ТЕСТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА КОЛОДЦЕВ

Областью применения предлагаемой полезной модели является микроэлектроника, а именно устройство для оперативного контроля качества формообразования и травления колодцев в монокристаллических материалах и пленках различных диэлектриков и проводников, сформированных на монокристаллическом материале полупроводниковой электроники при производстве микросхем и полупроводниковых приборов.
Контроль качества формообразования и травления полупроводниковых колодцев материалах полупроводниковой электроники проводится посредством выполнения косого шлифа (см. книгу Р. Бургер, Р. Донован Основы технологии кремниевых интегральных микросхем. Окисление, диффузия эпитаксия. - М.: Мир, 1969. - 298-299 с.).
Метод косого шлифа является методом разрушающего контроля и используется в электронной технике, в частности, в микроэлектронике, при анализе дефектов кристаллов полупроводниковых приборов и микросхем, для определения глубин залегания р-n переходов, толщин эпитаксиальных структур, толщин окисла, а также глубин вытравленных в полупроводнике колодцев. При изготовлении косого шлифа поверхность шлифовки составляет малый угол с поверхностью полупроводникового кристалла, что приводит к «расширению» сечения полупроводникового кристалла. В таком случае глубины и толщины могут быть относительно легко измерены. «Расширение» сечения пропорционально тангенсу угла наклона поверхности шлифовки к поверхности полупроводникового кристалла. Угол формируется шлифовкой полупроводникового кристалла, предварительно размещенного на наклонной поверхности специально подготовленного держателя. Полупроводниковый кристалл на время шлифовки приклеивается к держателю при помощи воска. После окончания шлифовки держатель с полупроводниковым кристаллом нагревается, и полупроводниковый кристалл отделяется от держателя для дальнейшего анализа.
Если размеры исследуемого колодца небольшие, то «расширение» сечения объекта под малым углом выполнить невозможно, поэтому выбирают угол, под которым делают сечение вертикальным, например при контроле качества заполнения поликремнием колодцев кремниевых конденсаторов, состоящих из полупроводниковой пластины, сформированного на ней рельефа из вытравленных колодцев, поверхность которых покрыта слоем диэлектрика и заполненных поликремнием (например, «High-Density, Low-Loss MOS Capacitors for Integrated RF Decoupling» из журнала «The International Journal of Microcircuits and Electronic Packaging», том 24, номер 3, 2001 г., стр. 182-196).
Недостатком данного тестового элемента является сложность совмещения вертикального шлифа с колодцами, заполненными поликремнием, а также неинформативность полученного сечения, так как шлиф может попасть не по центру колодцев, а отсечь его сегмент вдали от центра, что не позволит проконтролировать заполнение колодца поликремнием по всей глубине.
Наиболее близким к предлагаемому тестовому элементу является тестовый элемент для контроля качества формообразования и травления колодцев в монокристаллических материалах, диэлектриках и проводниках, причем колодцы сформированы рядами на монокристаллической полупроводниковой пластине. Тестовые элементы выполнены в форме канавок, расположенных в двух взаимно перпендикулярных направлениях, причем ширину канавок А берут равной диаметру рабочего элемента, а длину канавок D выбирают из формулы 4H/tgα≥D≥2H/tgα, где Н - наибольшая глубина канавок; α - угол шлифования тестового элемента. (см., например, полезную модель RU 198664. Тестовый элемент для контроля качестве заполнения поликремнием колодцев кремниевых конденсаторов).
Недостатком этого тестового элемента является то, что на малых размерах элементов при изменении формы тестового элемента, а именно увеличения его длины, при одновременном формообразовании тестового элемента и рабочей структуры, их контролируемые параметры, форма будут отличаться из-за эффекта близости и отличий в подводе химических реагентов. Это является существенным при размерах контролируемых элементов меньше 1 мкм. Кроме того, изготовление косого шлифа трудоемко.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение качества и повышение оперативности контроля.
a
а
Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом тестовом элементе для контроля качества формообразования и травления колодцев в монокристаллических материалах, диэлектриках и проводниках, причем колодцы сформированы рядами на монокристаллической полупроводниковой пластине, отличающемся тем, что ряды расположены перпендикулярно направлению легкого разлома монокристалла, причем ряды образованы колодцами, равными по размеру и шагу минимальному топологическому размеру колодцев на микросхеме, и в каждом последующем ряду колодцы смещены от колодцев предыдущего ряда, а количество рядов колодцев равно большему целому числу, определяемому из соотношения А/n, где  - диаметр колодца, А - шаг расположения колодцев, n - точность попадания разлома на центр колодцев, равная отношению размера смещения рядов к размеру контролируемых колодцев.
Так как ряды перпендикулярны направлению легкого разлома монокристалла, изготовление шлифа не требуется, и вместо изготовления шлифа производят разлом образца с тестовым элементом, что существенно повышает оперативность контроля и уменьшает трудоемкость анализа.
a
а
Для обеспечения точного попадания сечения на центр колодцев в каждом последующем ряду колодцы смещены от колодцев предыдущего ряда, а количество рядов колодцев равно большему целому числу, определяемому из соотношения А/n, где  - диаметр колодца, А - шаг расположения колодцев, n - точность попадания разлома на центр колодцев, равная отношению размера смещения рядов колодцев к диаметру колодца (обычно значения которого выбираются из диапазона 0,02-0,2 (2-20%). При таком соотношении количества рядов и относительного сдвига колодцев в каждом ряду, при разломе всегда найдутся контролируемые элементы, у которых разлом проходит через их центр с необходимой точностью.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами.
На фиг. 1 изображена конструкция фотошаблона предлагаемого тестового элемента;
на фиг. 2 приведено объяснение фотографии фиг. 3;
на фиг. 3 приведена фотография в растровом электронном микроскопе (РЭМ) плоскости скола тестового элемента;
на фиг. 4 приведена процедура получения скола тестового элемента.
Обозначение позиций на фигурах:
1 - окно в фотошаблоне для позитивного фоторезиста для формирования колодца;
2 - ряд окон для формирования колодцев;
3 - шаг расположения окон;
4 - сдвиг окон между рядами;
5 - направление скола;
6 - диаметр колодца на поверхности фоторезиста;
7 - диаметр колодца на его дне у кремния;
8 - скол фосфорно-силикатного стекла (ФСС) по краю колодца;
9 - скол ФСС на расстоянии от центра колодца примерно 1/3 его радиуса;
10 - скол ФСС по центру колодца;
11 - монокристаллический кремний ориентации 100;
12 - фосфорно-силикатное стекло (ФСС);
13 - позитивный фоторезист;
14 - кремниевая пластина с тестовыми кристаллами;
15 - скальпель.
Предлагаемая тестовая структура нами была применена при отработке анизотропного травления колодцев в слое ФСС для силовых биполярных микросхем при формировании окон омических контактов. Диаметр окон на дне должен составлять 0,5 мкм, а стенки колодцев не должны отклоняться от вертикали наружу на угол более 10 градусов. На фиг. 1 приведена топология фотошаблона тестового элемента. Окна в фотошаблоне для позитивного фоторезиста 1 в виде квадратов имели размер 0,5×0,5 мкм с шагом размещения в ряду 1 мкм. Окна были размещены 10 рядами 2 длиной 1 мм, с шагом расположения отверстий 3-0,5 мкм. Сдвиг окон между рядами 4 был выбран 0,1 мкм. Точность попадания разлома через центр контролируемого элемента была выбрана равной 0,2 (20%).
Для иллюстрации полезной модели на фиг. 1 приведена топология расположения колодцев в окисле сформированном на монокристаллическом кремнии. Согласно топологической информации колодцы имеют форму квадрата.
Отработка анизотропного травления проводилась на тестовых образцах, которые представляют собой пластины монокристаллического кремния ориентации 100 11, диаметром 100 мм, толщиной 460 мкм, легированные бором до удельного сопротивления 12 Ом⋅см (100КДБ12). На пластинах методом осаждения из газовой фазы сформирован слой фосфорно-силиканого стекла 12 толщиной 1,0-1,1 мкм. Затем методом центрифугирования сформирован слой позитивного фоторезиста 13 марки SPR955CM толщиной 1,4-1,6 мкм. В позитивном фоторезисте на установке проекционной фотолитографии Canon 3000i4 были сформированы колодцы диаметром на поверхности фоторезиста 0,5-0,6 мкм 6, которые имеют округлую форму, что связано с особенностями процесса фотолитографии, когда форма элементов, имеющих предельный минимальный размер, искажается. Ряды колодцев 2 были ориентированы перпендикулярно проекции на рабочей стороне пластины направления 111 - направлению скола 5. Затем через отверстия в фоторезисте методом сухого реактивного ионного травления сформированы колодцы в ФСС до монокристаллического кремния ориентации 100 11. Для анализа был произведен вертикальный скол 5 в нескольких точках пластины для формирования компактных образцов пригодных к работе на сканирующем электронном микроскопе. Время подготовки образца (скалывание) занимает порядка 1-2 минут. Анализ образца на подготовленном к работе микроскопе занимает не более 5 минут.
На фиг. 2 представлено условное изображение вида сверху колодца, вытравленного в слое фосфорно-силиканого стекла 12 через маску позитивного фоторезиста 13. Диаметр колодца на его дне у кремния 7 меньше, чем диаметр колодца на поверхности фоторезиста 6, что связано с отклонением профиля стенок колодца от вертикали. Линия вертикального скола 5 на фигуре 2 отсекает в различных местах соседние колодцы (8, 9, 10). Для анализа необходимо выбирать только те колодцы, сечение которых происходит в центре 10, а их диаметр на дне колодца 7 был максимален, чтобы исключить искажения, возникающие на сколах ФСС на расстоянии от центра колодца примерно 1/3 его радиуса 9 и на сколах ФСС по краю колодца 8.
На фиг. 3 приведена фотография в РЭМ вертикального скола 5 с торца. Линия данного скола соответствует линии представленной на фигуре 2. На фигуре 4 представлено условное изображение формирования скола. Вертикальный скол формируется на кремниевых пластинах с тестовыми кристаллами 14 при помощи скальпеля 15. На край пластины производится нажим скальпелем, в результате чего происходит скол 5 по кристаллографическому направлению.