МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 2, с. 131-133
= МЕТРОЛОГИЯ :
УДК 621.382
ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ОКИСЛА НА ТЕСТОВОЙ РЕЛЬЕФНОЙ ШАГОВОЙ СТРУКТУРЕ НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
© 2013 г. В. П. Гавриленко1, 2, А. А. Кузин2, А. Ю. Кузин1, А. А. Кузьмин2, В. Б. Митюхляев1,
А. В. Раков1, П. А. Тодуа1, 2, М. Н. Филиппов1, 2, 3
1ОАО Научный центр по изучению свойств поверхности и вакуума (НИЦПВ)
2Московский физико-технический институт 3Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской АН E-mail: fil@igic.ras.ru, fgupnicpv@mail.ru Поступила в редакцию 13.07.2012 г.
В работе использовалась тестовая рельефная шаговая структура на поверхности монокристаллического кремния. Структура представляет собой набор элементов (выступов) с трапецеидальным профилем и шагом 2 мкм. В одном чипе расположены выступы с верхнем основанием около 100 нм и 10 нм. Наклон боковой стороны элемента относительно его основания составляет 54.7°. Вся структура покрыта естественным окислом, возникшим при комнатной температуре, толщину которого измеряют на просвечивающем электронном микроскопе с атомарным разрешением по наблюдаемой картине в режиме прямого разрешения кристаллической структуры. Для измерений использовано известное расстояние между плоскостями {111}. Установлено, что толщина естественного окисла зависит как от размера верхнего основания выступа, так и от размера профиля дна между соседними выступами. Экспериментально показано, что в области этого дна толщина естественного окисла возрастает от 2.4 нм в середине дна, достигая к левому и правому краям дна 5 нм.
Б01: 10.7868/80544126913020075
1. ВВЕДЕНИЕ
В представленной работе в качестве тестового объекта использовалась кремниевая шаговая рельефная структура из элементов с трапецеидальным профилем (выступы) с шагом 2.0 мкм. Каждый элемент тестового объекта имеет угол наклона его боковой стороны относительно нижнего основания, равный 54.7°. Все эти элементы покрыты тонкой пленкой естественного окисла, возникшей при комнатной температуре. Наклонная сторона выступа параллельна кристаллографической плоскости {111} монокристаллического кремния. Использована структура, описанная в работе [1], где в одном чипе имеются трапецеидальные элементы с разной шириной верхнего основания (например, порядка 100 и 10 нм).
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для измерения толщины естественного окисла образец с упомянутой структурой покрывался слоем титана, а затем золота. После этого из тестового объекта приготовлялся тонкий слайс толщиной 50 нм методом вырезания фокусированным ионным пучком в электронно-ионном мик-
роскопе JIP 4500. На этом слайсе с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) измерялась толщина естественного окисла на боковой стороне элемента, на его верхнем основании и на дне рельефа между двумя соседними выступами, используя известное расстояние между плоскостями {111} из работы [2].
Просмотр вырезанных слайсов осуществлялся на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2100 при ускоряющем напряжении 200 кВ, как описано в работе [3]. На рис. 1а приведено ПЭМ изображение участка боковой стенки и верхнего основания выступа с размером порядка 100 нм, а на рис. 1б показано ПЭМ изображение участка обоих боковых стенок выступа и верхнее основание порядка 10 нм. На этих двух рисунках приведены ПЭМ изображения в режиме прямого разрешения кристаллической структуры кремния. Как показано в работе [2], размер между соседними плоскостями {111} равен округленно 0.314 нм. Это расстояние является природной константой и может служить в качестве меры очень малой длины. Использование такой меры позволило с высокой точностью определить толщину естественного окисла на плоскостях крем-
131
4*
132
ГАВРИЛЕНКО и др.
Рис. 1. ПЭМ изображение в режиме прямого разрешения кристаллической структуры кремния части верхнего выступа с размером его верхнего основания порядка 100 (а) и 10 (б) нм.
ния {111} и {100}, исследовать малые отклонения от трапецеидальной формы профиля элемента тестового объекта (выступа) при переходе от плоскости {111} к плоскости {100}, а так же получить данные о рельефе дна между соседними выступами.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Погрешность измерений по ПЭМ изображениям оценивается в 0.2 нм [4]. На ПЭМ изображении (рис. 1б) выступа с верхним основанием около 10 нм толщина естественного окисла на боковых сторонах выступа соответствует 2.3 нм. Все верхнее основание, включая ширину естественного окисла, имеет ширину на ПЭМ изображении, равную 32 мм или 7.7 ± 0.2 нм. Указанное верхнее основание имеет округление с обоих концов, с радиусом равным 0.6 нм. Такое же округление видно и на рис. 1а на ПЭМ изображении части верхнего основания выступа с размером около 100 нм. На рис. 1 видно, что обе боковые грани выступа параллельны кристаллографическим плоскостям {111}.
Остановимся на исследовании рельефа дна между двумя соседними выступами используемого тест объекта. На рис. 2 приведены ПЭМ изображения, полученные в режиме прямого разрешения кристаллической структуры кремния, левого и правого краев этого рельефа дна, где имеет место неоднородность толщины естественного окисла и достаточно большой радиус закругления при переходе от боковой грани к дну структуры. Так на ПЭМ изображении (рис. 2а) видно, что тол-
н — ¿г ; ¡Ш
(а) (б)
Рис. 2. ПЭМ изображение в режиме прямого разрешения кристаллической структуры кремния в области рельефа дна исследуемого образца (левая часть (а) и правая (б) от верхнего выступа с размером его верхнего основания порядка 10 нм).
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 42 № 2 2013
ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ОКИСЛА
133
щина естественного окисла заметно утолщается, начиная с величины 2.4 нм, при переходе ко дну тестовой структуры, достигая размера примерно 5.1 нм, а затем медленно уменьшается до 3.1 нм.
На ПЭМ изображении (рис. 2б), показан другой край дна тестовой структуры, соответствующий переходу от рельефа дна структуры к соседнему выступу. Толщина естественного окисла плавно уменьшается от 4.4 до 3.4 нм, а затем падает до 3.1 нм. Здесь также наблюдается примерно такое же закругление, как и на левом краю рельефа дна структуры. Экспериментально показано, что в области этого дна имеет место неоднородность толщины естественного окисла, которая возрастает от 2.4 нм в середине рельефа дна к левому и правому краям этого дна, достигая, соответственно, около 4.6 и 5.1 нм.
3. ВЫВОДЫ
Результаты исследований показали, что нанесение металла на поверхность кремниевой рельефной тестовой шаговой структуры позволяет выделить на ПЭМ изображениях обе границы естественного окисла на кремнии. Основные неоднородности толщины этого окисла имеют место на дне структуры между двумя соседними выступами. Установлено, что у краев рельефа дна видна заметная область закругления протяженностью около десяти расстояний между плоскостями {111} с плавным изменением толщины есте-
ственного окисла. Экспериментально показано, что в области рельефа дна имеет место неоднородность толщины естественного окисла, которая возрастает от 2.4 нм в середине рельефа дна к левому и правому краям этого дна соответственно, достигая около 4.6 и 5.1 нм.
Работа выполнена на оборудовании ЦКП НИЦПВ в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gavrilenko V.P., Mityukhlyaev V.B., Novikov Yu.A., Oz-erin Yu.V., RakovA.V., Todua P.A. Test object of the lin-ewidth with a trapezoidal profile and three certified sizes for an SEM and AFM // Meas. Sci. Technol. 2009. V. 20. 084022 (7 p.).
2. Cresswel M.W., Dixion R.G., Guthrie W.F., Allen R.A., Murabity C.E., Park B., Martinez J.V. de Pinillos, Hunt A. CD Reference Features with Sub-Five Nanometer Uncertainty // Proc. of SPIE. V. 5752 (SPIE, Bellinham, WA, 2009).
3. Filippov M.N., Gavrilenko V.P., Kovalchuk M.V., Mityukhlyaev V.B., Ozerin Yu.V., RakovA.V., Todua P.A., Vasiliev A.L. Reference material for transmission electron microscope calibration // Meas. Sci. Technol. 2011. V. 22. 094014 (5 p.).
4. Transmission Electron Microscopy of Semiconductor Nanostructures: Analysis of Composition and Strain State. Berlin-Heidelberg: Springer, 2003.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 42 № 2 2013
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.