Контроль толщины слоя диэлектрика
Метод измерения выбирается в зависимости от того, в каком диапазоне толщин находится исследуемая диэлектрическая пленка и с какой точностью необходимо измерить ее толщину.
Наиболее прост метод цветовых оттенков Ньютона, основанный на наблюдении интерференционных цветов в отраженном свете, возникновение которых обусловлено двойным отражением и преломлением белого света, проходящего через прозрачную пленку и отражающегося от непрозрачной подложки. Цветность пленок зависит только от их толщины и показателя преломления А=2nx sin a,где А - разность хода лучей; n - показатель преломления пленки; a - угол отражения; х - толщина пленки.
Если отраженный свет наблюдать под прямым углом к поверхности пленки, то A=2nx.
Зная показатель преломления материала, по цвету пленки легко определить ее толщину. Однако для SiO2 цветовые оттенки повторяются примерно через каждые 0,22 мкм, проходя весь спектр. Поэтому для однозначного определения толщины необходимо знать порядок интерференции, т.е. какое по счету повторение цветов наблюдается. Для определения порядка интерференции на окисленную пластину осторожно наносят каплю плавиковой кислоты. В окисле вытравливается лунка до поверхности кремния. По периферии лунки наблюдается ряд колец. Количество темных красно- фиолетовых колец и определяет порядок интерференции. Например, зеленый цвет окисла в четвертом порядке соответствует толщине 0,72 мкм, а во втором порядке - толщине 0,33 мкм. Этот простой, не требующий оборудования метод позволяет измерить толщину окисла с погрешностью (5 - 10) %. Диапазон измеряемых этим методом толщин составляет 0,05 - 1,5 мкм.
Для более толстых слоев диэлектриков часто используют метод определения толщины при помощи микроинтерферометра МИИ-4, который дает возможность измерять толщину пленок до 20 мкм с погрешностью ±30 нм.
Сущность метода заключается в измерении высоты "ступеньки" после стравливания пленки диэлектрика с части пластины. При наблюдении ступеньки с помощью микроинтерферометра на фоне поверхности видны серии интерференционных полос, которые претерпевают излом на ступеньке (рис.2.10).
Рис.2.10. Определение толщины пленок при помощи микроинтерферометра
Толщина пленки пропорцией нальна сдвигу интерференционных полос:
X = (∆h / h) λ/2,
где ∆h - сдвиг полосы, отн. ед.; h - расстояние между соседними интерференционными полосами, мкм; X - длина волны для видимого света, λ /2 = 0,27 мкм.
Для определения толщины тонких диэлектрических пленок (х < 50 нм) или измерения толщин с большей точностью используется эллипсометрический метод. Он основан на отражении линейно-поляризованного луча (обычно поляризованного под углом 45° к плоскости падения) от поверхности кремния, покрытой пленкой диэлектрика. Компонента, перпендикулярная плоскости падения, отражается иначе, чем компонента, лежащая в плоскости падения. В результате образуется эллиптически поляризованная отраженная волна. Измерив эллиптичность отраженной волны, можно определить свойства пленки, вызвавшей соответствующие изменения поляризации волны.
Контроль дефектности пленок
Под дефектностью диэлектрических слоев обычно понимают плотность сквозных микродефектов (пор) и слабых мест (скрытых дефектов). Основные причины их возникновения: структурные нарушения подложки, загрязнения поверхности полупроводника, механические напряжения на границе раздела полупроводник - диэлектрик и т.д. Дефектность диэлектрических слоев - одна из важнейших причин снижения выхода годных микросхем.
Метод электролиза воды
При пропускании постоянного электрического тока через химически чистую воду происходит разложение воды на ионы водорода (Н+) и гидроксильные ионы (ОН-). Ионы водорода перемещаются к катоду, где отдают свой заряд, превращаясь в атомы водорода, соединяющиеся в молекулы. Ионы гидроксила отдают свой заряд на аноде и, соединяясь друг с другом, образуют воду и кислород.
Если на поверхность диэлектрической пленки нанести каплю воды, поместить в нее положительный платиновый, электрод, а на подложку (кремний) подать отрицательный потенциал, то дефекты сплошности пленки можно регистрировать по пузырькам водорода, выделяющимся на поверхности дефекта. О плотности дефектов судят по результатам микроскопического исследования или по величине тока в цепи электрод-электролит-подложка при постоянном напряжении.
Метод является неразрушающим. Основной его недостаток заключается в том, что документирование результатов исследований затруднено: при длительных измерениях количество пузырьков водорода становится так велико, что их невозможно подсчитать.