eng
Выпуск #5/2017
Н.Герасименко, А.Волоховский, О.Запорожан
Особенности контроля технологии кремниевых наноструктур
Особенности контроля технологии кремниевых наноструктур
Просмотры: 3235
Рассматривая технологический процесс производства кремниевых наноструктур, важно учитывать их переход в состояние размерного квантования, сопровождаемый изменением их механических и структурных свойств. Эти эффекты также необходимо учитывать при разработке системы контроля технологического процесса производства приборов и систем, содержащих наноразмерные структуры. В данной работе рассматриваются новые требования к контролю технологических процессов, в том числе, предъявляемые к оборудованию, с помощью которого осуществляется этот контроль.
УДК 54-1, ВАК 05.27.01, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.76.5.36.51
УДК 54-1, ВАК 05.27.01, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.76.5.36.51
Теги: optical scatterometry small-angle x-ray scattering spectral ellipsometry x-ray reflectometry малоугловое рентгеновское рассеяние оптическая скаттерометрия рентгеновская рефлектометрия спектральная эллипсометрия
Понятие "технологический контроль" объединяет две составляющие: организацию контрольного процесса и непосредственно измерительные методики, включая финальные операции контроля параметров изделия. С организационной точки зрения процесс контроля должен отвечать следующим требованиям:
• точность и воспроизводимость получаемого результата;
• оперативность получения результата;
• высокая производительность;
• высокая степень автоматизации;
• безопасность применения методики и оборудования, на котором она реализована;
• высокая степень достоверности получаемого результата.
Эти требования накладывают ограничения как на применяемые в процессе оперативного технологического контроля методики, так и на оборудование, на котором они реализованы. В производстве наноразмерных изделий для удовлетворения данных требований необходим учет следующих обстоятельств:
• изменения механических свойств объектов и структур при проведении контрольных операций, а также влияния поверхностей и границ разделов, изменения структурных свойств, которые рассматривались в статье [1];
• повторный контроль параметров объектов и структур при проведении последующих операций;
• влияние диффузионных процессов, размытие границ раздела материалов;
• влияние приграничных областей наноразмерного объекта;
• снижение степени воздействия на образец при проведении контрольных мероприятий;
• повышение комплексности получаемого результата, в смысле увеличения числа одновременно определяемых параметров.
Необходимость учета такого широкого круга факторов при построении операций технологического контроля вынуждает разрабатывать новые методики контроля, так как традиционно применяемые методики, даже хорошо разработанные, перестают удовлетворять предъявляемым требованиям, которые меняются по мере развития технологии.
КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
В качестве первого примера рассмотрим методику эллипсометрии [2], классически применяемую для технологического контроля толщин тонких пленок. Эта методика обладает рядом важных качеств, среди которых: высокая точность и воспроизводимость результата, высокая производительность, малая степень воздействия на образец. Однако, по мере развития технологии для некоторых процессов даже эллипсометрия перестает удовлетворять требованиям к контрольным операциям.
Рассмотрим процесс контроля подзатворного диэлектрика МОП-транзистора и происходящие с развитием технологии производства СБИС изменения. Исторически в качестве подзатворного диэлектрика в КМОП-технологии использовался оксид кремния. По мере развития технологии для обеспечения уменьшения длины канала затвора потребовалось уменьшить и толщину слоя диэлектрика. Когда его требуемая толщина приблизилась к значению 1 нм, рост паразитных эффектов заставил переходить на новые материалы. Среди этих эффектов можно выделить, во-первых, обеднение затвора, туннелирование носителей в затвор, что приводит к росту тока утечки, и, во-вторых, диффузию легирующей примеси (такой как бор [3]) из затвора в канал, что также приводит к деградации свойств получаемых микросхем. Поэтому, начиная с технологического уровня 90 нм, в подзатворный диэлектрик начали в небольших количествах (около 10% масс.) вводить азот. Это позволяет как предотвратить диффузию бора [3], так и повысить коэффициент диэлектрической проницаемости пленки. На последующих уровнях КМОП-технологии начался переход на так называемые high-K-материалы, такие как силикат и оксид гафния. Таким образом, контроль процессов получения подзатворного диэлектрика должен включать не только измерение толщин этих пленок, но также и определение их состава, чего можно достичь с применением комплексного подхода, предполагающего одновременный контроль толщины и показателя преломления пленок.
С помощью классических лазерных эллипсометров с вращающимся поляризатором, анализатором или компенсатором, традиционно применяемых для технологического контроля тонких пленок с субангстремной воспроизводимостью [4], возможно лишь измерение оптической толщины пленок, то есть произведения толщины на показатель преломления. Эта проблема традиционно решалась с помощью перехода к спектральной или угловой эллипсометрии [5, 6], позволяющей фиксировать значения эллипсометрических величин для диапазона спектра или углов падения соответственно, и таким образом позволяющей одновременно определять более одного независимого параметра, то есть и толщину пленки, и ее оптические свойства.
Однако, для таких процессов как формирование подзатворного диэлектрика, в которых допустимый технологический разброс толщины слоя не должен превышать 1–2 ангстрема, метод спектральной эллипсометрии (СЭ) [7] при одновременном контроле толщины и оптических свойств обладает недостаточной точностью. Это связано с тем, что регистрация значений эллипсометрических величин даже для широкого участка спектра не позволяет полностью избавиться от взаимных корреляций параметров при нахождении результата численными методами и, следовательно, не позволяет устранить неоднозначность полностью, так как значения эллипсометрических углов для разных участков спектра не являются полностью независимыми величинами.
Устранить подобные неоднозначности позволяет переход на комплексные методы измерения, где несколько отдельных методик взаимно дополняют друг друга для нахождения достоверного результата. Такой контрольный процесс для подзатворных нigh-K-диэлектриков на базе комбинации нескольких оптических методик в единый цикл обработки данных рассматривается в работе [8]. В работах [9, 10] обсуждается проблема точного экспериментального определения оптических свойств тонких пленок в широком диапазоне спектра (190–800 нм) при применении таких методик как эллипсометрия, спектрофотометрия и скаттерометрия к объектам современной технологии. Традиционно для этого используется метод СЭ [11, 12], однако с уменьшением абсолютного значения толщины контролируемых слоев до значений менее 10 нм необходимо применение перекрестного контроля, так как точность СЭ оказывается недостаточной [9]. Найденное значение затем используется в эллипсометрии для определения оптических свойств пленки. В качестве такого перекрестного метода контроля авторами работ [8, 9], выполненных независимыми коллективами авторов, предлагается рентгеновская рефлектометрия (РР) [13, 14], которая имеет отличную чувствительность к тонким пленкам, является неразрушающей и, что очень важно, не требует калибровки на внешние стандарты.
Такой взаимодополняющий принцип построения измерительных методик может также применяться при контроле многокомпонентных пленок и пленок сложного состава. Например, рассмотрим контроль процесса получения пленок фторсодержащего силикатного стекла. В этом случае, для контроля толщины с удовлетворительной точностью обязательно одновременное измерение показателя преломления, так как оптические свойства данной пленки, определяемые ее составом (а именно, содержанием фтора), могут изменяться при последовательных реализациях процесса нанесения. Для одновременного определения толщины и оптических свойств этих пленок применялась методика СЭ [5]. Добавление в эту схему контроля проверки состава пленки методом рентгеновской флуоресцентной спектроскопии (РФС) позволило выявить закономерность, представленную на рис.1. Таким образом, оказалось возможным использовать методику СЭ для оперативной оценки состава данных пленок по изменению их оптических характеристик.
Представленная зависимость также дает возможность увеличить точность определения толщины подобных пленок. В этом случае с помощью РФС определяется концентрация фтора в пленке, которая затем пересчитывается в показатель преломления, используемый в СЭ в качестве фиксированного значения. Это позволяет исключить влияние присущей СЭ корреляции "оптические свойства – толщина" и увеличить точность определения толщины в 2–3 раза.
КОНТРОЛЬ ЛАТЕРАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ,
ФОРМИРУЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Следующим примером может являться процесс контроля латеральных размеров элементов, получаемых с помощью фотолитографии и травления. Традиционно для этого применялась растровая электронная микроскопия (РЭМ). По мере развития технологии фотолитографии для увеличения разрешающей способности процессов формирования структур был произведен переход на экспонирование на длине волны 193 нм с использованием эксимерных лазеров (ArF). Это повлекло за собой разработку новых фоторезистов, обладающих соответствующими свойствами (так называемых "химически-усиленных фоторезистов"). Однако, при измерении размеров фоторезистивных линий или зазоров между такими линиями методами РЭМ наблюдается эффект "сгорания" материала, который заключается в уменьшении наблюдаемого размера линии или увеличении зазора в результате зондирования образца. Согласно модельным представлениям, величина уменьшения фоторезистивной линии пропорциональна дозе облучения резиста электронами. Для 193-нм резистов при однократном сканировании фоторезистивной линии с номинальным размером около 100 нм это уменьшение достигает 3–10 нм [15] за одно измерение. На эффект влияют увеличение и ускоряющее напряжение, но он наблюдается даже при таких низких значениях ускоряющих напряжений как 300 В [16]. Дальнейшее снижение ускоряющего напряжения в РЭМ ведет к резкой деградации контраста изображения [15]. Таким образом, непосредственно сама измерительная методика вносит ошибку в результат измерения.
Для КМОП-технологии 120 нм аспектное соотношение толщины и длины затвора транзистора перешагнуло пороговое значение, составляющее единицу. Для этого технологического уровня необходимая воспроизводимость измерения критических размеров составляет 1,8 нм [16]. В структуре затвора, имеющего аспектное соотношение 1 : 1, отклонение угла наклона стенки на 1° приведет к изменению наблюдаемого размера, измеренного по верху и низу затвора, более чем на 10% от допустимого отклонения процесса (рис.2). Таким образом, необходимо не только измерять критический размер полученного затвора с требуемой воспроизводимостью, но и точно знать, на какой высоте происходит измерение. Для этого требуется методика, позволяющая производить измерение полного профиля получаемой трехмерной структуры элементов, включая определение их латеральных размеров, толщин и угла наклона стенок. Этого можно достичь с переходом на дифракционные оптические методики измерения критических размеров, такие как скаттерометрия [17] (рис.3 и 4).
В мировой практике современной микроэлектроники оптическая скаттерометрия используется в качестве стандартного метода контроля процессов формирования трехмерных структур. В частности, скаттерометрия активно применяется для контроля критических размеров в фотолитографических процессах [18] и процессах травления [17, 19]. Эта методика позволяет анализировать картины дифракции от периодических структур с целью восстановления их пространственных профилей. При этом возможно не только измерение латеральных размеров периодических структур, но одновременно и глубины канавок травления, наклона их стенок. В мировой практике скаттерометрия получила широкое распространение при переходе на малые топологические нормы [19, 21], так как позволяет заменить сразу несколько традиционных средств контроля, а также обладает высокой производительностью и точностью [20]. Методика успешно применяется на технологических уровнях вплоть до 20 нм [20, 21], причем влияние шероховатостей границ элементов на результат изучено [18, 22] и может быть учтено.
Однако, успешное внедрение скаттерометрии в каждом технологическом случае требует проведения комплексного исследования структуры перекрестными методами. Подобное исследование, позволившее внедрить данную методику для контроля технологического процесса травления щелевой изоляции, подробно описывалось нами в работе [23]. Использованный в этом исследовании скаттерометр может применяться для контроля критических размеров вплоть до технологического уровня 45 нм. Это связано с тем, что его спектральный диапазон 250–800 нм ограничен использованным источником (ксеноновая лампа), а также характеристиками пропускания оптических элементов. Техника оптической скаттерометрии для меньших проектных норм может быть реализована за счет перехода в часть спектра с меньшей длиной волны с использованием дейтериевого источника, имеющего типичный спектральный диапазон 150–400 нм. Такая установка позволит проводить контроль критических размеров вплоть до технологии 22 нм [13].
Дальнейшее смещение используемого спектрального диапазона для оптических скаттерометров представляется проблематичным, так как потребует вакуумирования оптического тракта, использования сверхчистого азота для его постоянной продувки, либо других технических решений, которые приведут к резкому росту стоимости установки и затрат на ее эксплуатацию. Поэтому в настоящее время ведущие мировые производители метрологического оборудования проводят разработку рентгеновских средств измерения критических размеров. Примером может являться установка для измерения критических размеров посредством анализа картин малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (CD-SAXS), которая в настоящее время разрабатывается японской компанией Rigaku [24]. Эта установка предназначена для использования на технологических уровнях 10 нм и ниже. Другой группой исследователей в настоящее ведется разработка установки скаттерометрии, работающей на фокусированных ионных пучках (ФИП) [25]. Такой подход позволяет определить не только пространственную геометрию исследуемой периодической структуры, но и профиль распределения химических элементов в ней. Это необходимо для оперативного контроля распределения легирующих примесей на вертикальных стенках структуры, что важно в современной КМОП-технологии при формировании так называемых FinFET транзисторных структур.
Первые опыты, описанные в работах [24, 25], указывают, что для контроля как наиболее малоразмерных, так и других элементов ИС необходимо сочетание оптической и рентгеновской или ионной методик, возможности и ограничения которых должны быть исследованы дополнительно. В этой связи следует напомнить о необходимости снижения степени воздействия на образец, с которой мы и начали рассмотрение методики оптической скаттерометрии. При переходе в скаттерометрии на рентгеновский диапазон требуется учет многих факторов, которые могут сделать применение методики в технологическом цикле затруднительным или невозможным. Следует учитывать образование радиационных дефектов, негативное воздействие на слои фоторезиста и нижележащие слои. При переходе к ФИП номенклатура паразитных эффектов еще более увеличивается. Воздействие ФИП на структуру материала стало предметом обсуждения на недавней конференции ConFab-2017 [26] и в одном из последних номеров журнала SolidState Technology [27], а также рассматривались в недавних работах как зарубежными коллективами авторов [28], так и нами [29].
КОНТРОЛЬ ВЕЛИЧИН РАЗМЫТИЯ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА
Важной особенностью, которую необходимо учитывать при контроле наноразмерных структур, является размытие границ разделов материалов, наступающее при их взаимной диффузии. При снижении абсолютных значений размеров элементов относительный вклад данных эффектов растет. Причем в некоторых случаях они могут приводить к полной потере функциональных свойств структуры и, как следствие, к полному выходу изделия из строя. Примером такого случая может являться диффузионно-барьерная структура, применяющаяся в технологии медной металлизации Damascene. В ней используется двойная структура на основе тантала и его нитрида. Свойства данных ДБС-структур, а также причины, по которым в технологическом цикле медной металлизации выбор пал именно на них, подробно описаны в [30, 31] и других работах. Для наших целей необходимо лишь упомянуть функциональное назначение каждого из слоев в данной структуре: TaN обеспечивает адгезию к межслойному диэлектрику (как к окислу, так и к low-k-диэлектрикам), имеет удовлетворительные диффузионно-барьерные свойства, а также задает рост альфа-фазы (кубической). Ta, которая имеет более низкое контактное сопротивление по сравнению с бета (тетрагональной) фазой; тантал выступает в качестве основного ДБС-слоя, обеспечивает хорошую адгезию меди и, в дополнение, – необходимую кристаллографическую ориентацию наносимого впоследствии затравочного слоя меди. Слои TaN и Ta можно наносить в одной камере, что делает применение данной ДБС-структуры экономически оправданным. Типичная структура медной металлизации, в которой используется ДБС на основе тантала и его нитрида, приведена на рис.5.
В настоящее время для пооперационного контроля процессов получения данной структуры используются интерферометрические (эллипсометрия), рентгеновские (РР, РФС) и фотоакустические методики [32], которые не позволяют определить раздельные значения толщин слоев Ta и TaN по следующим причинам:
• схожесть оптических свойств – для эллипсометрии;
• размытая граница раздела – для РР;
• низкая чувствительность к азоту – для РФС;
• схожесть значений акустических импендансов – для фотоакустики.
При этом, именно толщина слоя тантала является критически важным параметром, так как она определяет диффузионно-барьерные свойства структуры.
Данные обстоятельства привели к тому, что распространенной практикой стало измерение в технологическом цикле только общей толщины двойной структуры. Толщины же отдельных слоев получают косвенно – по измерениям на пластинах-спутниках. Для этого используются две дополнительные пластины: одна содержит пленку нитрида тантала, другая – тантал, нанесенные в тех же режимах, что и для получения каждого из слоев в интегрированной структуре. Такой метод не позволяет учесть размытие границы раздела, неизбежно происходящее при получении интегрированной структуры. По мере развития технологии, толщины слоев в ДБС-структурах снижаются. Например, для технологических уровней ниже 65 нм общая толщина диффузионно-барьерной структуры должна быть меньше 5 нм [33]. Это обуславливает необходимость учета границы раздела между материалами.
Коллективом с участием авторов настоящей статьи была предложена методика, позволяющая получать раздельные значения толщин пленок Ta и TaN. Она предполагает совместное использование РР и малоуглового рассеяния (МУРР), которые для поиска решения объединяются в единый цикл обработки данных. Эта методика подробно описана в работе [34]. Данная методика позволила получить профиль распределения электронной плотности по глубине образца, а также установить за счет чего она изменяется в данном образце. Последнее было сделано с помощью метода МУРР, добавление которого позволило разрешить неоднозначность "плотность-шероховатость" [35, 36] и, в конечном итоге, выявить факт диффузии азота из пленки нитрида тантала в пленку тантала. Данное явление должно учитываться при проектировании приборов, так как оно ведет к деградации барьерных свойств структуры. Недостаточные барьерные свойства таких структур могут приводить к снижению надежности ИС вплоть до полной потери потребительских качеств.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе рассмотрен процесс контроля технологического цикла производства наноразмерных изделий твердотельной электроники и показано, что во многих случаях требуется пересмотр существующих методик контроля для удовлетворения предъявляемых к этому процессу требований. Для увеличения достоверности получаемых результатов в некоторых случаях необходим переход на комплексные методики контроля, подразумевающие комплементарное, взаимодополняющее применение нескольких различных методов. Иногда такой подход является единственно возможным для получения необходимого результата. Если ранее при контроле процессов, например, субмикронной технологии, можно было выбрать из существующих методик ту, что является оптимальной для данного случая, то в современной технологии этого зачастую сделать нельзя, так как такой методики просто не существует.
В работе показывается необходимость учета специфических явлений, присущих переходу к получению наноразмерных элементов и структур. Среди них, во-первых, следует упомянуть изменение механических и структурных свойств у нанообъектов, а также явления диффузии и поверхностные эффекты. По мере развития технологии в сторону уменьшения размеров изготавливаемых элементов, данные эффекты начинают играть определяющую роль в свойствах получаемых структур и, следовательно, обязателен их учет при организации контроля технологических процессов.
Развитие технологии и движение проектных норм в сторону уменьшения, как уже было неоднократно показано, связаны с коренным изменением фундаментальных свойств материалов и структур, что было предметом обсуждения в работе [1]. Эффективный контроль технологического процесса базируется на учете этих изменений. Некоторые из них следует специально отметить, как оказывающие особое влияние на контроль технологического процесса и необходимость разработки новых технических средств.
Прежде всего, необходимо учитывать изменение структуры материала и переход в новое состояние, в частности квази-жидкость. Недавно компания IBM представила изображение транзисторной структуры, изготовленной по технологии 7 нм [37] (рис.7). Появившаяся в последнее время информация показывает, что при таких размерах структура, по-видимому, полностью является упорядоченной аморфной, либо по существующей терминологии – квази-жидкой, и ее механические свойства существенно отличаются от свойств известного нам монокристаллического кремния.
В то же время, на прошедших недавно конференциях [26] и в опубликованных работах [27, 28] подробно рассматриваются вопросы, связанные с воздействием самих измерительных методик на структуру наноразмерных объектов. Эти эффекты необходимо тщательным образом учитывать при построении системы технологического контроля производства, чтобы получать достоверные результаты измерения, и, как следствие, иметь высокий процент выхода годных изделий.
И, наконец, технологические возможности формирования малоразмерных (наноразмерных) электронных, либо электронно-оптических структур нуждаются в использовании новых технологических методов и новых измерительных методик. В современной литературе демонстрационные образцы таких структур пытаются изготовить с помощью хорошо контролируемых и в ряде случаях уникальных методов, к которым следует отнести молекулярно-лучевую эпитаксию. Однако в реальной технологии для массового производства эта технология мало пригодна и может уступать хорошо известным методам, в частности, радиационной технологии и, прежде всего, ионной имплантации. В качестве примера посмотрим на историю развития технологии создания светоизлучающих структур на базе SiGe квантовых точек. Многие опубликованные исследования, посвященные изготовлению таких структур, проведены с использованием метода молекулярно-лучевой эпитаксии. В то же время мы глубоко убеждены, что массовое производство подобных приборов может и должно основываться на использовании ионной имплантации (ионного синтеза), как было неоднократно показано в наших работах [38–41].
Авторы благодарят Д.И.Смирнова за участие в измерениях рентгеновскими методами и за обсуждение полученных результатов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Герасименко Н.Н., Волоховский А.Д., Запорожан О.А. Учет особенностей изменения свойств материала при организации технологии кремниевых наноструктур // НАНОИНДУСТРИЯ. 2017. Т. 75. № 7. С. 84–103.
2. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. – М.: Мир, 1981.
3. Ma Z.J., Chen J.C., Liu Z.H. et al. Suppression of boron penetration in p+ poly silicon gate P-MOSFETs using low-temperature gate-oxide N2O // IEEE Electron Device Letters. 1994. Vol. 15. P. 109.
4. Fanton J.T., Opsal J., Rosencwaig A. A novel technique for performing ellipsometric measurements in a sub-micrometer area // Proceedings of SPIE. 1993. Vol. 2004. P. 322.
5. Opsal J., Fanton J., Chen J. et al. Broadband spectral operation of a rotating-compensator Ellipsometer // Thin Solid Films. 1998. Vol. 313–314. P. 58.
6. Fanton J.T., Opsal J., Willenborg D.L. et al. Multiparameter measurements of thin films using beam-profile reflectometry // Journal of Applied Physics. 1993. Vol. 73. № 11. P. 7035.
7. Opsal J., Fanton J., Chen J. et al. Broadband spectral operation of a rotating-compensator Ellipsometer // Thin Solid Films. 1998. Vol. 313–314. P. 58.
8. Morris S.J., Clifford E., Sorkhabi O. Multi-Technology Measurements of Nitrided Oxide and High-K Gate Stacks // C 788, Characterization and Metrology for ULSI Technology. 2005.
9. Cain J.P., Robie S., Zhang Q. et al. Combined use of X-ray reflectometry and spectroscopic ellipsometry for characterization of thin film optical properties // Proceedings of SPIE, 31st International Symposium on Advanced Lithography. International Society for Optics and Photonics. 2006. Vol. 6155. P. 61550P.
10. Смирнов Д.И., Гиниятуллин Р.М., Зюльков И.Ю. Герасименко Н.Н. Проблемы измерения параметров элементов и структур современной микро- и наноэлектроники на примере диффузионно-барьерных структур TiN/Ti // Письма в ЖТФ. 2013. T. 39. Вып. 14. С. 34.
11. Jellison G.E. (Jr.). Physics of optical metrology of silicon-based semiconductor devices in Handbook of Silicon Semiconductor Metrology / Ed. by Diebold A.C. – NY: Marcel Dekker. 2001. P. 763.
12. Stehle J.L., Boher P., Defranoux C. et al. Ultraviolet, vacuum ultraviolet, and extreme ultraviolet spectroscopic reflectometry and ellipsometry in Handbook of Silicon Semiconductor Metrology / Ed. by Diebold A.C. – NY: Marcel Dekker. 2001. P. 761.
13. Deslattes R.D., Matyi R.J. Analysis of thin-layer structures by X-ray reflectometry in Handbook of Silicon Semiconductor Metrology / Ed. by Diebold A.C. – NY: Marcel Dekker, 2001. P. 789.
14. Gibaud A., Hazra S. X-ray reflectivity and diffuse scattering // Current Science. 2000. Vol. 78. № 12. P. 1467.
15. Goldstein J.I. et.al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis // NY: Plenum Press, 1981. P. 99.
16. Ukraintsev V.A., Baum C., Zhang G. and Hall C.L. The role of AFM in semiconductor technology development: the 65 nm technology node and beyond // Proceedings of SPIE. 2005. Vol. 5752. P. 127.
17. Thony P., Herisson D., Henry D. et al. Review of C measurement and scatterometry // Proceedings of the Characterization and Metrology for VLSI Technology. 2003. P. 381–388.
18. Chen X., Shi Y., Jiang H. et al. Nondestructive analysis of lithographic patterns with natural line edge roughness from Mueller matrix ellipsometric data // Applied Surface Science. 2016. Vol. 388. P. 524.
19. Lina C., Huang C., Hsu C. et al. Fast and accurate scatterometry metrology method for STI CMP step height process evaluation // Proceedings of SPIE. 2012. Vol. 8324. P. 832421.
20. Melzer R., Hartig C., Grasshoff G. et al. Through Pitch monitoring by optical scatterometry // Proceedings of SPIE. 2015. Vol. 9424. P. 942429.
21. Leray P., Lorusso G.F., Cheng S. et al. Accurate and Reliable Optical C of MuGFET down to 10nm // Proceedings of SPIE. 2003. Vol. 6518. P. 65183B.
22. Gross H., Henn M., Heidenreich S. et al. Modeling of line roughness and its impact on the diffraction intensities and the reconstructed critical dimensions in scatterometry // Applied Optics. 2012. Vol. 51. No. 30. P. 7384.
23. Boлoхoвокий A.Д., Геpacимeнкo H.H., Петpaкoв Д.С. Применение комбинированных оптических методов контроля процесса травления щелевой изоляции // Известия ВУЗов. Микроэлектроника. 2017. Т. 22. № 4.
24. Ito Y., Higuchi A., Omote K. Characterization of cross-sectional profile of resist L/S and holepattern using CD-SAXS // Proceedings of SPIE. 2016. Vol. 9778. P. 97780L.
25. England J., Min W.J., Kim J. The application of medium energy ion scattering and other ion beam analysis techniques to measure doped Si nanostructures // Abstract book "Formation of 3D nanostructures by ion beams". Helsinki, June 26–30, 2017.
26. Сборник тезисов конференции ConFab – 2017,
May 14–17, 2017. San Diego, CA. [URL]: http://theconfab.com/2017-conference/2017-conference-proceedings.
27. Engineering techniques is damaging material, research reveals // Solid state technology blogs [URL]: http://electroiq.com/blog/2017/04/engineering-technique-is-damaging-materials-research-reveals.
28. Hofmann F., Tarleton E., Harder R.J. et al. 3D lattice distortions and defect structures in ion-implanted nanocrystals // Science Reports. 2017. Vol. 7. P. 45993.
29. Gerasimenko N.N., Chamov A.A., Medetov N.A. et al. Specific Features of Relief Formation on Silicon Etched by a Focused Ion Beam // Technical Physics Letters. 2010. Vol. 36. № 11. P. 991.
30. Chena G.S., Leeb P.Y., Chena S.T. Phase formation behavior and diffusion barrier property of reactively sputtered tantalum-based thin flms used in semiconductor metallization // Thin Solid Films. 1999. Vol. 353. P. 264.
31. Васильев В.А., Серегин Д.С., Воротилов К.А. и др. Барьерные слои для систем металлизации СБИС / В кн.: Intermatic: материалы VI Международной научно-технической конференции. Москва. 21–23 октября 2008. С. 43.
32. Hostetler J.L., Smith A.N., and Norris P.M. Thin-film thermal conductivity and thickness measurements using picosecond ultrasonics // Microscale Thermophysical Engineering. 1997. Vol. 1. P. 237.
33. Kim H., Kellock A.J., Park D. Robust TaNx diffusion barrier for Cu-interconnect technology with subnanometer thickness by metal-organic plasma-enhanced atomic layer deposition // Journal of Applied Physics. 2005. Vol. 98. P. 014308.
34. Смирнов Д.И., Герасименко Н.Н., Овчинников В.В. Применение двухволновой рентгенооптической схемы совместных измерений зеркального отражения и диффузного рассеяния рентгеновского излучения для исследования многослойных тонкопленочных структур // Известия вузов. Электроника. 2016. Т. 21. № 1.
35. Sinha S.K., Sirota E.B., Garoff S. et al. X-ray and neutron scattering from rough surfaces // II Phys. Rev.В. 1988. Vol. 38. No. 4. P. 2297–2311.
36. Holy V., Pietsch U., Baumbach T. High-resolution X-ray scattering from thin films and multilayers // Springer Tracts in Modern Physics. 2004. Vol. 149. P. 408.
37. Antony S. Beyond silicon: IBM unveils world’s first 7nm chip [URL]: https://arstechnica.co.uk/gadgets/2015/07/ibm-unveils-industrys-first-7nm-chip-moving-beyond-silicon.
38. Пархоменко Ю.Н. и др. Свойства самоорганизованных SiGe-наноструктур, полученных методом ионной имплантации // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. № 5. С. 593–597.
39. Gerasimenko N.N., Zaporogan O.A., Smirnov D.I. and Volokhovskiy A.D. Controllable radiation-induced transformations in silicon nanostructures // Abstract book: 25th international symposium "Nanostructures: Physics and Technology", Saint Petersburg. 26–30 June 2017. P. 270–271.
40. Gerasimenko N.N., Zaporogan O.A., Smirnov D.I. and Volokhovskiy A.D. Controllable Radiation-Induced Formation of Silicon Nanostructures // Abstract book: workshop "Formation of 3D Nanostructures by Ion Beams". Helsinki. 28–30 June, 2017. P. 87–88.
41. Balakleyskiy N., Gerasimenko N., Zaporozhan O. Room Temperature Photoluminescence from Self-Organized Germanium QD Formed by Ion Implantation in Silicon // Proceedings of the "Advanced Solid State Lasers Conference", Nagoya, 1–5 October 2017 (принята к печати в Optical Materials Express).
• точность и воспроизводимость получаемого результата;
• оперативность получения результата;
• высокая производительность;
• высокая степень автоматизации;
• безопасность применения методики и оборудования, на котором она реализована;
• высокая степень достоверности получаемого результата.
Эти требования накладывают ограничения как на применяемые в процессе оперативного технологического контроля методики, так и на оборудование, на котором они реализованы. В производстве наноразмерных изделий для удовлетворения данных требований необходим учет следующих обстоятельств:
• изменения механических свойств объектов и структур при проведении контрольных операций, а также влияния поверхностей и границ разделов, изменения структурных свойств, которые рассматривались в статье [1];
• повторный контроль параметров объектов и структур при проведении последующих операций;
• влияние диффузионных процессов, размытие границ раздела материалов;
• влияние приграничных областей наноразмерного объекта;
• снижение степени воздействия на образец при проведении контрольных мероприятий;
• повышение комплексности получаемого результата, в смысле увеличения числа одновременно определяемых параметров.
Необходимость учета такого широкого круга факторов при построении операций технологического контроля вынуждает разрабатывать новые методики контроля, так как традиционно применяемые методики, даже хорошо разработанные, перестают удовлетворять предъявляемым требованиям, которые меняются по мере развития технологии.
КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
В качестве первого примера рассмотрим методику эллипсометрии [2], классически применяемую для технологического контроля толщин тонких пленок. Эта методика обладает рядом важных качеств, среди которых: высокая точность и воспроизводимость результата, высокая производительность, малая степень воздействия на образец. Однако, по мере развития технологии для некоторых процессов даже эллипсометрия перестает удовлетворять требованиям к контрольным операциям.
Рассмотрим процесс контроля подзатворного диэлектрика МОП-транзистора и происходящие с развитием технологии производства СБИС изменения. Исторически в качестве подзатворного диэлектрика в КМОП-технологии использовался оксид кремния. По мере развития технологии для обеспечения уменьшения длины канала затвора потребовалось уменьшить и толщину слоя диэлектрика. Когда его требуемая толщина приблизилась к значению 1 нм, рост паразитных эффектов заставил переходить на новые материалы. Среди этих эффектов можно выделить, во-первых, обеднение затвора, туннелирование носителей в затвор, что приводит к росту тока утечки, и, во-вторых, диффузию легирующей примеси (такой как бор [3]) из затвора в канал, что также приводит к деградации свойств получаемых микросхем. Поэтому, начиная с технологического уровня 90 нм, в подзатворный диэлектрик начали в небольших количествах (около 10% масс.) вводить азот. Это позволяет как предотвратить диффузию бора [3], так и повысить коэффициент диэлектрической проницаемости пленки. На последующих уровнях КМОП-технологии начался переход на так называемые high-K-материалы, такие как силикат и оксид гафния. Таким образом, контроль процессов получения подзатворного диэлектрика должен включать не только измерение толщин этих пленок, но также и определение их состава, чего можно достичь с применением комплексного подхода, предполагающего одновременный контроль толщины и показателя преломления пленок.
С помощью классических лазерных эллипсометров с вращающимся поляризатором, анализатором или компенсатором, традиционно применяемых для технологического контроля тонких пленок с субангстремной воспроизводимостью [4], возможно лишь измерение оптической толщины пленок, то есть произведения толщины на показатель преломления. Эта проблема традиционно решалась с помощью перехода к спектральной или угловой эллипсометрии [5, 6], позволяющей фиксировать значения эллипсометрических величин для диапазона спектра или углов падения соответственно, и таким образом позволяющей одновременно определять более одного независимого параметра, то есть и толщину пленки, и ее оптические свойства.
Однако, для таких процессов как формирование подзатворного диэлектрика, в которых допустимый технологический разброс толщины слоя не должен превышать 1–2 ангстрема, метод спектральной эллипсометрии (СЭ) [7] при одновременном контроле толщины и оптических свойств обладает недостаточной точностью. Это связано с тем, что регистрация значений эллипсометрических величин даже для широкого участка спектра не позволяет полностью избавиться от взаимных корреляций параметров при нахождении результата численными методами и, следовательно, не позволяет устранить неоднозначность полностью, так как значения эллипсометрических углов для разных участков спектра не являются полностью независимыми величинами.
Устранить подобные неоднозначности позволяет переход на комплексные методы измерения, где несколько отдельных методик взаимно дополняют друг друга для нахождения достоверного результата. Такой контрольный процесс для подзатворных нigh-K-диэлектриков на базе комбинации нескольких оптических методик в единый цикл обработки данных рассматривается в работе [8]. В работах [9, 10] обсуждается проблема точного экспериментального определения оптических свойств тонких пленок в широком диапазоне спектра (190–800 нм) при применении таких методик как эллипсометрия, спектрофотометрия и скаттерометрия к объектам современной технологии. Традиционно для этого используется метод СЭ [11, 12], однако с уменьшением абсолютного значения толщины контролируемых слоев до значений менее 10 нм необходимо применение перекрестного контроля, так как точность СЭ оказывается недостаточной [9]. Найденное значение затем используется в эллипсометрии для определения оптических свойств пленки. В качестве такого перекрестного метода контроля авторами работ [8, 9], выполненных независимыми коллективами авторов, предлагается рентгеновская рефлектометрия (РР) [13, 14], которая имеет отличную чувствительность к тонким пленкам, является неразрушающей и, что очень важно, не требует калибровки на внешние стандарты.
Такой взаимодополняющий принцип построения измерительных методик может также применяться при контроле многокомпонентных пленок и пленок сложного состава. Например, рассмотрим контроль процесса получения пленок фторсодержащего силикатного стекла. В этом случае, для контроля толщины с удовлетворительной точностью обязательно одновременное измерение показателя преломления, так как оптические свойства данной пленки, определяемые ее составом (а именно, содержанием фтора), могут изменяться при последовательных реализациях процесса нанесения. Для одновременного определения толщины и оптических свойств этих пленок применялась методика СЭ [5]. Добавление в эту схему контроля проверки состава пленки методом рентгеновской флуоресцентной спектроскопии (РФС) позволило выявить закономерность, представленную на рис.1. Таким образом, оказалось возможным использовать методику СЭ для оперативной оценки состава данных пленок по изменению их оптических характеристик.
Представленная зависимость также дает возможность увеличить точность определения толщины подобных пленок. В этом случае с помощью РФС определяется концентрация фтора в пленке, которая затем пересчитывается в показатель преломления, используемый в СЭ в качестве фиксированного значения. Это позволяет исключить влияние присущей СЭ корреляции "оптические свойства – толщина" и увеличить точность определения толщины в 2–3 раза.
КОНТРОЛЬ ЛАТЕРАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ,
ФОРМИРУЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Следующим примером может являться процесс контроля латеральных размеров элементов, получаемых с помощью фотолитографии и травления. Традиционно для этого применялась растровая электронная микроскопия (РЭМ). По мере развития технологии фотолитографии для увеличения разрешающей способности процессов формирования структур был произведен переход на экспонирование на длине волны 193 нм с использованием эксимерных лазеров (ArF). Это повлекло за собой разработку новых фоторезистов, обладающих соответствующими свойствами (так называемых "химически-усиленных фоторезистов"). Однако, при измерении размеров фоторезистивных линий или зазоров между такими линиями методами РЭМ наблюдается эффект "сгорания" материала, который заключается в уменьшении наблюдаемого размера линии или увеличении зазора в результате зондирования образца. Согласно модельным представлениям, величина уменьшения фоторезистивной линии пропорциональна дозе облучения резиста электронами. Для 193-нм резистов при однократном сканировании фоторезистивной линии с номинальным размером около 100 нм это уменьшение достигает 3–10 нм [15] за одно измерение. На эффект влияют увеличение и ускоряющее напряжение, но он наблюдается даже при таких низких значениях ускоряющих напряжений как 300 В [16]. Дальнейшее снижение ускоряющего напряжения в РЭМ ведет к резкой деградации контраста изображения [15]. Таким образом, непосредственно сама измерительная методика вносит ошибку в результат измерения.
Для КМОП-технологии 120 нм аспектное соотношение толщины и длины затвора транзистора перешагнуло пороговое значение, составляющее единицу. Для этого технологического уровня необходимая воспроизводимость измерения критических размеров составляет 1,8 нм [16]. В структуре затвора, имеющего аспектное соотношение 1 : 1, отклонение угла наклона стенки на 1° приведет к изменению наблюдаемого размера, измеренного по верху и низу затвора, более чем на 10% от допустимого отклонения процесса (рис.2). Таким образом, необходимо не только измерять критический размер полученного затвора с требуемой воспроизводимостью, но и точно знать, на какой высоте происходит измерение. Для этого требуется методика, позволяющая производить измерение полного профиля получаемой трехмерной структуры элементов, включая определение их латеральных размеров, толщин и угла наклона стенок. Этого можно достичь с переходом на дифракционные оптические методики измерения критических размеров, такие как скаттерометрия [17] (рис.3 и 4).
В мировой практике современной микроэлектроники оптическая скаттерометрия используется в качестве стандартного метода контроля процессов формирования трехмерных структур. В частности, скаттерометрия активно применяется для контроля критических размеров в фотолитографических процессах [18] и процессах травления [17, 19]. Эта методика позволяет анализировать картины дифракции от периодических структур с целью восстановления их пространственных профилей. При этом возможно не только измерение латеральных размеров периодических структур, но одновременно и глубины канавок травления, наклона их стенок. В мировой практике скаттерометрия получила широкое распространение при переходе на малые топологические нормы [19, 21], так как позволяет заменить сразу несколько традиционных средств контроля, а также обладает высокой производительностью и точностью [20]. Методика успешно применяется на технологических уровнях вплоть до 20 нм [20, 21], причем влияние шероховатостей границ элементов на результат изучено [18, 22] и может быть учтено.
Однако, успешное внедрение скаттерометрии в каждом технологическом случае требует проведения комплексного исследования структуры перекрестными методами. Подобное исследование, позволившее внедрить данную методику для контроля технологического процесса травления щелевой изоляции, подробно описывалось нами в работе [23]. Использованный в этом исследовании скаттерометр может применяться для контроля критических размеров вплоть до технологического уровня 45 нм. Это связано с тем, что его спектральный диапазон 250–800 нм ограничен использованным источником (ксеноновая лампа), а также характеристиками пропускания оптических элементов. Техника оптической скаттерометрии для меньших проектных норм может быть реализована за счет перехода в часть спектра с меньшей длиной волны с использованием дейтериевого источника, имеющего типичный спектральный диапазон 150–400 нм. Такая установка позволит проводить контроль критических размеров вплоть до технологии 22 нм [13].
Дальнейшее смещение используемого спектрального диапазона для оптических скаттерометров представляется проблематичным, так как потребует вакуумирования оптического тракта, использования сверхчистого азота для его постоянной продувки, либо других технических решений, которые приведут к резкому росту стоимости установки и затрат на ее эксплуатацию. Поэтому в настоящее время ведущие мировые производители метрологического оборудования проводят разработку рентгеновских средств измерения критических размеров. Примером может являться установка для измерения критических размеров посредством анализа картин малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (CD-SAXS), которая в настоящее время разрабатывается японской компанией Rigaku [24]. Эта установка предназначена для использования на технологических уровнях 10 нм и ниже. Другой группой исследователей в настоящее ведется разработка установки скаттерометрии, работающей на фокусированных ионных пучках (ФИП) [25]. Такой подход позволяет определить не только пространственную геометрию исследуемой периодической структуры, но и профиль распределения химических элементов в ней. Это необходимо для оперативного контроля распределения легирующих примесей на вертикальных стенках структуры, что важно в современной КМОП-технологии при формировании так называемых FinFET транзисторных структур.
Первые опыты, описанные в работах [24, 25], указывают, что для контроля как наиболее малоразмерных, так и других элементов ИС необходимо сочетание оптической и рентгеновской или ионной методик, возможности и ограничения которых должны быть исследованы дополнительно. В этой связи следует напомнить о необходимости снижения степени воздействия на образец, с которой мы и начали рассмотрение методики оптической скаттерометрии. При переходе в скаттерометрии на рентгеновский диапазон требуется учет многих факторов, которые могут сделать применение методики в технологическом цикле затруднительным или невозможным. Следует учитывать образование радиационных дефектов, негативное воздействие на слои фоторезиста и нижележащие слои. При переходе к ФИП номенклатура паразитных эффектов еще более увеличивается. Воздействие ФИП на структуру материала стало предметом обсуждения на недавней конференции ConFab-2017 [26] и в одном из последних номеров журнала SolidState Technology [27], а также рассматривались в недавних работах как зарубежными коллективами авторов [28], так и нами [29].
КОНТРОЛЬ ВЕЛИЧИН РАЗМЫТИЯ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА
Важной особенностью, которую необходимо учитывать при контроле наноразмерных структур, является размытие границ разделов материалов, наступающее при их взаимной диффузии. При снижении абсолютных значений размеров элементов относительный вклад данных эффектов растет. Причем в некоторых случаях они могут приводить к полной потере функциональных свойств структуры и, как следствие, к полному выходу изделия из строя. Примером такого случая может являться диффузионно-барьерная структура, применяющаяся в технологии медной металлизации Damascene. В ней используется двойная структура на основе тантала и его нитрида. Свойства данных ДБС-структур, а также причины, по которым в технологическом цикле медной металлизации выбор пал именно на них, подробно описаны в [30, 31] и других работах. Для наших целей необходимо лишь упомянуть функциональное назначение каждого из слоев в данной структуре: TaN обеспечивает адгезию к межслойному диэлектрику (как к окислу, так и к low-k-диэлектрикам), имеет удовлетворительные диффузионно-барьерные свойства, а также задает рост альфа-фазы (кубической). Ta, которая имеет более низкое контактное сопротивление по сравнению с бета (тетрагональной) фазой; тантал выступает в качестве основного ДБС-слоя, обеспечивает хорошую адгезию меди и, в дополнение, – необходимую кристаллографическую ориентацию наносимого впоследствии затравочного слоя меди. Слои TaN и Ta можно наносить в одной камере, что делает применение данной ДБС-структуры экономически оправданным. Типичная структура медной металлизации, в которой используется ДБС на основе тантала и его нитрида, приведена на рис.5.
В настоящее время для пооперационного контроля процессов получения данной структуры используются интерферометрические (эллипсометрия), рентгеновские (РР, РФС) и фотоакустические методики [32], которые не позволяют определить раздельные значения толщин слоев Ta и TaN по следующим причинам:
• схожесть оптических свойств – для эллипсометрии;
• размытая граница раздела – для РР;
• низкая чувствительность к азоту – для РФС;
• схожесть значений акустических импендансов – для фотоакустики.
При этом, именно толщина слоя тантала является критически важным параметром, так как она определяет диффузионно-барьерные свойства структуры.
Данные обстоятельства привели к тому, что распространенной практикой стало измерение в технологическом цикле только общей толщины двойной структуры. Толщины же отдельных слоев получают косвенно – по измерениям на пластинах-спутниках. Для этого используются две дополнительные пластины: одна содержит пленку нитрида тантала, другая – тантал, нанесенные в тех же режимах, что и для получения каждого из слоев в интегрированной структуре. Такой метод не позволяет учесть размытие границы раздела, неизбежно происходящее при получении интегрированной структуры. По мере развития технологии, толщины слоев в ДБС-структурах снижаются. Например, для технологических уровней ниже 65 нм общая толщина диффузионно-барьерной структуры должна быть меньше 5 нм [33]. Это обуславливает необходимость учета границы раздела между материалами.
Коллективом с участием авторов настоящей статьи была предложена методика, позволяющая получать раздельные значения толщин пленок Ta и TaN. Она предполагает совместное использование РР и малоуглового рассеяния (МУРР), которые для поиска решения объединяются в единый цикл обработки данных. Эта методика подробно описана в работе [34]. Данная методика позволила получить профиль распределения электронной плотности по глубине образца, а также установить за счет чего она изменяется в данном образце. Последнее было сделано с помощью метода МУРР, добавление которого позволило разрешить неоднозначность "плотность-шероховатость" [35, 36] и, в конечном итоге, выявить факт диффузии азота из пленки нитрида тантала в пленку тантала. Данное явление должно учитываться при проектировании приборов, так как оно ведет к деградации барьерных свойств структуры. Недостаточные барьерные свойства таких структур могут приводить к снижению надежности ИС вплоть до полной потери потребительских качеств.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе рассмотрен процесс контроля технологического цикла производства наноразмерных изделий твердотельной электроники и показано, что во многих случаях требуется пересмотр существующих методик контроля для удовлетворения предъявляемых к этому процессу требований. Для увеличения достоверности получаемых результатов в некоторых случаях необходим переход на комплексные методики контроля, подразумевающие комплементарное, взаимодополняющее применение нескольких различных методов. Иногда такой подход является единственно возможным для получения необходимого результата. Если ранее при контроле процессов, например, субмикронной технологии, можно было выбрать из существующих методик ту, что является оптимальной для данного случая, то в современной технологии этого зачастую сделать нельзя, так как такой методики просто не существует.
В работе показывается необходимость учета специфических явлений, присущих переходу к получению наноразмерных элементов и структур. Среди них, во-первых, следует упомянуть изменение механических и структурных свойств у нанообъектов, а также явления диффузии и поверхностные эффекты. По мере развития технологии в сторону уменьшения размеров изготавливаемых элементов, данные эффекты начинают играть определяющую роль в свойствах получаемых структур и, следовательно, обязателен их учет при организации контроля технологических процессов.
Развитие технологии и движение проектных норм в сторону уменьшения, как уже было неоднократно показано, связаны с коренным изменением фундаментальных свойств материалов и структур, что было предметом обсуждения в работе [1]. Эффективный контроль технологического процесса базируется на учете этих изменений. Некоторые из них следует специально отметить, как оказывающие особое влияние на контроль технологического процесса и необходимость разработки новых технических средств.
Прежде всего, необходимо учитывать изменение структуры материала и переход в новое состояние, в частности квази-жидкость. Недавно компания IBM представила изображение транзисторной структуры, изготовленной по технологии 7 нм [37] (рис.7). Появившаяся в последнее время информация показывает, что при таких размерах структура, по-видимому, полностью является упорядоченной аморфной, либо по существующей терминологии – квази-жидкой, и ее механические свойства существенно отличаются от свойств известного нам монокристаллического кремния.
В то же время, на прошедших недавно конференциях [26] и в опубликованных работах [27, 28] подробно рассматриваются вопросы, связанные с воздействием самих измерительных методик на структуру наноразмерных объектов. Эти эффекты необходимо тщательным образом учитывать при построении системы технологического контроля производства, чтобы получать достоверные результаты измерения, и, как следствие, иметь высокий процент выхода годных изделий.
И, наконец, технологические возможности формирования малоразмерных (наноразмерных) электронных, либо электронно-оптических структур нуждаются в использовании новых технологических методов и новых измерительных методик. В современной литературе демонстрационные образцы таких структур пытаются изготовить с помощью хорошо контролируемых и в ряде случаях уникальных методов, к которым следует отнести молекулярно-лучевую эпитаксию. Однако в реальной технологии для массового производства эта технология мало пригодна и может уступать хорошо известным методам, в частности, радиационной технологии и, прежде всего, ионной имплантации. В качестве примера посмотрим на историю развития технологии создания светоизлучающих структур на базе SiGe квантовых точек. Многие опубликованные исследования, посвященные изготовлению таких структур, проведены с использованием метода молекулярно-лучевой эпитаксии. В то же время мы глубоко убеждены, что массовое производство подобных приборов может и должно основываться на использовании ионной имплантации (ионного синтеза), как было неоднократно показано в наших работах [38–41].
Авторы благодарят Д.И.Смирнова за участие в измерениях рентгеновскими методами и за обсуждение полученных результатов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Герасименко Н.Н., Волоховский А.Д., Запорожан О.А. Учет особенностей изменения свойств материала при организации технологии кремниевых наноструктур // НАНОИНДУСТРИЯ. 2017. Т. 75. № 7. С. 84–103.
2. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. – М.: Мир, 1981.
3. Ma Z.J., Chen J.C., Liu Z.H. et al. Suppression of boron penetration in p+ poly silicon gate P-MOSFETs using low-temperature gate-oxide N2O // IEEE Electron Device Letters. 1994. Vol. 15. P. 109.
4. Fanton J.T., Opsal J., Rosencwaig A. A novel technique for performing ellipsometric measurements in a sub-micrometer area // Proceedings of SPIE. 1993. Vol. 2004. P. 322.
5. Opsal J., Fanton J., Chen J. et al. Broadband spectral operation of a rotating-compensator Ellipsometer // Thin Solid Films. 1998. Vol. 313–314. P. 58.
6. Fanton J.T., Opsal J., Willenborg D.L. et al. Multiparameter measurements of thin films using beam-profile reflectometry // Journal of Applied Physics. 1993. Vol. 73. № 11. P. 7035.
7. Opsal J., Fanton J., Chen J. et al. Broadband spectral operation of a rotating-compensator Ellipsometer // Thin Solid Films. 1998. Vol. 313–314. P. 58.
8. Morris S.J., Clifford E., Sorkhabi O. Multi-Technology Measurements of Nitrided Oxide and High-K Gate Stacks // C 788, Characterization and Metrology for ULSI Technology. 2005.
9. Cain J.P., Robie S., Zhang Q. et al. Combined use of X-ray reflectometry and spectroscopic ellipsometry for characterization of thin film optical properties // Proceedings of SPIE, 31st International Symposium on Advanced Lithography. International Society for Optics and Photonics. 2006. Vol. 6155. P. 61550P.
10. Смирнов Д.И., Гиниятуллин Р.М., Зюльков И.Ю. Герасименко Н.Н. Проблемы измерения параметров элементов и структур современной микро- и наноэлектроники на примере диффузионно-барьерных структур TiN/Ti // Письма в ЖТФ. 2013. T. 39. Вып. 14. С. 34.
11. Jellison G.E. (Jr.). Physics of optical metrology of silicon-based semiconductor devices in Handbook of Silicon Semiconductor Metrology / Ed. by Diebold A.C. – NY: Marcel Dekker. 2001. P. 763.
12. Stehle J.L., Boher P., Defranoux C. et al. Ultraviolet, vacuum ultraviolet, and extreme ultraviolet spectroscopic reflectometry and ellipsometry in Handbook of Silicon Semiconductor Metrology / Ed. by Diebold A.C. – NY: Marcel Dekker. 2001. P. 761.
13. Deslattes R.D., Matyi R.J. Analysis of thin-layer structures by X-ray reflectometry in Handbook of Silicon Semiconductor Metrology / Ed. by Diebold A.C. – NY: Marcel Dekker, 2001. P. 789.
14. Gibaud A., Hazra S. X-ray reflectivity and diffuse scattering // Current Science. 2000. Vol. 78. № 12. P. 1467.
15. Goldstein J.I. et.al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis // NY: Plenum Press, 1981. P. 99.
16. Ukraintsev V.A., Baum C., Zhang G. and Hall C.L. The role of AFM in semiconductor technology development: the 65 nm technology node and beyond // Proceedings of SPIE. 2005. Vol. 5752. P. 127.
17. Thony P., Herisson D., Henry D. et al. Review of C measurement and scatterometry // Proceedings of the Characterization and Metrology for VLSI Technology. 2003. P. 381–388.
18. Chen X., Shi Y., Jiang H. et al. Nondestructive analysis of lithographic patterns with natural line edge roughness from Mueller matrix ellipsometric data // Applied Surface Science. 2016. Vol. 388. P. 524.
19. Lina C., Huang C., Hsu C. et al. Fast and accurate scatterometry metrology method for STI CMP step height process evaluation // Proceedings of SPIE. 2012. Vol. 8324. P. 832421.
20. Melzer R., Hartig C., Grasshoff G. et al. Through Pitch monitoring by optical scatterometry // Proceedings of SPIE. 2015. Vol. 9424. P. 942429.
21. Leray P., Lorusso G.F., Cheng S. et al. Accurate and Reliable Optical C of MuGFET down to 10nm // Proceedings of SPIE. 2003. Vol. 6518. P. 65183B.
22. Gross H., Henn M., Heidenreich S. et al. Modeling of line roughness and its impact on the diffraction intensities and the reconstructed critical dimensions in scatterometry // Applied Optics. 2012. Vol. 51. No. 30. P. 7384.
23. Boлoхoвокий A.Д., Геpacимeнкo H.H., Петpaкoв Д.С. Применение комбинированных оптических методов контроля процесса травления щелевой изоляции // Известия ВУЗов. Микроэлектроника. 2017. Т. 22. № 4.
24. Ito Y., Higuchi A., Omote K. Characterization of cross-sectional profile of resist L/S and holepattern using CD-SAXS // Proceedings of SPIE. 2016. Vol. 9778. P. 97780L.
25. England J., Min W.J., Kim J. The application of medium energy ion scattering and other ion beam analysis techniques to measure doped Si nanostructures // Abstract book "Formation of 3D nanostructures by ion beams". Helsinki, June 26–30, 2017.
26. Сборник тезисов конференции ConFab – 2017,
May 14–17, 2017. San Diego, CA. [URL]: http://theconfab.com/2017-conference/2017-conference-proceedings.
27. Engineering techniques is damaging material, research reveals // Solid state technology blogs [URL]: http://electroiq.com/blog/2017/04/engineering-technique-is-damaging-materials-research-reveals.
28. Hofmann F., Tarleton E., Harder R.J. et al. 3D lattice distortions and defect structures in ion-implanted nanocrystals // Science Reports. 2017. Vol. 7. P. 45993.
29. Gerasimenko N.N., Chamov A.A., Medetov N.A. et al. Specific Features of Relief Formation on Silicon Etched by a Focused Ion Beam // Technical Physics Letters. 2010. Vol. 36. № 11. P. 991.
30. Chena G.S., Leeb P.Y., Chena S.T. Phase formation behavior and diffusion barrier property of reactively sputtered tantalum-based thin flms used in semiconductor metallization // Thin Solid Films. 1999. Vol. 353. P. 264.
31. Васильев В.А., Серегин Д.С., Воротилов К.А. и др. Барьерные слои для систем металлизации СБИС / В кн.: Intermatic: материалы VI Международной научно-технической конференции. Москва. 21–23 октября 2008. С. 43.
32. Hostetler J.L., Smith A.N., and Norris P.M. Thin-film thermal conductivity and thickness measurements using picosecond ultrasonics // Microscale Thermophysical Engineering. 1997. Vol. 1. P. 237.
33. Kim H., Kellock A.J., Park D. Robust TaNx diffusion barrier for Cu-interconnect technology with subnanometer thickness by metal-organic plasma-enhanced atomic layer deposition // Journal of Applied Physics. 2005. Vol. 98. P. 014308.
34. Смирнов Д.И., Герасименко Н.Н., Овчинников В.В. Применение двухволновой рентгенооптической схемы совместных измерений зеркального отражения и диффузного рассеяния рентгеновского излучения для исследования многослойных тонкопленочных структур // Известия вузов. Электроника. 2016. Т. 21. № 1.
35. Sinha S.K., Sirota E.B., Garoff S. et al. X-ray and neutron scattering from rough surfaces // II Phys. Rev.В. 1988. Vol. 38. No. 4. P. 2297–2311.
36. Holy V., Pietsch U., Baumbach T. High-resolution X-ray scattering from thin films and multilayers // Springer Tracts in Modern Physics. 2004. Vol. 149. P. 408.
37. Antony S. Beyond silicon: IBM unveils world’s first 7nm chip [URL]: https://arstechnica.co.uk/gadgets/2015/07/ibm-unveils-industrys-first-7nm-chip-moving-beyond-silicon.
38. Пархоменко Ю.Н. и др. Свойства самоорганизованных SiGe-наноструктур, полученных методом ионной имплантации // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. № 5. С. 593–597.
39. Gerasimenko N.N., Zaporogan O.A., Smirnov D.I. and Volokhovskiy A.D. Controllable radiation-induced transformations in silicon nanostructures // Abstract book: 25th international symposium "Nanostructures: Physics and Technology", Saint Petersburg. 26–30 June 2017. P. 270–271.
40. Gerasimenko N.N., Zaporogan O.A., Smirnov D.I. and Volokhovskiy A.D. Controllable Radiation-Induced Formation of Silicon Nanostructures // Abstract book: workshop "Formation of 3D Nanostructures by Ion Beams". Helsinki. 28–30 June, 2017. P. 87–88.
41. Balakleyskiy N., Gerasimenko N., Zaporozhan O. Room Temperature Photoluminescence from Self-Organized Germanium QD Formed by Ion Implantation in Silicon // Proceedings of the "Advanced Solid State Lasers Conference", Nagoya, 1–5 October 2017 (принята к печати в Optical Materials Express).
Отзывы читателей
