close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY4853

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 4853
(13)
C1
(51)
(12)
7
H 01L 21/66
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ ДОЗИМЕТРИИ
ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
(21) Номер заявки: a 19980487
(22) 1998.05.19
(46) 2002.12.30
(71) Заявитель: ГП "Минский НИИ радиоматериалов" (BY)
(72) Автор: Киселев В.И. (BY)
(73) Патентообладатель: ГП "Минский НИИ
радиоматериалов" (BY)
(57)
Способ оптической дозиметрии ионной имплантации, включающий имплантацию ионов в тестовую
структуру, измерение коэффициента отражения зондирующего излучения оптического диапазона от поверхности тестовой структуры, построение калибровочной зависимости коэффициента отражения от дозы внедренных ионов с последующим использованием этой зависимости для определения дозы ионной
имплантации, а также отклонения набранной дозы от заданной, отличающийся тем, что измерение коэффициента отражения проводят от поверхности тестовой структуры, включающей нелегированный поликремний
на кремниевой подложке, с толщиной поликремния, превышающей величину
dmin = max { λ/8πх polySi In(R Si-polySi δ-2), Rp+4∆R p },
BY 4853 C1
где R Si-polySi =
[( n Si / n polySi ) − 1]2 + [ x Si − x polySi ]2
[( n Si / n polySi ) + 1]2 + [ x Si − x polySi ]2
,
Фиг. 1
BY 4853 C1
δ = max {1⋅10-4, δp},
λ - длина волны зондирующего излучения;
R Si-polySi - коэффициент отражения зондирующего излучения на границе поликремний-кремний;
δp - относительная погрешность измерения коэффициента отражения регистрирующей оптической системы;
Rp - средний проецированный пробег ионов в поликремнии;
∆Rp - продольная дисперсия профиля распределения ионов в поликремнии;
nSi, npolySi - показатели преломления монокристаллического и поликристаллического кремния на длине
волны λ, соответственно;
xSi, xpolySi - коэффициенты экстинкции монокристаллического и поликристаллического кремния на длине
волны λ, соответственно.
(56)
Guidotti D., Wilman J.G., Ricci A.J. Appl. Phys. A. - 1992. - 54. - №6. - P. 570-573.
Симонов В.В. и др. Электронная техника, 1982. Сер.7. Вып.1 (110). - С. 74-76.
SU 1618222 A1, 1991.
RU 93032267 A,1995.
Изобретение относится к области контроля параметров технологических процессов производства полупроводниковых приборов, а именно к способам измерения малых доз внедренных ионов, и может быть использовано в электронной промышленности для повышения качества операции ионного легирования.
Известен метод измерения дозы ионов менее 1⋅1014 см-2, основанный на детектировании инфракрасного
сигнала, возбуждаемого имплантированной областью полупроводника под воздействием модулированного
когерентного излучения [1].
Возможность сканирования зондирующего луча лазера по поверхности измеряемого образца позволяет
использовать способ для определения как относительной величины ионной дозы, так и степени неоднородности распределения внедренной примеси.
Однако применение такого способа непосредственно в технологии формирования структур микроэлектроники затруднено прежде всего из-за зависимости интенсивности теплового излучения не только от набранной дозы, но и величины плотности тока ионов. Поэтому любые неконтролируемые флуктуации
ионного тока в ходе процесса внедрения, в особенности для малых и средних доз, являются дополнительным
источником случайной погрешности. Кроме того, результат измерений искажается заметным влиянием каналирования в монокристалле, а также процессами лазерной рекристаллизации созданных имплантацией
структурных нарушений. Общая относительная ошибка в определении параметра, чувствительного к дозе, интенсивности термической волны - составляет 0,4 %, что соответствует 2-3 % ошибки по дозе, вычисленной через калибровочную функцию корреляции теплового сигнала с дозой внедренных ионов в интервале
(1⋅1011 ÷ 5⋅1013)см-2.
Устойчивостью к нестабильности режимов ионного легирования, а также более высокой чувствительностью обладает способ, в котором используется линейный эффект изменения поглощательной способности
органического фоторезиста под воздействием облучения ионами. Измерение коэффициента прозрачности в
ближней ультрафиолетовой области спектра (380 нм) позволяет фиксировать различия в дозах на уровне
1⋅1011 см-2 и минимальную дозу того же порядка [2].
Предельные дозиметрические возможности способа существенно ограничены шумовыми интерференционными явлениями, связанными с наличием внутренней границы раздела различных по оптическим свойствам фоторезистивного материала и кварцевой подложки.
Резкое повышение соотношения "сигнал/шум" достигается регистрацией изменения состояния электромагнитной волны, взаимодействующей с пространственно-однородной тестовой структурой, если при этом обеспечивается достаточная чувствительность к дозе. Этот принцип реализует способ оптической дозиметрии ионной
имплантации [3], являющийся наиболее близким к предлагаемому изобретению и заключающийся в создании ионным внедрением дефектов кристаллической решетки в кремниевой пластине и локальных рефлектометрических измерениях коэффициента отражения R оптического излучения от поверхности пластины. Оценка
величины и однородности дозы производится посредством статистического анализа результатов измерений в
различных точках поверхности и экстраполяции значений R к дозе D через предварительно построенную ка2
BY 4853 C1
либровочную кривую R(D). Минимальное регистрируемое относительное отклонение по дозе или относительная погрешность ∆D/D непосредственно связаны с основной характеристикой любого косвенного способа дозиметрии - чувствительностью. Согласно [1], [4], для параметра дозы, т.е. физической величины,
изменяющейся при облучении микрочастицами (в данном случае R), чувствительность S определяется как
величина, обратная коэффициенту пересчета относительного изменения дозы в соответствующее относительное изменение параметра дозы:
S = [(∆D / D ) / (∆R / R )]−1 .
(1)
Недостатком известного способа является низкая чувствительность к дозе ионной имплантации. Усредненная по некоторому диапазону доз (D1 ÷ D2) чувствительность <S> может быть выражена через значения R
на границах диапазона:
ª R ( D 2 ) − R ( D1 ) º ª D 2 − D1 º
< S >= «
» /«
»
¬ R ( D 2 / 2) ¼ ¬ D 2 / 2 ¼
или, если D2 » D1,
(1.1)
< S >= 2[R ( D 2 ) − R ( D1 )]/ R ( D 2 / 2) .
(1.2)
На фиг. 1 приведены экспериментальные калибровочные функции известного способа для двух технологически важных легирующих элементов: мышьяка с энергией Е = 50 кэВ (кривая 1) и фосфора с энергией
Е = 80 кэВ (кривая 2) при длине волны зондирующего излучения λ = 632,8 нм. Таким образом, чувствительность известного способа зависит от массы иона и для более тяжелых ионов мышьяка по рабочему интервалу (1⋅1011 ÷ 1⋅1013) см-2 достигает лишь величины 5,5⋅10-3. Это означает, что перевод измеренных значений R
в дозу имплантации по калибровочной кривой приводит приблизительно к 200-кратной потере точности.
Второй принципиальный недостаток известного способа - высокая относительная погрешность измерения дозы, обусловленная каналированием ионов с дозами менее 1⋅1013см-2 в монокристаллическом полупроводнике. Из-за микроотклонений режимов работы системы сканирования от заданных этот эффект приводит
к разбросу характеристик профиля распределения примеси на уровне 6-15 % даже с учетом стандартного поворота мишени относительно ионного пучка на угол 7-8° [5].
Для частичного снижения влияния каналирования на однородность дозы ионов, внедренных в легированный
активной примесью монокристалл кремния, в [4] применялась защитная маска SiO2. Но и в этом случае результаты топографирования удельного поверхностного сопротивления, увеличение которого также вызвано
только имплантационными дефектами, соответствуют относительной погрешности по дозе не менее 1,5 %.
Общая относительная погрешность измерения дозы (∆D/D)Σ, следовательно, представляется в виде:
(∆D / D )Σ = (∆D / D )k 2 + ( ∆D / D) 2
,
(2)
где (∆D/D)k - относительная погрешность измерения дозы, связанная с явлением каналирования;
∆D/D - относительная погрешность измерения дозы по калибровочной кривой, входящая в выражение
(1).
Задачей заявляемого изобретения является повышение чувствительности коэффициента отражения к измеряемой дозе внедренных ионов и снижение погрешности измерения дозы.
Поставленная задача достигается тем, что в способе оптической дозиметрии ионной имплантации, включающем имплантацию ионов в тестовую структуру, измерение коэффициента отражения зондирующего излучения оптического диапазона от поверхности тестовой структуры, построение калибровочной зависимости
коэффициента отражения от дозы внедренных ионов с последующим использованием этой зависимости для
определения дозы ионной имплантации, а также отклонения набранной дозы от заданной, - измерение коэффициента отражения проводят от поверхности тестовой структуры, включающей нелегированный поликремний на кремниевой подложке с толщиной поликремния, превышающей величину
­°λ /(8πx polySi ) ln( R Si − polySi δ −2 )
d min = max ®
,
°̄R p + 4∆R p
где
{
}
δ min = max 1 ⋅ 10 −4 , δ p ;
R Si − polySi =
(3)
(3.1)
(3.2)
[(n Si / n polySi )− 1]2 + [x Si − x polySi ]2 ;
[(n Si / n polySi )+ 1]2 + [x Si − x polySi ]2
(3.3)
3
BY 4853 C1
λ - длина волны зондирующего излучения;
RSi-polySi - коэффициент отражения зондирующего излучения на границе поликремний-кремний;
δp - относительная погрешность измерения коэффициента отражения регистрирующей оптической системой;
Rp - средний проецированный пробег ионов в поликремнии;
∆Rp - продольная дисперсия профиля распределения ионов в поликремнии;
nSi, npolySi - показатели преломления монокристаллического и поликристаллического кремния на длине
волны λ, соответственно;
xSi, xpolySi - коэффициенты экстинции монокристаллического и поликристаллического кремния на длине
волны λ, соответственно.
Величина х связана с коэффициентом поглощения α соотношением:
x = αλ / 4π ,
(3.4)
а численные значения необходимых для расчета оптических констант известны из литературных данных [6],
[7] и приведены на фиг. 2, 3.
Предлагаемый способ поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлены экспериментальные калибровочные функции известного способа, взятого за прототип, для ионов мышьяка с энергией Е = 50 кэВ (кривая 1) и фосфора с энергией Е = 80 кэВ (кривая 2) при
длине волны зондирующего излучения λ = 632,8 нм.
На фиг. 2 - зависимости показателя преломления нелегированного поликремния (кривая 3) и монокристаллического кремния (кривая 4) от длины волны зондирующего излучения.
На фиг. 3 - зависимости коэффициента поглощения нелегированного поликремния (кривая 5) и монокристаллического кремния (кривая 6) от длины волны зондирующего излучения.
На фиг. 4 - экспериментальные зависимости R(D) предложенного способа для ионов мышьяка с энергией
Е = 50 кэВ, Rp = 35 нм, ∆Rp = 13 нм (кривая 7) и фосфора с энергией Е = 80 кэВ, Rp = 98 нм, ∆Rp = 38 нм
(кривая 8), при λ = 632,8 нм и dmin = 4270 нм.
Сущность предложенного способа оптической дозиметрии ионной имплантации состоит в последовательном выполнении следующих операций:
1. Нанесение на планарную сторону партии кремниевых пластин пленки нелегированного поликристаллического кремния с толщиной, превышающей dmin.
2. Внедрение ионов требуемого типа в поликристаллический слой ряда идентичных тестовых структур,
полученных в п. 1, с различными дозами и постоянной энергией.
3. Измерение коэффициента отражения R от поверхности каждой из облученных ионами (п. 2), а также
исходной (п. 1) структур и построение калибровочной кривой R(D) с последующим использованием ее как
для определения дозы имплантации, так и контроля технологических отклонений набранной дозы от заданной через относительные отклонения по R.
Слой поликремния формируется любым традиционным методом (химическое осаждение в газовой фазе,
ионно-плазменное распыление и др.), после чего может быть проведен дополнительный стабилизирующий
отжиг при температурах 900-1000 °С.
В процессе калибровки доза измеряется непосредственно в установке ионного легирования с помощью
цилиндров Фарадея либо другим независимым способом. С целью учета возможного влияния колебаний
технологических условий изготовления структуры polySi-Si, измерения должны проводиться в нескольких
точках ее поверхности с дальнейшей статистической обработкой результатов.
Сравнение соответственных кривых фиг. 1 и 4 с учетом (1.2) показывает, что интегральная по диапазону
малых доз (1⋅1011 ÷ 1⋅1013) cм-2 чувствительность предлагаемого способа <S> = 4⋅10-2, т.е. выше, чем у известного,
почти па порядок (в 8 раз).
Внедрение примеси в предложенном способе осуществляется в поликристаллическое вещество, состоящее из хаотично ориентированных по отношению к ионному пучку кристаллитов (зерен). Тем самым снимается принципиальное ограничение известного метода по погрешности измерения дозы (∆D/D)k, обусловленное
эффектом каналирования, т.е. в формуле (2) остается только одна составляющая погрешности ∆D/D косвенного определения дозы по калибровочной кривой.
Поскольку образец для тестирования дозы в предлагаемом методе представляет собой "сэндвичструктуру", необходимо погасить интерференционное влияние компоненты зондирующего излучения, отраженной от границы раздела polySi-Si, иначе появится дополнительная погрешность измерения в (2). Подавление интерференции осуществляется, во-первых, выбором кремниевой подложки, наиболее близкой по
4
BY 4853 C1
оптическим свойствам к слою, в который проводится внедрение ионов, и, во-вторых, жесткой фиксацией
нижней границы по толщине поликремния.
Требования к погрешности по параметру дозы ∆D/D в известном и предлагаемом способах лимитированы невоспроизводимостью толщины естественного диоксида кремния, всегда присутствующем на полупроводниковой поверхности, в том числе и свежеобработанной любым технологическим методом (плазменным,
химическим и др.). Поэтому все оптические методики в обязательном порядке учитывают это обстоятельство. При эллипсометрических исследованиях, например, в расчетной модели номограммного определения оптических констант, толщина естественного диоксида 1 обычно принимается ∼ 5 нм ([8]). Если задаться
неоднородностью 1 на уровне 0,5 нм (что на самом деле является сильно заниженной оценкой, т.к. даже термически выращенный SiO2 толщиной до 30 нм может иметь проколы и общую технологическую невоспроизводимость более 10 % [9], то вариации значений R за счет этой неоднородности составляют величину δ ∼
1⋅10-4.
Действительно, отражающие свойства системы воздух-SiO2-(Si или polySi) описываются, согласно [10],
следующим аналитическим выражением, справедливым и в случае прозрачного материала на поглощающем:
R (1) =
R SiO2 + R SiO2 − polySi + 2 R SiO2 R SiO2 − polySi cos(4πn SiO2 1 / λ )
1 + R SiO2 R SiO2 − polySi + 2 R SiO2 R SiO2 − polySi cos(4πn SiO2 1 / λ )
,
(4)
R SiO2 = [(n SiO2 − 1) /( n SiO2 + 1)] 2 ,
R SiO2 − polySi =
(4.1)
[(n polySi / n SiO2 ) − 1] 2 + x polySi2 ,
[(n polySi / n SiO2 ) + 1] 2 + x polySi2
(4.2)
где RSiO2 - коэффициент отражения от границы SiO2 - воздух;
RSiO2 - polySi - коэффициент отражения от границы SiO2 - polySi;
nSiO2 - показатель преломления диоксида кремния;
n - толщина SiO2.
Подстановка в (4), (4.1), (4.2) конкретных значений nSiO2 = 1,45, npolySi = 3,95, xpolySi = 0,038 для λ = 633 нм
дает следующие результаты:
R(5 нм) = 0,3542, R(4,5 нм) = 0,3544, R(5,5 нм) = 0,3540,
т.е. различия, обусловленные тонкой пленкой естественного диоксида, обнаруживаются уже в 4-м десятичном знаке, что соответствует приведенному выше значению δ.
Соотношение (1) тогда можно записать в виде:
(1.3)
∆D / D =< S > −1 δ .
В известном способе ∆D/D = (5⋅10-3)-1 ⋅ 1⋅10-4 = 2 % даже без учета (∆D/D)k; для предложенного эта оценка изменяется обратно пропорционально более высокой чувствительности и составляет 0,25 %.
Если погрешность по коэффициенту отражения регистрирующей оптической системы δp > δ, то достаточно
ограничиться значением δр, что эквивалентно условию (3.2).
Интерференция проявляет себя как шум вследствие неизбежного технологического разброса по толщине
поликремния на подложке ∆d/d ∼ 1 % хотя бы по причине поверхностных дефектов упаковки зерен [11]. Измеряемая интенсивность I отраженного тестовой структурой монохроматического света определяется формулой:
I = I1 + I 2 + 2 I1I 2 cos(4 πn polySid / λ ) ,
(5)
где I1 - интенсивность компоненты зондирующего излучения, отраженной от границы воздух-polySi;
I2 - интенсивность компоненты, вышедшей из слоя polySi после отражения от границы Si-polySi;
d - толщина polySi-слоя.
Разлагая функцию I(d + ∆d) в ряд и ограничиваясь линейным по ∆d/d членом, а также учитывая, что I2 «
I1, получим:
max ∆I / I = 2( I1I 2 / I1 )(4πn polySid / λ)(∆d / d) .
(6)
Поскольку
∆R / R = ∆I / I, max ∆R / R = δ, d ∼ λ, ∆d / d ∼ 0,01, 4πn polySi ≈ 50, δ ≈ I 2 / I1 .
Принимая во внимание, что
5
(7)
BY 4853 C1
I1 = I пад R polySi ,
(8)
I2 = Iпад(1− RpolySi)2 exp(−2αpolySidmin)RSi−polyS,
(8.1)
α polySi = 4 πx polySi / λ ,
(3.5)
(1 − R polySi )2 ≈ R polySi ,
(8.2)
где Iпад - интенсивность падающего на измерительную структуру излучения;
αpolySi - показатель поглощения поликремния;
dmin - нижняя граница по толщине осаждаемого слоя поликристаллического кремния, при которой достигается исключение интерференционных эффектов, получим выражение (3).
В (8) и (8.1) учтено ослабление проходящей волны в самой polySi-пленке по закону Бугера, двукратное
отражение на границе воздух-polySi и однократное на границе polySi-Si.
Еще одно независимое требование к толщине слоя, в который имплантируются ионы, можно сформулировать следующим образом: внедренная примесь должна находиться достаточно далеко от границы с подложкой с тем, чтобы не оказывать влияния на оптические постоянные Si и polySi в этой области. Калибровочные
кривые охватывают дозовый интервал в 3 порядка; соответственно, настолько же меньше должна быть слоевая концентрация вблизи границы раздела, чем в пике профиля распределения ионов. Это достигается для
гауссовского распределения на глубине Rp + 4∆Rp. Поэтому, если рассчитанная через (3) критическая толщина меньше этой величины, то в качестве dmin необходимо принять именно значение Rp + 4∆Rp. Таким образом, окончательно, dmin представляет собой максимум по (3) и (3.1).
Практическая реализация предложенного способа оптической дозиметрии ионной имплантации иллюстрируется следующим примером.
Исходные пластины кремния КЭФ-1 ориентации (111) обрабатывали в перекисно-аммиачном растворе с
компонентами NH4OH, H2O2, H2O в пропорции 1:1:7 и освежали в однопроцентном растворе HF. По формулам (3), (3.1), (3.2) для λ = 632,8 нм, δр = 5⋅10-4 и параметров Rp = 98 нм, ∆Rp = 38 нм профиля распределения
ионов мышьяка с энергией 50 кэВ рассчитывали dmin = 4,3⋅103 нм. На поверхность пластин в установке "Изотрон-3" при давлении 133 Па и температуре 630 °С осаждением из газовой фазы, содержащей 70 % Аr и
30 % SiH4, наносили слой поликристаллического кремния толщиной 5⋅103 нм, несколько превышающей dmin.
С помощью эллипсометра ЛЭФ-ЗМ-1 измеряли коэффициент отражения от слоя поликремния локально в 10
точках поверхности каждого образца. Полученное после усреднения по всем точкам значение R = 0,3550.
Далее тестовые структуры подвергали облучению различными дозами ионов мышьяка с Е = 50 кэВ на установке "Везувий-ЗМ", которая специально предназначена для имплантации малых доз, причем в каждый
образец внедряли одну дозу. Повторяли описанную выше процедуру измерения R от поликристаллической
поверхности всех тест-структур и строили калибровочную зависимость R(D) (фиг. 4, кривая 7). Источником
зондирующего излучения являлся гелий-неоновый лазер, низкая мощность которого исключает отжиг дефектов в процессе измерений. Затем в неимплантированную тестовую структуру внедряли ионы мышьяка с
той же ускоряющей разностью потенциалов, но с отключенным дозиметром установки ионного легирования
при плотности тока 0,001 мкА/см2 в течение 135 с. Измеряли значение отражающей способности R = 0,3585
и экстраполировали его в дозу D = 8,3⋅1011 см-2 по калибровочной кривой, чувствительность которой даже
при δp = 5⋅10-4 > δ позволяет зафиксировать 2 значащие цифры, т.е. измерить дозу с относительной погрешностью ∆D/D = (0,1⋅1011 см-2) / (8,3⋅1011 см-2) = 1,2 %, меньшей, чем в известном способе.
Источники информации:
1. Kirby B.J., Larson L.A., Liang R.-Y. Thermal-wave measurements of ion implanted silicon // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - 1987. - B21. - № 2-4. - P. 550-553.
2. Golim J.R., Schell N.W., Glaze J.A., Ozarski R.G. Latest abvances in ion implant optical dosimetry // Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research. - 1987. - B21. - № 2-4. - P. 542-549.
3. Прототип. Guidotti D., Wilman J.G., Ricci A.J. An optical bridge reflectometer for sensitive measurement of
ion implantation dose // Applied Physics. - 1992. - A54. - № 6. - P. 570-573.
4. Smith A.K., Johnson W.H., Keenan W.A., Rigik M., Kleppinger R. Sheet resistanse monitoring of low dose
implants using the double implant technigue // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. -1987. - B21.
- № 2-4. - P. 529-536.
6
BY 4853 C1
5. Комаров Ф.Ф., Новиков А.Л., Соловьев B.C., Ширяев С.Ю. Дефекты структуры в ионноимплантированном кремнии. - Мн.: Университетское, 1990. - C. 318.
6. Lubberts G., Burkey B.C., Moser F., Trabka EA. Optical properties of phosphorusdoped polycrystalline silicon layers // Journal of Applied Physics. - 1981. - 52. - № 11. - P. 6870-6877.
7. Lubberts G., Burkey B.C. Optical and electricfl properties of heavily phosphorusdoped epitaxial silicon //
Journal of Applied Physics - 1984. - 55. - № 3. - P. 760-763.
8. Балтрамеюнас Р.А., Гашка Р.И. Эллипсометрические исследования ионно-имплантированного и лазерно-отожженного кремния // Литовский физический сборник. -1990. - 30. - № 2. - C. 194-204.
9. Румак Н.В. Компоненты МОП - интегральных микросхем. – Мн.: Навука i тэхнiка, 1991. - 341 с.
10. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. - М.: Наука, 1989. - 751 с.
11. Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применения / Под ред. Г. Харбеке. М.: Мир, 1989. - C. 315.
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
208 Кб
Теги
by4853, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа