Сканирующая электронная микроскопия, спектроскопия и томография структур микро- и наноэлектроники

В технологии микроэлектроники, а также в таких новейших технологических направлениях, как микромеханика, наносенсорика и других нанотехнологиях значительную роль играют электроннолучевые методы. В настоящее время минимальные размеры структурных элементов микросхем уменьшились до 0.1 мкм, и стоит задача преодоления рубежа в 25-30 нм. Развитие современной микроэлектроники характеризуется все большим повышением степени интеграции и функциональной сложности микросхем, дальнейшим ростом числа элементов на одном кристалле, уменьшением характерных размеров элементов. Представляется естественным, что дальнейший прогресс микроэлектроники, а также развитие нанотехнологий в значительной степени определяется состоянием диагностических средств. В этой области на первых ролях выступает сканирующая электронная микроскопия с практически неразрушающим электронным зондом диаметром в единицы нанометров. Разнообразие сигналов, получаемых в сканирующем микроскопе позволяет контролировать широкий спектр электрофизических свойств микро- и наноэлектронных устройств, в том числе на всех стадиях их изготовления. В частности, отраженные электроны, с энергиями 1-50 кэВ выходят с разной глубины исследуемого объекта (доли и единицы мкм), причем каждой глубине выхода, т.е. глубине зондирования, соответствует свой определенный интервал энергий обратнорассеянных электронов. Если детектировать эти электроны в узком энергетическом окне, то можно получить изображение скрытого подповерхностного слоя исследуемого образца. Чем глубже залегает неоднородность, тем меньше энергия отраженных на ней электронов. Иными словами, потери энергии электронов пропорциональны глубине их пробега и отражения. На этой закономерности авторами был развит новый бесконтактный неразрушающий высоколокальный метод диагностики – электронная микротомография. Для реализации метода был разработан тороидальный секторный энергоанализатор электронов специальной конфигурации.

Современный уровень требований к методам анализа и контроля требует не только визуализировать послойно структуру, но и количественно оценивать по электронным спектрам такие параметры композиции, как глубина залегания и толщина скрытых деталей и слоев. Помимо контроля топологического строения трехмерных микро- и наноструктур весьма актуальна проблема определения электрофизических параметров, например таких как диффузионная длина, время жизни и скорость поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда в полупроводниковых компонентах микроэлектронных устройств. В последние годы сотрудниками лаборатории был предложен и реализован электроннозондовый бесконтактный метод визуализации всех электрически активных микровключений в полупроводниковых кристаллах, а также оценки некоторых фундаментальных параметров. Метод базируется на детектировании поверхностного электронно-индуцированного потенциала.

В лаборатории был разработан принципиально новый метод диагностики многослойных структур – микротомография в отраженных электронах. Новый научно-исследовательский метод базируется на детектировании в растровом электронном микроскопе отраженных электронов, имеющих определенный узкий интервал энергий, адекватный глубине слоя под поверхностью, на котором они отразились.

Для детектирования этих электронов в определенной полосе энергий, соответствующих выбранному слою (глубине сканирования), был разработан новый тороидальный секторный спектрометр, адаптированный к РЭМ. Этот прибор, не имеющий аналогов в мире, позволяет с приемлемым для микротомографии энергетическим разрешением (порядка 0,5%) визуализировать подповерхностные твердотельные структуры с субмикронным разрешением и проводить анализ глубинного строения по снимаемым спектрам электронов.

На рисунках схематически приводится устройство электростатического секторного тороидального энергоанализатора, а также примеры его применения в электронной томографии: послойные изображения фрагментов микросхем, полученные в обратнорассеянных электронах в томографических экспериментах.

Схема электростатического тороидального спектрометра электронов приводится на рис. 1.

Рис. 1	Рис. 2

Отраженные от образца 1 электроны анализируются по энергиям спектрометром 2 и регистрируются кольцевым детектором 3. На тороидальные электроды подается постоянное питание энергоанализатора ±V. На электроды спектрометра одновременно с постоянным (регистрация изображения) или медленно меняющимся пилообразным напряжением (регистрация спектров ОРЭ) подавалось небольшое переменное напряжение, меняющееся по гармоническому закону (рис. 1). Модулированный сигнал пропускался через резонансный или Lock-in усилитель, после чего на выходе получался постоянный сигнал, пропорциональный первой производной сигнала по энергии на частоте ω или второй производной на частоте 2ω. Так как наибольшие изменения dI/dE = dN/dE происходят на границе раздела слоев, то именно на этих участках получался максимальный сигнал, что за вычетом фона существенно повышало контраст изображения и сепарацию слоев по глубине.

На рис. 2 показано, как реально происходит селекция электронов по энергиям и по глубине. Кривая A представляет условно энергетический спектр ОРЭ dN/dE от массивного однородного образца с атомным номером Z₃ (на вставке внизу справа), а кривая B – спектр от слоистой структуры, состоящей из слоя Z₂ толщиной Δx, находящегося на глубине t в матрице Z₃ с поверхностной пленкой из материала Z₁. В другой плоскости представлены зависимости числа электронов dN, отраженных на определенной глубине в слое dx, а именно: dN/dx от массивной матрицы (A') и от неоднородной структуры B (кривая B').

Возьмем окно энергий в спектрометре ΔE, которому соответствуют отраженные электроны в малой полосе энергий ΔE, отразившиеся от слоя Δx на глубине t. Этот пакет электронов обозначен индексом 1 на рис. 2. Его положение на энергетической оси E/E₀ выбрано по неоднородности спектра на участке B. Можно предположить, что эта аномалия в спектре соответствует гетерогранице слоев Z₁ и Z₂. Число вышедших электронов с этой глубины соответствует кривой 1'. В идеале, при настройке спектрометра на обозначенное окно энергий должно было бы получиться чистое изображение заглубленного слоя Z₂. Но как видно из рисунка, в это окно попадают ОРЭ той же энергии, но уже от матричного слоя и с другой глубины (пакет электронов 3). Это и является причиной сопутствующего фона на изображении от матрицы A, что является недостатком предыдущих экспериментов по ОРЭ-томографии. ОРЭ от материала матрицы, выходящие с той же глубины (обозначены индексом 2), уже не попадают в энергетическое окно, т.е. не детектируются и не вносят вклада в сигнал. Естественно, при стандартном подходе, когда детектируется интегральное число ОРЭ, вышедших со всех глубин и обладающих всем спектром энергий, дискриминация слоев и контраст их изображений намного хуже, что видно из рассмотрения интегралов кривых A' и B', представленных на плоскости (dN/dx)(x/R₀) на том же рисунке. В этом случае вариация ускоряющего напряжения позволяет видеть глубинные слои только на фоне всех вышележащих. На рис. 2 в плоскости (E/E₀)(x/R₀) дополнительно отображена кривая E_ОРЭ=f(X_ОРЭ), наглядно показывающая зависимость энергии ОРЭ E от глубины их выхода x.

Для наглядности на том же рисунке внизу вынесены участки спектров A и B, т.е. форма детектируемого сигнала I_s(E,x) в окне  E. При малоамплитудной модуляции эти кривые дифференцируются, выдавая на Lock-in усилитель производную dI_s/dE, эквивалентную dI_s/dx, а с выхода усилителя получается окончательный сигнал V_Lock=∫dI_s/dx, который и используется для формирования изображений.

В качестве примера томографических изображений на рис. 3 представлен ряд фрагментов трехуровневой интегральной микросхемы: A, D, G – интегральные по глубине изображения в обычном режиме отраженных электронов.

Рис. 3

C, E, K – изображения верхнего слоя, B – нижнего слоя микросхемы, на глубине 0,8 мкм от поверхности.

Реконструированное трехмерное изображение элемента микросхемы приводится на рис. 4.

Рис. 4

Типичные энергетические спектры отраженных электронов представлены на рис. 5: энергетические спектры отраженных электронов от массивных подложек Cu (кривая 1), Al (кривая 2) и пленок Al на Cu (кривые 3, 4), а также системы Cu-Al-Cu (кривая 5).

Рис. 5

По рассчитанному первому моменту энергетического распределения определяется средняя энергия отраженных электронов. Так, на рис. 6а приводится зависимость наиболее вероятной энергии E_m/E₀ (кривые 1 и 2), средней энергии Ê/E₀ (кривые 3 и 4) и полной энергии ηÊ/E₀ (кривая 5) отраженных электронов от атомного номера Z материала мишени.

Рис. 6a

На рис. 6б приводятся расчетные и экспериментальные характеристики средней энергии электронов, отраженных от системы 'пленка на подложке'.

Рис. 6b

В лаборатории в последние годы был разработан бесконтактный неразрушающий способ диагностики полупроводниковых пластин и микроэлектронных приборов, основанный на детектировании потенциалов (или зарядов), генерированных электронным зондом РЭМ. Методика позволяет проводить качественный контроль пластин, выявляя электрически активные неоднородности, такие как дислокации, дефекты упаковки, микротрещины, степень легирования различными примесями, все p-n переходы и барьеры Шоттки и т.д. Возможны и количественные определения локальных фундаментальных параметров полупроводников: диффузионной длины и времени жизни неравновесных носителей заряда, их скорости поверхностной рекомбинации, высоту диффузионного барьера. Устройство детектирования поверхностного электронно-индуцированного потенциала (ПЭИП) показано на рис. 7.

Рис. 7

Электронный зонд РЭМ (е) сканирует на поверхности исследуемого кристалла (О). Датчиком сигнала служит металлическое кольцо (D), на котором посредством электростатической индукции через емкостную связь наводится генерированный электронами поверхностный потенциал. С кольцевого электрода сигнал через зарядочувствительный усилитель (РА) поступает на дисплей РЭМ или на измерительную аппаратуру.

Ниже приводится ряд примеров визуализации полупроводниковых структур. На рис. 8 левая колонка представляет изображения образцов во вторично-электронной эмиссии в РЭМ, характеризующие топологию поверхности.

Рис. 8

В правой колонке приводятся снимки в режиме ПЭИП. (А) – кластеры дислокаций в кристалле кремния; (В) – дислокации несоответствия и дефекты упаковки в гетероструктурах GaAs.

На рис. 9 приводится пример отображения участков кремниевой шайбы, локально имплантированными различными примесями для создания планарных p-n переходов биполярного транзистора с общей базой.

Рис. 9

Слева – изображения во вторичных электронах, справа – в режиме электронно-индуцированного потенциала.

На рис.10 представлена кремниевая пластина с локальными механическими нарушениями: розетка вдавливания образованная индентором Виккерса и микротрещина.

Рис. 10

Слева – изображения во вторичных электронах, справа – в режиме электронно-индуцированного потенциала.

На рис. 11 приводятся изображения биполярного транзистора во вторичных электронах (А) и всех p-n переходов в режиме бесконтактного детектирования электронно-индуцированного потенциала (Б, В, Г).

Рис. 11

В общем случае вариация полного заряда на поверхности кристалла при электронном облучении:

ΔQ(t)=∫∫Δq(x,y,t)ds,

(1)

где ds есть площадь элемента поверхности, Δq – локальная плотность заряда на ней. При сканировании электронного зонда этот генерированный заряд посредством электростатической индукции через емкость C 'кольцевой электрод-образец' индуцирует соответствующий заряд на детектирующем электроде, производную которого можно измерить как ток смещения, что собственно и является сигналом поверхностной ЭДС:

I(t)=ΔQ(t)/Δt=CΔVs(t)/Δt,

(2)

где ΔV_s(t) есть усредненное по поверхности изменение поверхностного потенциала. Суммируя вклад в измеряемый сигнал I(t) различных компонент ΔV_s можно аппроксимировать следующим выражением:

(3)

где Φ_s – темновой поверхностный потенциал, ε – диэлектрическая постоянная полупроводника, N₀ – плотность основных носителей в кристалле, G – фактор генерации электронно-дырочных пар электронным пучком, qN_s – суммарная плотность поверхностных зарядов, ΔN_s – вариация этой плотности при электронном облучении. Знак ПЭИП ΔV_s, т.е. полярность измеряемого сигнала I(t) зависит от типа полупроводника ("+" для n-типа, "-" для p-типа). Знак второго слагаемого в (3) зависит от знака поверхностных зарядов и типа их перезарядки, индивидуального в каждом эксперименте.

Список основных публикаций