Способ и устройство для контроля полупроводниковой структуры

 

Использование: неразрушающие методы контроля полупроводниковых структур без формирования контактов. Сущность изобретения: выявляют контролируемые области в режиме потенциального контраста по контактным потенциалам. Облучают образец импульсным потоком оптического излучения. В режиме потенциального контраста с линеаризацией измеряют наведенную фотоЭДС, подбирают энергию и ток электронного зонда, интенсивность импульсов излучения, их длительность, частоту следования и уровень постоянной подсветки до выхода значений фотоЭДС в рабочую область. Регистрируют изображения. Осуществляют стробоскопию импульсов фотоЭДС, управляя анализатором энергии вторичных электронов, и производят измерения. Анализатор расположен наклонно относительно осей электронно-зондового устройства и детектора вторичных электронов и содержит два конических электрода, образующих иммерсионный объектив, и управляющий электрод - диафрагму. Техническим результатом изобретения является повышение точности и быстродействия контроля при одновременном увеличении числа определяемых параметров. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к области бесконтактных измерений характеристик полупроводниковых структур, и может быть использовано для определения электрофизических параметров полупроводниковых структур, а также контроля топологии полупроводниковых структур на ранних этапах их изготовления.

Известен способ определения электрических свойств полупроводников (US, патент 4902967), включающий облучение объекта электронным зондом и модулированным световым потоком с последующей регистрацией наведенной фотоЭДС на объекте. Недостатком данного способа следует признать низкую точность, вызванную неизвестным вкладом катодо-ЭДС в регистрируемый сигнал. Кроме того, измерение временных зависимостей фотоЭДС проводят при регистрации сигнала с выхода детектора вторичных электронов, имеющего ограниченный частотный диапазон.

Известен также способ определения электрофизических параметров полупроводников (SU, авторское свидетельство 1578770), включающий облучение объекта электронным зондом, измерение вторично-эмиссионного сигнала в режиме потенциального контраста, дополнительное освещение объекта равномерным по сечению потоком импульсного оптического излучения с энергией кванта, превышающей ширину запрещенной зоны материала объекта, измерение наведенной фотоЭДС и относительного значения обратных токов p-n-переходов, причем частоту и интенсивность следования импульсов устанавливают по выходу измеряемого сигнала в рабочую область. Для реализации способа предложено использовать устройство, содержащее зондовое устройство с отклоняющей системой, анализатор энергии вторичных электронов, расположенный наклонно относительно оси зондового устройства и включающий двухэлектродный иммерсионный объектив с коническими электродами и управляющий электрод, детектор вторичных электронов, источник оптического излучения, направленный на объект исследования и подключенный к генератору импульсов, видеоконтрольное устройство, соединенное к отклоняющей системой и выполненное с возможностью подключения к детектору вторичных электронов, усилитель, выполненный с возможностью подключения его выхода к управляющему электроду, синхронный детектор, выход которого подключен к видеоконтрольному устройству, измерительный вход - к управляющему электроду, а опорный вход - к генератору импульсов. Недостатком известного технического решения следует признать недостаточную точность измерения, вызванную неопределенностью вклада электронного зонда в фотоЭДС, относительно узкую область применения, а также недостаточную чувствительность.

Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в повышении информативности и точности способа определения электрофизических параметров.

Технический результат, получаемый при реализации способа, состоит в повышении точности и быстродействии способа при одновременном увеличении числа определяемых параметров.

Для получения указанного технического результата облучают поверхность полупроводникового объекта электронным зондом, регистрируют изображение его поверхности в режиме потенциального контраста с использованием анализатора энергии вторичных электронов, изменяют потенциал управляющего электрода анализатора и регистрируют изменение потенциального контраста отдельных областей объекта, выявляют области, подлежащие контролю, на основании величин изменения потенциального контраста, перемещают выявленные области в зону обработки электронно-зондового устройства при требуемом увеличении, дополнительно облучают поверхность объекта равномерным по сечению потоком оптического излучения с энергией кванта, превышающей ширину запрещенной зоны материала полупроводникового объекта при импульсной модуляции оптического излучения, измеряют наведенную фотоЭДС в режиме потенциального контраста, причем изменяют энергию и/или ток электронов зонда, и/или интенсивность оптического излучения в импульсе, и/или интенсивность оптического излучения в паузе между импульсами, и/или длительность, и/или частоту следования импульсов таким образом, чтобы зависимость измеряемой фотоЭДС при перечисленных параметрах электронного зонда и оптического излучения от параметров электронного зонда была слабой, а воздействие зонда на наведенную фотоЭДС минимальным, регистрируют распределения значений фотоЭДС по поверхности объекта, с использованием которых и определяют искомые электрофизические параметры объекта.

Область максимальных значений зависимости фотоЭДС от энергии и тока электронов зонда используют для контроля топологи планарных микрообластей.

Монотонный участок зависимости фотоЭДС от энергии и тока электронов зонда используют для контроля топологии слоистых структур, в частности, легированных областей в изолированных карманах и/или структур, закрытых изолирующим или пассивирующим слоем.

Квазилинейную область зависимости фотоЭДС от интенсивности оптического излучения и область максимальных значений зависимости фотоЭДС от энергии и тока электронов зонда используют для контроля неоднородностей электрофизических параметров структур, в частности, неоднородностей обратных токов или точек утечки p-n-переходов.

Окрестность граничной частоты зависимости фотоЭДС от частоты следования импульсов используют для измерения времени жизни неосновных носителей зарядов, при этом ограничивают область воздействия электронного зонда легированной областью объекта, а при регистрации зависимости фотоЭДС от частоты следования импульсов обеспечивают интенсивность оптического излучения в паузе между импульсами, энергию и ток электронов зонда такими, чтобы достичь насыщения граничной частоты, причем время жизни неосновных носителей заряда определяют с учетом кинетики фотоЭДС p-n-перехода, регистрируемой методом стробоскопии при подаче строб-импульсов на управляющий электрод анализатора.

Для реализации способа используют устройство, содержащее электронно-зондовое устройство с отклоняющей системой, анализатор энергии вторичных электронов порогового типа, расположенный наклонно относительно оси электронно-зондового устройства и включающий двухэлектродный иммерсионный объектив с коническими электродами и управляющий электрод, детектор вторичных электронов, источник оптического излучения, управляемый током, направленный на объект и соединенный с генератором импульсов, видеоконтрольное устройство, соединенное с отклоняющей системой и выполненное с возможностью подключения к детектору вторичных электронов, усилитель, выход которого подключен к управляемому электроду, синхронный детектор, выход которого подключен к видеоконтрольному устройству, измерительный вход - к управляющему электроду, а опорный вход - к генератору импульсов, причем дополнительно введенный управляемый источник напряжения постоянного тока подключен к суммирующему входу усилителя для управления анализатором энергии вторичных электронов, видеоконтрольное устройство подключено к генератору импульсов и выполнено с возможностью подключения к управляющему электроду анализатора энергии вторичных электронов и к опорному входу синхронного детектора, анализатор энергии вторичных электронов установлен наклонно относительно детектора электронов, иммерсионный объектив выполнен бездиафрагменным, а в качестве управляющего электрода использована диафрагма, установленная за ускоряющим электродом анализатора энергии вторичных электронов относительно входа анализатора.

Изобретение иллюстрировано графическим материалом, где на фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего способ, а на фиг. 2 приведены диаграммы импульсов, используемые при измерении времени жизни неосновных носителей заряда.

Устройство, реализующее способ, содержит (фиг. 1) электронно-зондовое устройство 1 с вакуумной камерой для объектов, управляемый источник 2 высокого напряжения, управляемый источник 3 тока, отклоняющую систему 4, столик 5 для объекта, источник 6 оптического излучения, анализатор энергии вторичных электронов 7 порогового типа, ускоряющий электрод 8, диафрагменный управляющий электрод 9, детектор 10 вторичных электронов, усилитель 11 напряжения, управляемый источник 12 напряжения постоянного тока, генератор 13 импульсов, синхронный детектор 14, компьютер 15 с монитором и интерфейсом, используемый в качестве видеоконтрольного устройства, цилиндр Фарадея 16, измеритель 17 тока, задающий генератор 18, генератор 19 строб-импульсов, делитель 20 частоты, логический элемент 21. На фиг.2 приведены следующие диаграммы импульсов: с выхода задающего генератора 18 - диаграмма 22, с выхода делителя частоты 20 - диаграмма 23, с выхода генератора 13 - диаграмма 24, фотоЭДС объекта исследования - диаграмма 25, форма строб-импульсов с выхода генератора 19 - диаграмма 26.

Ниже приведена конструкция устройства со ссылками на графический материал. Анализатор энергии вторичных электронов 7 установлен в камере объектов электронно-зондового устройства 1 наклонно относительно осей устройства 1 и детектора 10 вторичных электронов. Компьютер 15 соединен с отклоняющей системой 4, детектором 10 вторичных электронов и, кроме того, он может быть подключен к выходу синхронного детектора 14. Измерительный вход синхронного детектора 14 соединен с выходом усилителя 11 и может быть подключен к выходу детектора 10 вторичных электронов. Опорный вход синхронного детектора 14 соединен с генератором импульсов 13 и может быть подключен к делителю частоты 20. Вход усилителя 11 может быть подключен к детектору 10 вторичных электронов. Управляемый источник 12 напряжения постоянного тока соединен с суммирующим входом усилителя 11. Управляющий диафрагменный электрод 9 соединен с выходом усилителя 11 и может быть соединен с генератором 19 строб-импульсов. Генератор импульсов 13 соединен с источником 6 оптического излучения и может быть соединен со столиком 5. Задающий генератор 18 соединен с входом внешнего запуска генератора 19 строб-импульсов и входом делителя частоты 20. Входы логического элемента 21 соединены с задающим генератором 18 и выходом делителя частоты 20. Выход логического элемента 21 соединен с входом внешнего запуска генератора импульсов 13. Цилиндр Фарадея 16 установлен на столике 5 для измерения тока электронного зонда. Измеритель тока 17 соединен со столиком 5 с возможностью отключения.

Устройство работает следующим образом. Объект исследования устанавливают на столике 5, включают электронно-зондовое устройство 1, детектор 10 вторичных электронов, управляемый источник 2 высокого напряжения, управляемый источник 12 напряжения постоянного тока, управляемый источник 3 тока, компьютер 15, усилитель 11. Управляя источником 12, выявляют по вторично-эмиссионному изображению области объекта, подлежащие контролю. Включают генератор импульсов 13 и синхронный детектор 14, соединяют усилитель 11 с детектором 10 вторичных электронов. Подключают источник 6 оптического излучения и облучают поверхность объекта в импульсном режиме. Подключают синхронный детектор 14 к компьютеру 15 и регистрируют зависимости наведенной фотоЭДС от параметров электронного зонда и оптического излучения. При этом ток электронного зонда изменяют посредством источника тока 3 и измеряют посредством цилиндра Фарадея 16 и измерителя тока 17. Изменяют энергию электронов зонда посредством источника высокого напряжения 2. Параметры оптического излучения изменяют посредством генератора 13. После подбора оптимальных параметров в требуемой области зависимости фотоЭДС от соответствующего параметра электронного зонда или оптического излучения регистрируют зависимость посредством компьютера.

Для стробоскопического измерения импульсов фотоЭДС управляющий электрод 9 подключают к генератору 19 строб-импульсов, измерительный вход синхронного детектора 14 - к выходу детектора 10 вторичных электронов, вход опорного сигнала синхронного детектора 14 - к выходу делителя частоты 20. Выход детектора 10 вторичных электронов при этом отключен от усилителя 11, а компьютер 15 - от синхронного детектора. Включают генераторы 18 и 19, делитель частоты 20 и логический элемент 21, а генератор 13 переводят в режим внешнего запуска. Диаграммы соответствующих импульсов приведены на фиг. 2. Изменяя задержку строб-импульсов D относительно импульсов задающего генератора, изменяют кинетику фотоЭДС синхронным детектором 14. Делитель частоты 20 и логический элемент 21 модулируют импульсы фотоЭДС посредством формирования пакетов импульсов. Модуляция обеспечивает измерение малого сигнала фотоЭДС на фоне постоянной составляющей сигнала детектора 10 вторичных электронов. Калибровку устройства производят при подключении генератора 17 к столику 5 при отключении оптического излучателя 6 и измерителя тока 17.

Изобретение иллюстрировано следующим примером реализации.

В качестве объекта исследования использовали тестовые структуры кремниевого матричного кристалла, сформированные имплантацией бора и фосфора с последующим отжигом. Объект устанавливают на столик 5 и облучают электронным пучком. Регистрируют изображение поверхности объекта в режиме потенциального контраста. Выявляют активные области по их контактным потенциалам, наблюдая изменение их контраста при изменении потенциала управляющего электрода 9 источником напряжения 12. На объект дополнительно воздействуют оптическим излучением посредством источника 6, подключенного к генератору 13. Подключают детектор 10 вторичных электронов к усилителю 11, обеспечивая режим линеаризации. Подбирают коэффициент усиления для усилителя 11 и рабочий потенциал электрода 9 для выхода измеряемого синхронным детектором 14 переменного потенциала управляющего электрода 9 в насыщение. Проверяют режим линеаризации по постоянству выходного сигнала детектора 10 вторичных электронов, периодически подключая его к синхронному детектору 14. Подключают выход синхронного детектора 14 к компьютеру 15, сигнальный вход синхронного детектора 14 к выходу усилителя 11 и проводят измерение зависимости фотоЭДС по видеосигналам при сканировании электронного зонда по линии, пересекающей контролируемые предварительно выявленные области объекта. Изменяют энергию и ток электронов зонда посредством источников 2 и 3 и параметры оптического облучения посредством генератора 13 до выхода зависимостей измеряемой наведенной фотоЭДС от перечисленных параметров в область рабочих измерений.

Измерение зависимостей фотоЭДС проводили в диапазонах токов электронного зонда 0,02 - 10 нА при энергии электронов 1-30 кэВ. Область значений зависимостей фотоЭДС находилась в диапазоне 5 - 200 мВ. Интенсивность оптического излучения с энергией кванта 1,3 эВ достигала 2,5 мВт/см². Оптическое излучение модулировали на частоте 1,9 кГц. Типичная зависимость фотоЭДС легированной микрообласти объекта исследования от энергии и тока электронного зонда как функция двух переменных имеет область максимальных значений при малых значениях тока и энергии и монотонно спадает всюду за пределами этой области. Поэтому область максимальных значений использовали для контроля топологии объектов.

Для контроля топологии легированных микрообластей, сформированных в изолирующих легированных карманах, использовали область монотонного спада указанной зависимости фотоЭДС.

Для контроля электрофизических свойств структуры в качестве рабочей области использовали квазилинейную область зависимости фотоЭДС от интенсивности оптического излучения и область максимальных значений зависимости фотоЭДС от энергии и тока электронного зонда.

Для измерения времени жизни неосновных носителей заряда использовали частотную характеристику фотоЭДС в области граничной частоты, при этом обеспечивали интенсивность постоянной подсветки, энергию и ток электронного зонда достаточными для достижения насыщения граничной частоты.

Формула изобретения

1. Способ контроля полупроводниковой структуры, включающий воздействие на поверхность объекта электронным зондом, выявление областей, проявляющих контактную разность потенциалов при измерении потенциала управляющего электрода анализатора энергии вторичных электронов, облучение выявленных областей объекта равномерным потоком импульсного оптического излучения с энергией кванта, превышающей ширину запрещенной зоны материала объекта, измерение наведенной фотоЭДС в режиме потенциального контраста с линеаризацией с последующим расчетом электрофизических параметров контролируемой структуры, отличающийся тем, что в ходе измерения наведенной фотоЭДС измеряют ток и энергию электронов зонда, интенсивность импульсов оптического излучения, частоту их следования, длительность и уровень постоянной подсветки так, чтобы влияние электронного зонда на наведенную фото ЭДС было минимально.

2. Устройство контроля полупроводниковой структуры, содержащее электронно-зондовое устройство с отклоняющей системой, анализатор энергии вторичных электронов порогового типа, расположенный наклонно относительно оси электронно-зондового устройства и включающий двухэлектродный иммерсионный объектив с коническими электродами и управляющий электрод, детектор вторичных электронов, источник оптического излучения, направленный на предметный столик для размещения объекта исследования и соединенный с генератором импульсов, компьютер с монитором и интерфейсом, соединенный с отклоняющей системой и выполненный с возможностью подключения к детектору вторичных электронов, усилитель, выполненный с возможностью подключения его выхода к управляющему электроду, синхронный детектор, выход которого выполнен с возможностью подключения к компьютеру, измерительный вход подключен к управляющему электроду, а опорный вход - к генератору импульсов, отличающееся тем, что дополнительно введенный источник напряжения постоянного тока подключен к суммирующему входу усилителя, компьютер подключен к управляющему электроду анализатора и к опорному входу синхронного детектора, анализатор установлен наклонно относительно детектора вторичных электронов, иммерсионный объектив анализатора выполнен бездиафрагменным, а управляющий электрод - в виде диафрагмы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2