СИСТЕМА И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТНОГО МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ
SYSTEM AND METHOD OF DETECTING LOCAL MECHANICAL STRESS IN INTEGRATED DEVICES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе и способу обнаружения местного механического напряжения в интегральных устройствах.
Уровень техники
Измерения напряжений в современном поточном производстве осуществляется только на уровне контроля пластин. О напряженном состоянии в активных областях конструируемых приборов судят на основании электрических данных. Ясно, что напряжение является одним из основных факторов конструирования и изготовления современных устройств на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС). В технологиях изготовления кремниевых ИС с глубоко субмикронными размерами механическое напряжение способно резко изменять подвижность носителей (например, приблизительно на 25% в зависимости от геометрии устройства), а также сказываться на эффективности устройства.
Раскрытие изобретения
Для преодоления недостатков известного уровня техники и обеспечения дополнительных преимуществ в изобретении предложен способ обнаружения механического напряжения в интегральных устройствах, в котором: обнаруживают разность фотонапряжений между сканирующим зондом и участком поверхности интегрального устройства, при этом сканирующий зонд способен отклоняться под влиянием разности фотонапряжений; измеряют отклонение сканирующего зонда под влиянием разности фотонапряжений между сканирующим зондом и участком поверхности интегрального устройства; и вычисляют уровень местного напряжения внутри интегрального устройства путем определения местной работы выхода на участке поверхности интегрального устройства, исходя из отклонения сканирующего зонда.
Для преодоления недостатков известного уровня техники и обеспечения дальнейших дополнительных преимуществ в изобретении также предложен способ обнаружения механического напряжения в интегральных устройствах, в котором: облучают участок поверхности интегрального устройства первым лазерным сигналом и вторым лазерным сигналом, чтобы обнаружить разность фотонапряжений между сканирующим зондом и участком поверхности интегрального устройства, при этом сканирующий зонд подвешен над интегральным устройством; измеряют отклонение сканирующего зонда под влиянием разности фотонапряжений; и вычисляют уровень местного напряжения внутри интегрального устройства на участке поверхности путем определения местной работы выхода на участке поверхности интегрального устройства, исходя из отклонения сканирующего зонда.
Для преодоления недостатков известного уровня техники и обеспечения еще больших дополнительных преимуществ в изобретении также предложено устройство для обнаружения механического напряжения в интегральных устройствах, содержащее: интегральное устройство, имеющее участок поверхности с местной работой выхода; сканирующий зонд, подвешенный над интегральным устройством; оптический контроллер, способный обнаруживать разность фотонапряжений между интегральным устройством и сканирующим зондом, при этом сканирующий зонд способен перемещаться под влиянием разности фотонапряжений; детектор сканирующего зонда, способный измерять перемещения сканирующего зонда под влиянием разности фотонапряжений; и блок обработки, способный обмениваться сигналами с указанным детектором, при этом блок обработки способен вычислять уровень местного напряжения внутри интегрального устройства путем определения местной работы выхода на участке поверхности интегрального устройства, исходя из отклонения сканирующего зонда.
Дополнительные признаки и преимущества реализованы методами, предложенными в настоящем изобретении. В изобретении подробно описаны другие варианты осуществления и особенности, которые считаются входящими в заявленное изобретение. Для обеспечения лучшего понимания изобретения, его преимуществ и признаков далее приведено его описание со ссылкой на чертежи.
Техническим результатом кратко описанного выше изобретения является решение задачи обнаружения и измерения местного механического напряжения в интегральных устройствах.
Краткое описание чертежей
Рассматриваемый в качестве изобретения объект конкретно указан и ясно охарактеризован в формуле изобретения, следующей за описанием. Названные выше и другие задачи, признаки и преимущества изобретения вытекают из следующего далее подробного описания, рассматриваемого в сочетании с сопровождающими его чертежами, на которых:
на фиг.1 проиллюстрирована блок-схема системы сканирующей кельвиновской микроскопии фотонапряжения согласно одному из примеров осуществления,
на фиг.2 - перспективный вид сверху первого источника светового излучения и второго источника светового излучения, расположенных под углом 63 градуса друг к другу и под соответствующим углом падения к показанному на фиг.1 образцу согласно одному из примеров осуществления, и
на фиг.3 - схема потоков данных системы сканирующей кельвиновской микроскопии фотонапряжения, в которой реализован способ обнаружения местного механического напряжения в интегральных устройствах.
В подробном описании в порядке примера со ссылкой на чертежи пояснены предпочтительные варианты осуществления изобретения, а также его преимущества и признаки.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение, его различные признаки и выгодные подробности более полно описаны со ссылкой на не ограничивающие варианты осуществления, которые проиллюстрированы на сопровождающих чертежах и подробно рассмотрены в следующем далее описании. Следует отметить, что проиллюстрированные на чертежах признаки не обязательно представлены в масштабе. Описание хорошо известных или обычных компонентов и методов обработки опущены, чтобы излишне не перегружать настоящее изобретение подробностями. Приведенные в описании примеры имеют целью лишь облегчить понимание способов, которыми может практически осуществляться изобретение, и дополнительно способствовать практическому осуществлению изобретения специалистами в данной области техники. Соответственно, примеры не следует рассматривать в качестве ограничения объема изобретения.
Авторами настоящего изобретения установлено, что путем обнаружения разностного поверхностного фотонапряжения между интегральным устройством (например, запоминающим устройством) и сканирующим зондом можно определить характеристики местного механического напряжения в масштабе приблизительно 100 нанометров (нм) (или менее), что выгодно облегчает конструирование, изготовление и анализ неисправностей существующих сверхбольших интегральных схем (СБИС). Авторами настоящего изобретения дополнительно установлено, что когерентное излучение, падающее на кремний (обычный материал для изготовления интегральных устройств), помогает обнаруживать изменение местной запрещенной зоны и тем самым местной работы выхода (или в более общем смысле, изменение его поверхностного фотонапряжения (ПФН)), что позволяет выгодно измерять изменение местной работы выхода и тем самым осуществлять обратную свертку уровня местного напряжения в кремниевом устройстве. Определение характеристик напряжения в структурах реальных устройств позволяет оптимизировать конструирование с возможностью варьирования размеров устройств и осуществлять диагностику отказавших устройств, что станет более ясным из следующего далее описания.
Чтобы лучше понять изобретение и его работу обратимся к чертежам, в частности, рассмотрим на фиг.1, на которой показана блок-схема, иллюстрирующая основные элементы одного из примеров осуществления настоящего изобретения. Более точно, на фиг.1 показана система 10 сканирующей кельвиновской микроскопии фотонапряжения (SKPVM, от английского - scanning kelvin photovoltage microscopy) согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения. В систему 10 входит комплект 12 детектора с зондом, обычно подвешенный над сканирующим зондом 14, платформой 16 и фактически над образцом 18 полупроводникового материала (например, кремния), который размещен поверх платформы 16. В систему 10 дополнительно входит оптический контроллер 20, расположенный вблизи образца 18 таким образом, что он не создает механические помехи сканирующему зонду 14. В систему 10 дополнительно входит центральный процессор (ЦП) 22, электрически связанный с комплектом 12 детектора с зондом, контроллер 24 сканирующего зонда и источник 26 питания.
В одном из вариантов осуществления образцом 18 является полупроводниковый прибор любого обычного типа. В одном из вариантов осуществления образец 18 обычно образован множеством приборов и(или) электронных схем, выполненных на пластине из полупроводникового материала, такого как, например, кремний, а также различных полупроводниковых соединений, и изготовленных различными хорошо известными методами фотографической и(или) химической обработки. Предусмотрено, что в примерах осуществления настоящего изобретения могут применяться другие обычные методы обработки и изготовления образца и материалы для его изготовления. Образец 18 имеет работу выхода в различных точках, которая помимо напряженного состояния в этих точках образца 18 зависит от материала образца 18. Эти напряжения могут возникать в образце, например, в процессе изготовления или из-за его повреждения при использовании. В любом случае на некоторых участках образца 18 может существовать изменяющаяся в пространственном отношении составляющая напряжения, что приводит к изменению работы выхода на этих участках, которая далее именуется местной работой выхода.
В одном из вариантов осуществления образец 18 опирается на платформу 16, которая способна перемещать образец 18 ниже сканирующего зонда 14 по оси x и (или) оси y. При этом сканирующий зонд 14 может сканировать верхнюю поверхность 30 образца 18 в направлении оси x и оси y, а его нижняя поверхность 32 примыкает к платформе 16, как это показано. В одном из примеров осуществления платформа 16 способна перемещаться по оси x и по одной линии на верхней поверхности 30 образца 18 для создания топографии поверхности одной линии и снова по той же одной линии на верхней поверхности 30 образца 18, что позволяет обнаруживать разность фотонапряжений между сканирующим зондом и интересующей областью образца 18 с помощью оптического контроллера 20. Разность фотонапряжений создается из-за различий в работе выхода между сканирующим зондом 14 и образцом 18.
В одном из вариантов осуществления оптический контроллер 20 обращен в сторону образца 30 и сканирующего зонда 14 и расположен вблизи них. В одном из примеров осуществления оптический контроллер 20 способен облучать образец 18 световым излучением. В одном из примеров осуществления оптический контроллер 20 имеет первый источник 40 светового излучения, второй источник 42 светового излучения и процессор (не показан) для управления первым источником 40 светового излучения и вторым источником 42 светового излучения. Первый источник 40 светового излучения и второй источник 42 светового излучения способны облучать образец первым световым сигналом, который обозначен стрелкой 44 на фиг.1, и вторым световым сигналом, который обозначен стрелкой 46 на фиг.1 соответственно. Первый световой сигнал 44 и второй световой сигнал 46 локально взаимодействуют соответственно с первым волновым вектором в образце и вторым волновым вектором в образце в зависимости от поляризации световых сигналов. В одном из не ограничивающих примеров осуществления первым источником 40 светового излучения является первый лазерный источник, способный облучать образец 18 первым лазерным сигналом, а вторым источником 42 светового излучения является второй лазерный источник, способный облучать образец 18 вторым лазерным сигналом. Разумеется, что в примерах осуществления настоящего изобретения могут использоваться другие источники светового излучения, которые не ограничены описанными конфигурациями.
1
1
3
3
В одном из примеров осуществления первый источник 40 светового излучения имеет первый угол θ падения на (относительно) участок поверхности образца 18. В одном из не ограничивающих примеров осуществления первый угол θ падения приблизительно равен углу Брюстера (например, приблизительно 10-20 градусов) к первому участку поверхности образца 18. При этом образец 18 способен поглощать наибольшее количество света от первого источника 40 светового излучения в случае использования света с поперечной магнитной поляризацией, за счет чего уменьшается нежелательное отражение и обеспечивается более высокая точность показаний. Как лучше показано на фиг.2, первый источник 40 светового излучения расположен под углом 63 градуса ко второму источнику 42 светового излучения. В одном из примеров осуществления в качестве угла θ может быть выбран, например, угол 90 градусов. В другом примере осуществления в качестве угла θ может быть выбран, например, угол 0 градусов.
2
2
1
2
В одном из примеров осуществления второй источник 42 светового излучения имеет второй угол θ падения на участок поверхности образца 18 таким образом, что второй источник 42 светового излучения и первый источник 40 светового излучения в любой заданный момент способны направлять свет в одну и ту же точку образца 18. В одном из не ограничивающих примеров осуществления второй угол θ падения приблизительно равен углу Брюстера (например, приблизительно 10-20 градусов) к образцу 18. Предусмотрено, что первый угол θ падения первого источника 40 светового излучения может отличаться от второго угла θ падения второго источника 42 светового излучения, при этом они необязательно ограничены описанной конфигурацией.
Первый источник 40 светового излучения и второй источник 42 светового излучения способны помогать обнаруживать разность фотонапряжений между сканирующим зондом 14 и образцом 18 вследствие напряжения. Точнее говоря, первый световой сигнал 44 и второй световой сигнал 46 соответственно первого источника 40 светового излучения и второго источника 42 светового излучения способны облучать образец 18, помогая обнаруживать изменение местной запрещенной зоны и тем самым местной работы выхода (что эквивалентно изменению поверхностного фотонапряжения) под действием местных пространственных составляющих напряжения, которые существуют в образце 18. Измерение изменения местной работы выхода служит фактическим показателем изменения уровня местного напряжения. В одном из примеров осуществления путем изменения состоянии поляризации света, угла падения и ориентации образца, которая может меняться в зависимости, например, от материала образца 18, могут быть измерены различные составляющие напряжения у образца 18.
В одном из примеров осуществления процессор оптического контроллера 20 способен осуществлять электронную модуляцию ("прерывание") первого светового сигнала 44 и второго светового сигнала 46 в регулируемом режиме. Этот метод усиливает чувствительность к фотонапряжению (и, следовательно, обнаружение напряжения). Например, используют прерывистые или пульсирующие первый световой сигнал 44 и второй световой сигнал 46 с целью регистрации данных фотонапряжения при включенном первом источнике 40 светового излучения и выключенном втором источнике 42 светового излучения, а затем регистрируют данные фотонапряжения при включенном втором источнике 42 светового излучения и выключенном первом источнике 40 светового излучения. С помощью этого способа чередующегося освещения в реальном времени получают разностное фотонапряжение. В одном из альтернативных примеров осуществления регистрируют данные фотонапряжения с использованием первого источника 40 светового излучения и сохраняют их, а затем регистрируют данные фотонапряжения с использованием второго источника 42 светового излучения и сохраняют их. После этого получают разностное фотонапряжение путем вычитания одних сохраненных данных фотонапряжения из других сохраненных данных фотонапряжения.
В одном из примеров осуществления сканирующий зонд 14 имеет гибкую консоль 52 с тонкой токопроводящей вершиной 56, подвешенную над образцом 18. Сканирующим зондом 14 может являться любой обычный сканирующий зонд, в основном используемый в сканирующей зондовой микроскопии. В одном из вариантов осуществления токопроводящая вершина 56 на конце гибкой консоли 52 имеет малый радиус кривизны (например, приблизительно менее 15 нм), что известно из уровня техники. Сканирующий зонд 14 имеет пьезоэлектрическое устройство 54 регулирования по оси z, способное механически позиционировать консоль 52 в направлении по оси z, то есть в вертикальном направлении по направлению к образцу 18 и от образца 18. Согласно одному из примеров осуществления пьезоэлектрическое устройство 54 регулирования по оси z дополнительно способно генерировать колебания вершины консоли приблизительно на частоте механического резонанса. В одном из вариантов осуществления пьезоэлектрическое устройство 54 регулирования по оси z воздействует на вершину консоли меняющимся во времени электрическим стимулом с частотой, равной или близкой к частоте механического резонанса консоли 52. Сканирующий зонд 14 способен реагировать на облучение образца 18 первым световым сигналом 44 и вторым световым сигналом 46. Точнее говоря, консоль 52 сканирующего зонда 14 отклоняется под влиянием разностного фотонапряжения, образующегося между вершиной 56 и образцом 18 при чередующейся модуляции световых сигналов. В одном из не ограничивающих примеров осуществления первый световой сигнал 44 и второй световой сигнал 46 имеют частоту излучения, близкую к частоте механического резонанса консоли 52 (например, 50 кГц), за счет чего усиливается чувствительность к разностному фотонапряжению и тем самым местное напряженное состояние в образце 18. Местные изменения запрещенной полосы связаны с изменением местной работы выхода образца 18 вследствие напряжения. Показатель изменения местной работы выхода зависит от положения сканирующего зонда 14. В образце 18 может быть измерено местное напряжение как таковое. Различные области верхней поверхности 30 образца 18 могут вызывать различные изменения местной работы выхода в зависимости от напряжения в такой местной области.
В одном из примеров осуществления комплект 12 детектора с зондом, подвешенный над сканирующим зондом 14 и фактически над образцом 18, рассчитан на определение топографии каждой линии поверхности образца 18 для фиксации топографического изображения образца 18. Топография каждой линии поверхности образца 18 характеризуется измеренной высотой образца 18 вдоль каждой линии поверхности. Высоту измеряют в ангстремах, нанометрах или иным способом. Топографию каждой линии поверхности образца 18 определяют путем перемещения образца по оси x и оси y через платформу 16 или, в качестве альтернативы, путем перемещения сканирующего зонда 14 по оси x и оси y относительно неподвижно установленного образца 18. В одном из примеров осуществления такую же операцию осуществляют, чтобы измерить изменение местной работы выхода вдоль линии поверхности образца 18 вследствие напряжения и тем самым описать местное напряжение вдоль каждой линии поверхности образца 18 в масштабе приблизительно 100 нанометров (нм) (или менее). Это делается путем облучения образца 18 первым световым сигналом 44 и вторым световым сигналом 46, как описано выше. Вместе с тем предусмотрено, что в других примерах осуществления может достигаться чувствительность в масштабе менее 100 нм.
В одном из вариантов осуществления ЦП 22 связан с комплектом 12 детектора с зондом, контроллером 24 сканирующего зонда и источником 26 питания. ЦП 22 может представлять собой любой обычный процессор, способный осуществлять описанные в изобретении способы и(или) функции. В одном из примеров осуществления ЦП 22 представляет собой сочетание аппаратного обеспечения и(или) программного/аппаратно-программного обеспечения и компьютерной программы, при загрузке и выполнении которой ЦП 22 способен действовать таким образом, чтобы осуществлять описанные в изобретении способы. В одном из примеров осуществления ЦП 22 способен определять топографическое изображение образца 18, получаемое комплектом 12 детектора с зондом. ЦП 22 дополнительно способен определять изменения местной работы выхода образца 18 путем приема результатов измерения фотонапряжения и разностного фотонапряжения комплектом 12 детектора с зондом. Из измеренного разностного фотонапряжения выводят уровень или состояние местного напряжения в образце 18 в масштабе 100 нанометров (нм) (или менее).
В одном из вариантов осуществления контроллер 24 сканирующего зонда способен обмениваться сигналами с ЦП 22 и управлять работой пьезоэлектрического устройства 54 регулирования по оси z, чтобы вершина 56 сканирующего зонда 14 не повреждала образец 18. В одном из вариантов осуществления контроллер 24 сканирующего зонда управляет пьезоэлектрическим устройством 54 регулирования по оси z, исходя из данных топографии сканированной линии поверхности образца 18. Иными словами, пьезоэлектрическое устройство 54 регулирования по оси z перемещает сканирующий зонд 14 в направлении по оси z, исходя из выступов/впадин и(или) углублений, которые могут находиться вдоль линии поверхности образца 18. Например, по мере того, как вершина 56 перемещается по линии поверхности образца 18 и достигает начала впадины или выпуклости, контроллер 24 сканирующего зонда передает пьезоэлектрическому устройству 54 регулирования по оси z сигнал скорректировать высоту сканирующего зонда 14, чтобы вершина 56 не повредила или не разрушила образец 18, за счет чего между сканирующей головой 14, комплектом 12 детектора с зондом, ЦП 22 и контроллером 24 сканирующего зонда формируется система обратной связи для определения топографии. Таким образом, поскольку сигнал фотонапряжения регистрируется при постоянной высоте сканирующего зонда над образцом, устраняется зависимость высоты от данных фотонапряжения.
В одном из примеров осуществления источник 26 питания поддерживает связь с ЦП и связан с образцом 18 и сканирующим зондом 14. Источник 26 питания способен генерировать напряжение смещения (например, кельвиновское напряжение) для активного обнуления разности фотонапряжений между образцом 18 и сканирующим зондом 14 по мере того, как сканирующий зонд 14 перемещается вдоль каждой линии поверхности образца 18, а комплект 12 детектора с зондом измеряет разности фотонапряжений, обнаруженные вдоль каждой линии поверхности образца 18. Тем самым между сканирующим зондом 14, комплектом 12 детектора с зондом, ЦП 22 и источником 26 питания формируется система обратной связи для определения разности фотонапряжений. Кроме того, это позволяет определять характеристики местного напряжение в различных точках вдоль каждой линии поверхности образца 18 и тем самым гарантировать определение измеряемой работы выхода при постоянной высоте, как упомянуто ранее.
В одном из примеров осуществления в процессе работы определяют топографию поверхности одной линии поверхности образца 18 до сбора данных фотонапряжения вдоль той же самой линии поверхности. Эту операцию осуществляют для каждой линии поверхности образца 18, в результате чего формируется топографическое изображение образца 18. В одном из вариантов осуществления, исходя из данных топографии, высоту сканирующего зонда 14 устанавливают на заданном расстоянии (например, 10 нм) от образца 18 до сбора данных фотонапряжения. Иными словами, с целью обнаружения разности фотонапряжений между сканирующим зондом 14 и образцом 18 с использованием первого источника 40 светового излучения и второго источника 42 светового излучения, между сканирующим зондом 14 и образцом 18 поддерживают заданное расстояние, исходя из данных топографии. Следовательно, в зазоре между сканирующим зондом 14 и образцом 18 можно обнаруживать разность фотонапряжений. Предусмотрено, что топографию поверхности каждой линии поверхности образца 18 определяют до сбора данных фотонапряжения.
Предусмотрено, что топография поверхности каждой линии поверхности образца 18 и, следовательно, топографическое изображение образца 18 в реальном времени отображается на дисплейном экране (не показан). Дополнительно предусмотрено, что на дисплейном экране отображаются данные фотонапряжения вместе с результатами измерения разности фотонапряжений между сканирующим зондом 14 и образцом 18.
1
2
На фиг.3 проиллюстрирован один из примеров способа обнаружения механического напряжения в интегральном устройстве согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения. Согласно этому способу на шаге 100 инициируют работу. Затем на шаге 102 осуществляют обнаружение разности фотонапряжений между сканирующим зондом и участком поверхности интегрального устройства, при этом сканирующий зонд способен отклоняться под действием разности фотонапряжений. В одном из примеров осуществления обнаружение разности фотонапряжений осуществляют с помощью первого источника светового излучения и второго источника светового излучения, при этом в одном из не ограничивающих примеров осуществления каждый источник наклонен под углом θ, θ, соответственно, к интегральному устройству, и оба источника расположены под углом 9з друг к другу. Затем на шаге 104 измеряют отклонение сканирующего зонда под влиянием разности фотонапряжений между сканирующим зондом и участком поверхности интегрального устройства.
Согласно одному из примеров осуществления с помощью комплекта детектора с зондом измеряют разность фотонапряжений. На шаге 106 вычисляют уровень местного напряжения внутри интегрального устройства путем определения местной работы выхода на участке поверхности интегрального устройства, исходя из отклонения сканирующего зонда. В одном из примеров осуществления операции на шагах 102-106 осуществляют на различных участках поверхности вдоль каждой линии поверхности интегрального устройства.
Представленные в описании блок-схемы служат лишь примерами. Возможно множество вариантов этих описанных в изобретении блок-схем или шагов (операций), не выходящих за пределы существа изобретения. Например, шаги могут осуществляться в отличающемся порядке, или шаги могут быть добавлены, исключены или модифицированы. Все эти варианты считаются входящими в заявленное изобретение.
Хотя в изобретении описан предпочтительный вариант осуществления, подразумевается, что специалисты в данной области техники могут как в настоящее время, так и в будущем предложить различные усовершенствования и улучшения, входящие в объем следующей далее формулы изобретения. Эту формулу изобретения следует считать обеспечивающей надлежащую охрану описанного выше изобретения.