2014-02-09
864
Метод электролиза воды
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.
При пропускании постоянного электрического тока через химически чистую воду происходит разложение воды на ионы водорода (H+) и гидроксильные ионы (OH–). 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.
Пластина кремния накрывается поверх диэлектрической пленки смоченной в воде фотобумагой, на которую помещают металлический электрод с положительным потенциалом относительно кремниевой пластины. На фотобумаге в местах ее соприкосновения с отверстием в окисле идет реакция восстановления водородом бромистого серебра до металла ("засветка" фотослоя), что проявляется в виде увеличенных черных точек, соответствующих расположению пор в окисле. (Работа проводится при красном освещении.)
Для ускорения процесса и получения более качественных изображений фотобумагу смачивают не водой, а перенасыщенным раствором гидрохинона, что позволяет исключить последующую операцию проявления фотоотпечатка.
Этот метод также является неразрушающим, отличается простотой и документальностью, применяется для оперативного контроля в производственных условиях и позволяет выявлять дефекты размером 0,1 - 0,3 мкм.
2.3. Контроль заряда на границе раздела
полупроводник - диэлектрик
Структурно поверхность полупроводника состоит из атомов с частично оборванными связями. Эти связи ненасыщенные, что эквивалентно энергетическим состояниям, уровни которых лежат внутри запрещенной зоны и являются акцепторными независимо от типа электропроводности объема монокристалла. Наряду с акцепторными в полупроводнике могут образовываться дополнительные поверхностные состояния в результате адсорбции атомов чужеродных жидких или газообразных веществ. В зависимости от свойств адсорбированных атомов возникающие в запрещенной зоне энергетические уровни могут быть как донорными, так и акцепторными.
Поверхность кремния после любой очистки или непродолжительного соприкосновения с воздухом покрывается пленкой окисла, которая усложняет картину энергетических уровней. Возникают уровни, зависящие от структуры окисного слоя и характера окружающей газовой среды. Все эти уровни получили название поверхностных состояний полупроводника. Плотность поверхностных состояний имеет величину
1012 - 1013 см–2, а при использовании оптимальных режимов термического окисления ее удается снизить до величины приблизительно 1010 см–2. При термическом окислении кремния наблюдается появление положительных зарядов на границе раздела Si - SiO2 и в объеме диэлектрика.
На основании экспериментальных данных принята следующая классификация состояний и зарядов на границе раздела Si - SiO2.
1. Поверхностные состояния определяются как энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника, способные обмениваться зарядом с объемом полупроводника в течение короткого времени. Их плотность Nss измеряется количеством состояний на квадратный сантиметр на единичном энергетическом интервале (см–2эВ–1).
Причинами возникновения поверхностных состояний в присутствии диэлектрика, как и на неокисленной поверхности полупроводника, могут быть: свободные связи поверхностных атомов и другие дефекты поверхности полупроводника; примесные атомы, адсорбированные поверхностью в процессе окисления и последующих обработок образца.
Плотность поверхностных состояний Nss зависит от кристаллографической ориентации полупроводника, состава атмосферы. (При окислении во влажном кислороде концентрации Nss невелики - до 1010 см–2, тогда как при окислении в сухом кислороде они могут достигать 1012 см–2.)
2. Неподвижный (фиксированный) заряд в окисле Qso локализуется вблизи поверхности полупроводника (около 20 нм) и не способен перемещаться под действием приложенного нормально поверхности полупроводника электрического поля, измеряется в кулонах на квадратный сантиметр (Кл/см2).
Физическая природа неподвижного заряда в окисле Qso объясняется наличием избыточных ионов кремния в SiO2 и является собственным свойством поверхности раздела Si - SiO2, т.е. не связан с посторонними ионными загрязнениями. Этот заряд присутствует только в термически выращенном окисле кремния. Он локализован в области, простирающейся не более чем на 20 нм от поверхности кремния.
3. Подвижный (медленнорелаксирующий) заряд Qi (Кл/см2) изменяется при наличии значительного поперечного поля, совмещенного с термическими воздействиями в диапазоне умеренных температур
(примерно 100 - 300 °С).
Медленнорелаксирующий заряд Qi связан с различного рода
загрязнениями и дефектами диэлектрика. Считается, что он распределен по всей толщине диэлектрика, поэтому его иногда называют объемным зарядом в диэлектрике. Одной из основных причин возникновения этого заряда является присутствие в окисле примесей щелочных металлов, в особенности натрия. Действительно, натрий - широко рассеянная в окружающей среде примесь. Подвижность его положительных ионов в SiO2 при 100 °С и напряженности электрического поля около 5×105 В/см столь высока, что они за несколько минут способны пройти весь слой окисла. Другой причиной появления медленнорелаксирующего заряда в окисле являются протоны H+.
Величина медленнорелаксирующего заряда зависит от влияния примесей металлов, органических загрязнений в диэлектрике, а также от метода получения диэлектрического слоя. Суммарный заряд на границе раздела кремний - термический окисел равен:
Qs = Qso + Qss + Qi.
4. Заряд на ловушках в диэлектрике Q+ возникает под действием ионизирующего излучения или большого по величине электронного тока, протекающего через диэлектрик (Кл/см2).
На границе кремния с диэлектриком, нанесенным на его поверхность, могут присутствовать три последние вида зарядов.
Основным методом контроля поверхностного заряда в системе
полупроводник - диэлектрик является метод вольт-фарадных характеристик структуры металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-структур). Измерение вольт-фарадных характеристик до внешних воздействий на МДП-структуру и после них позволяет разделить различные виды зарядов в структуре и исследовать их стабильность.
Литература к лекциям 4-5.
1.М.А. Королев, Т.Ю. Крупкина, М.А. Ревелева. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. Часть 1. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2007. 397с.
Дополнительная литература
Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров.М.: Радио и связь, 1987.
2. Броудай И., Мерей Д. Физические основы микротехнологии. - М.: Мир, 1985.
4. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность: Учеб. пособие для прибостроит. спец. вузов / М.; Высш. шк., 1986 г.
5. Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропрорцессоров и микросборок: Учебник для вузов / М.: Радио и связь, 1989 г
