. С. 122—128.
2. Troitskaya V. A., Chetaiev D. N., Morghounov V. A., Schamanin S. W. On the structure of geomagnetic pulsations field // Program and Abstracts for the XVI IUGG General Assembly. Grenoble, 1975.
3. Кузичкин О. Р., Кулигин M. Н., Пикалкин Ю. В., Сокольников M. А. Основные критерии проектирования автоматизированной системы сбора и обработки параметров полей геомагнитных пульсаций. Математические и технические средства обработки данных и знаний. Ташкент: «Кибернетика» АН РУЗ, 1996. С. 36—40.
4. Кулигин M. Н. Исследование характеристик распространения геомагнитных пульсаций типа Рс-3 и Pi-2: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук. М.: ИФЗ АН СССР, 1 989.
5. Анисимов С. В., Дмитриев Э. M., Анисимова Е. Б., Бока-стов С. С. Информационно-измерительный комплекс геофизической обсерватории «Борок». [Электрон. ресурс] http:// www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/4-2000/anisimov.htm (дата обращения 10.09.2014 г.).
6. Хейнлейн В. Е., Холмс В. X. Активные фильтры для интегральных схем. М.: Связь, 1980.
7. Кулигин М. Н., Кулигина Е. М. Фильтрация сигналов в диапазоне ультранизких частот // Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России: Тез. докл. Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. Муром, 2009.
8. Пат. 55232 РФ. Многодиапазонный активный фильтр / О. Р. Кузичкин, М. Н. Кулигин, М. Н. Благов, А. В. Цаплев // Изобретения. Полезные модели. 2006. № 21.
9. Кулигин М. Н. Цифровой генератор сверхнизких частот, реализованный на базе стенда SDK-1.1 // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2012. № 1. С. 16—18.
10. Кулигин М. Н. Минимизация аппаратных погрешностей, сопровождающих процесс измерения геомагнитных пульсаций Земли // Наука и образование в развитии промышленного потенциала и социально-экономической сферы региона: Тез. докл. науч.-практ. конф. Муромского ин-та Владимирского гос. ун-та. Муром, 2008. С. 179—180.
11. Кузичкин О. Р., Кулигин М. Н., Цаплев А. В. Методы повышения стабильности измерительного тракта в многоканальных геоэлектрических системах. Методы и устройства передачи и обработки информации / Под ред. В. В. Ромашова // Межвуз. сб. науч. трудов. М.: Радиотехника. 2008. Вып. № 10. С. 123—128.
Дата принятия 12.11.2014 г.
НАНОМЕТРОЛОГИЯ
Измерения толщины оксидной пленки на поверхности кремния электронно-зондовым
методом
В. П. ГАВРИЛЕНКО1, А. Ю. КУЗИН1, В. Б. МИТЮХЛЯЕВ1, М. А. СТЕПОВИЧ2, П. А. ТОДУА1, М. Н. ФИЛИППОВ1-3
1 Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума,
Москва, Россия, e-mail: fgupnicpv@mail.ru,
2 Калужский государственный университет им. К. Э. Циолковского»,
Калуга, Россия, e-mail: m.stepovich@mail.ru
3 Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН,
Москва, Россия, e-mail: fil@igic.ras.ru
Предложен электронно-зондовый способ измерений толщины оксидной пленки на поверхности кремния. Дана оценка диапазона измерений, латерального разрешения способа и погрешности измерений. Ключевые слова: оксидная пленка, толщина, электронно-зондовый метод.
The electron probe X-ray microanalysis method of measuring the thickness of oxide layer on silicon surface is proposed. The measurement range, lateral resolution and measurement errors of this method are estimated. Key words: oxide layer, thickness, electron probe X-ray microanalysis method.
Измерения толщины оксидной пленки на поверхности представляет диапазон, нижняя граница которого соответ-
кремния актуальны в нанотехнологиях, электронной техни- ствует толщине пленки естественного оксида 2—6 нм, а верке и метрологии. Наибольший интерес в настоящее время хняя 30—50 нм. Существует ограниченное число методов,
позволяющих проводить измерения в этом диапазоне. Оптический метод, получивший наибольшее развитие, — эл-липсометрия — имеет ограничения: для его реализации требуется знание оптических констант слоев, латеральное разрешение составляет около 10 мкм [1]. Это затрудняет измерения толщины оксидной нанопленки на отдельных элементах рельефных шаговых структур, в частности на структурах, применяемых для калибровки электронных микроскопов. Предложенный авторами способ измерений [2] на поверхности указанных структур с помощью просвечивающего микроскопа обладает уникальными метрологическими характеристиками (нижняя граница диапазона измерений — от десятых долей нанометра), однако является разрушающим, поскольку требует изготовления из исследуемой структуры тонкого поперечного среза. По этой причине значительный интерес представляет создание неразрушающего метода измерений толщины оксидной пленки на поверхности кремния.
Совершенствование в последние годы энергодисперсионных спектрометров (ЭДС) рентгеновского излучения, применяемых в электронно-зондовом микроанализе (уменьшение предельной чувствительности, возможность корректно работать при больших загрузках и т. п.), позволяет использовать для таких измерений зависимость интенсивности характеристического рентгеновского излучения кислорода от толщины оксидной пленки.
В настоящей работе предложен электронно-зондовый способ измерений толщины оксидной пленки, совместимый с растровой электронной микроскопией (РЭМ). Для измерений используется линейный участок зависимости интенсивности линии Ка кислорода (0,525 кэВ) от толщины оксидной пленки. Электронный зонд РЭМ устанавливают на выбранный для измерений участок структуры (он должен быть расположен строго перпендикулярно электронному зонду) и регистрируют рентгеновский спектр. Целесообразно использовать энергию электронов зонда 3—10 кэВ, поскольку при более высоких энергиях условия возбуждения сигнала неоптимальны и латеральное разрешение метода ухудшается. Силу тока зонда от 0,1 до нескольких наноампер выбирают из условий загрузки ЭДС. Подобные условия можно реализовать на большинстве современных РЭМ, ос нащенных ЭДС.
Рентгеновское излучение кислорода в тонкой пленке на массивной подложке возникает при прохождении через пленку первичного пучка электронов и потока обратно рассеянных электронов. При этом основное количество обратно рассеянных электронов образуется в кремниевой подложке. Кроме того, может быть значимым эффект второго порядка: энергия фотонов характеристического рентгеновского излучения кремния (линия Ка12 кремния 1,740 кэВ, линия Кр кремния 1,829 кэВ) достаточна для возбуждения К-серии кислорода (край поглощения 0,532 кэВ) и флуоресценции. Интенсивность характеристического излучения кислорода также может зависеть от изменения энергии электронов при торможении в пленке и вследствие поглощения излучения материалом при прохождении от области генерации до поверхности в направлении спектрометра. В большинстве случаев достаточно оценить верхнюю границу толщины пленки. Все оценки проведем, предположив, что оксидная пленка является диоксидом кремния.
При оценке вклада флуоресценции оксида под действием излучения подложки влиянием тормозного излучения
можно пренебречь. Достаточно оценить вклад от наиболее интенсивной линии Ка1 2 кремния. Для этого можно модифицировать условия отсутствия матричных эффектов при анализе пленок, предложенные в [3]. Влиянием флуоресценции кислорода под действием характеристического излучения кремния можно пренебречь вплоть до толщины оксидной пленки
^ = ^(ц °ю2 Рзю2) 0)
где — массовый коэффициент ослабления характери-
стического излучения линии Ка кислорода в пленке SiO2; PsiO2 — плотность пленки SiO2.
Массовые коэффициенты Ц^о2■ ЦЮю2 ослабления линий
соответственно Ка1 2 кремния и Ка кислорода в SiO2 находим с помощью соотношений:
ц|ю2 = + ЦоСю; (2)
Ц°ю2 = , (3)
где Цо — массовые коэффициенты ослабления линии Ка1 2 кремния в кремнии и кислороде, соответственно; Ц°ь Цо — массовые коэффициенты ослабления линии
Ка кислорода в кремнии и кислороде, соответственно; С31, С0 — массовые доли кремния и кислорода в оксидной пленке.
Для Si02 С& = 0,4676, С0 = 0,5324 массовые коэффициенты ослабления = 3630 см2/г, ц§ = 989 см2/г [4]. Плотность оксидной пленки PsiO2 = 2,2 г/см3. Подставив эти
значения в (1 ), (2), получим оценку верхнего значения толщины оксидной пленки = 200 нм, ниже которого явление флуоресцентного возбуждения можно не учитывать.
Влиянием поглощения характеристического излучения кислорода веществом пленки можно пренебречь до толщины оксидной пленки ?2, определяемой соотношением
*2 = ¥Дц°ю2 РЗЮ2), (4)
где ¥ — угол между плоскостью образца и направлением на спектрометр.
Для ¥ = 30°, Ц°Ю2 = 4496 см2/г, полученных из расчета
по формуле (3) при цО = 980 см2/г, ц§ = 8500 см2/г [4],
определим = 100 нм. Оценку изменения энергии первичных электронов в оксидной пленке можно сделать на основе формулы Бете [5]:
ДЕ = 7,85-10-3 (т/(МЕ ))|п(1,166Е / и )t, (5)
где ДЕ — средняя потеря энергии в пленке; т — средний атомный номер оксидной пленки; М — относительная молекулярная масса оксидной пленки; Е — энергия электронов; J = 13,5-10-3 т — средняя энергия ионизации; t — толщина оксидной пленки.
Средний атомный номер оксидной пленки вычислим по формуле
т = ^^ + Zoco, (6)
где Zsi = 16, Zo = 8 — атомные номера кремния и кислорода, соответственно; Csi, Со — атомные доли кремния и кислорода в оксидной пленке, соответственно.
Для энергии Е = 5 кэВ и пленки SiO2 толщиной t =100 нм из (5), (6) получим ДЕ = 0,1 кэВ.
Таким образом, процессами вторичной флуоресценции, внутреннего поглощения и изменением энергии электронов зонда можно пренебречь. В этом случае интенсивность характеристического излучения кислорода оксидной пленки определяется двумя основными процессами: генерацией излучения при прохождении первичного излучения через пленку и генерацией рентгеновского излучения потоком обратно рассеянных электронов от подложки (вкладом обратно рассеянных электронов в пленке пренебрегаем).
Зависимость интенсивности излучения кислорода в оксидной пленке можно получить следую
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.