Способ контроля механических напряжений в кремниевой структуре пленка sio2 - подложка si

Изобретение относится к электронной технике, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении кристаллов ИС и дискретных полупроводниковых приборов. Техническим результатом изобретения является расширение технических возможностей способа за счет обеспечения возможности контроля направления вектора механических напряжений. Сущность заявляемого способа контроля механических напряжений в структуре пленка - подложка заключается в формировании между пленкой и подложкой промежуточного слоя, который селективно вытравливается через окна в пленке круглой формы с образованием в зазоре пленка - подложка интерференционной картины, отражающей величину и направление вектора механических напряжений. 4 ил.

 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении кристаллов ИС и дискретных полупроводниковых приборов.

Остаточные механические напряжения в кремниевых структурах существенно влияют на процент выхода годных кристаллов и на надежность интегральных схем (ИС). Этим обусловлена необходимость постоянного совершенствования методов их расчета и контроля.

Известен способ контроля механических напряжений в структуре пленка-подложка, включающий определение радиуса ее кривизны на основе картины интерференции в зазоре структура - оптически плоская поверхность и расчет механических напряжений по формуле:

где σ - величина механических напряжений; Е - модуль Юнга материала подложки; d - толщина подложки; ρ - радиус кривизны; μ - коэффициент Пуассона материала подложки; h - толщина пленки [1].

Недостатком этого способа является невозможность контроля механических напряжений в локально выбранной области. Получаемые данные отражают некоторое среднее значение механических напряжений в целом по структуре. А в связи с тем, что их значение меняется от одного участка структуры к другому вплоть до изменения знака напряжений, использование данного метода для получения реальных значений мало целесообразно.

Наиболее близким к изобретению, его прототипом, является способ контроля величины локальных механических напряжений в структуре кремний - диоксид кремния Si-SiO2, включающий селективное травление кремния по краю оксидной пленки, определение относительного удлинения свободного края оксида с помощью сканирующего микроскопа и расчет напряжений в оксиде кремния по формуле:

где l - длина свободного края оксида; l0 - исходная длина оксидной пленки до ее отделения; Ef, μf - модуль Юнга и коэффициент Пуассона пленки [2].

Недостатком прототипа является сложность определения длины свободного края исследуемой пленки, что связано с необходимостью использования электронного микроскопа. В результате травления кремния на большую (несколько мкм и более) глубину для отделения полоски пленки от подложки на ширину 5-100 мкм зазор между ними характеризуется невоспроизводимыми размерами. Травленая поверхность является шероховатой и не позволяет получать качественную интерференционную картину в зазоре пленка - подложка, на основании которой можно было бы определить относительное удлинение с помощью оптического микроскопа.

При использовании прототипа для контроля реальных полупроводниковых структур форма вскрываемых окон соответствует сложной форме рабочих элементов. С одной стороны, это позволяет проводить контроль напряжений в реальных структурах. С другой стороны, результат контроля не всегда адекватно отражает реальные значения напряжений. Это связано с тем, что механические напряжения в структуре являются векторной величиной и характеризуются также и направлением действия. Кроме того, монокристаллические материалы, например, кремний, используемый в качестве подложки, обладает анизотропией механических свойств, которая также оказывает существенное влияние на направление вектора напряжений.

При изготовлении полупроводниковых приборов на одной подложке формируется одновременно большое количество одинаковых структур. Для облегчения разделения подложки на отдельные кристаллы их изготавливают в форме прямоугольников. Для рационального использования всей площади кристалла топологические элементы также ориентируют вдоль его сторон. Так, например, при изготовлении кремниевых полупроводниковых приборов на пластинах ориентации (100) стороны отдельных кристаллов ориентируют вдоль кристаллографических направлений типа <110>. Таким образом, стороны всех вскрываемых окон для контроля механических напряжений также оказываются ориентированными в этих же направлениях. Определение относительного удлинения пленки, как следует из описания прототипа, проводится вдоль границы вскрытого окна. Поэтому результаты контроля представляют собой набор значений напряжений в направлениях, соответствующих ориентации границ окна. В связи с тем, что механические напряжения являются векторной величиной, получаемое значение при использовании прототипа представляет собой проекцию действительных напряжений на край окна, т.е.:

где α - угол между направлением вектора действительных напряжений и направлением края вскрываемого окна. Поскольку cosα является неопределенной величиной, действительные значения напряжений в исследуемых структурах остаются неизвестными. Это затрудняет установление истинной причины их возникновения и разработку методов борьбы с ними.

Таким образом, прототип характеризуется относительно неширокими техническими возможностями вследствие отсутствия информации о направлении вектора механических напряжений.

Задачей настоящего изобретения является расширение технических возможностей способа за счет получения информации о направлении вектора напряжений.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля механических напряжений в кремниевой структуре пленка SiO2 - подложка Si, при котором формируют в одном цикле с наращиванием SiO2 между пленкой SiO2 и подложкой Si промежуточный слой SiO заданной толщины, вскрывают в пленке SiO2 окна, формируемые в виде круга, методом фотолитографии, отделяют полоски пленки SiO2 по краю окон на ширину 5-100 мкм путем селективного травления промежуточного слоя SiO, определяют относительное удлинение свободного края пленки SiO2 по интерференционной картине вокруг окна в зазоре пленка SiO2 - подложка Si в радиальном направлении и рассчитывают механические напряжения σ по формуле:

где l - длина свободного края пленки SiO2;

l0 - исходная длина пленки SiO2 до ее отделения;

Ef, μf - модуль Юнга и коэффициент Пуассона пленки SiO2 соответственно.

Сущность заявляемого технического решения заключается в создании условий для изгиба исследуемой пленки в зависимости от направлений действия механических напряжений и пропорционально их величине.

Формирование вскрываемых окон в виде круга позволяет проводить измерения относительного удлинения пленки в любом выбранном направлении. Форма вскрываемого окна ввиду отсутствия углов исключает возможность влияния его границ на получаемую интерференционную картину. Изгиб пленки в любом радиальном направлении зависит только от действительного значения механических напряжений, поскольку в этом случае всегда α=0 и cosα=1. Поэтому получаемые значения напряжений представляют собой не что иное, как искомый вектор, т.е.:

За центр системы координат в этом случае может быть принят центр круга, а начальную точку отсчета - край отделенной полоски пленки. В случае использования окна прямоугольной формы или квадрата максимальная плотность интерференционных линий вне зависимости от ориентации сторон сосредоточена в углах окна. В случае круглого окна в каждой его точке создаются равные условия формирования интерференционной картины, зависящие только от действительных значений напряжений в данном азимутальном направлении.

Выбор радиального направления для определения относительного удлинения отделенной от подложки пленки обусловлен тем, что только это удлинение пропорционально величине напряжений в выбранном азимутальном направлении. Определение удлинения другим способом, например, вдоль границы окна, даст значения напряжений, являющихся суммой проекций напряжений на эту границу, т.е. величину не вполне адекватную, т.к. в расчетной формуле опять появляется cosα.

Отделение полоски пленки шириной 5-100 мкм путем травления промежуточного слоя SiO обеспечивает формирование в образующемся зазоре между пленкой и подложкой качественной интерференционной картины, позволяющей проводить контроль в оптическом микроскопе. Толщина промежуточного слоя SiO задается условиями формирования и толщиной пленки SiO2.

Заявляемое техническое решение поясняется фиг.1-4. На фиг.1 представлена интерференционная картина вокруг квадратного окна размером 80×80 мкм в диоксиде кремния толщиной 0,8 мкм на кремнии ориентации (100) толщиной 460 мкм. На фиг.2 представлена интерференционная картина вокруг круглого окна диаметром 80 мкм в диоксиде кремния толщиной 0,8 мкм на кремнии ориентации (100) толщиной 460 мкм. На фиг.3 представлена интерференционная картина вокруг круглого окна диаметром 80 мкм в диоксиде кремния толщиной 0,8 мкм на кремнии ориентации (111) толщиной 460 мкм. На фиг.4 представлена полярная диаграмма полученных значений напряжений для окна, представленного на фиг.2.

Стороны окна, приведенного на фиг.1, ориентированы в направлении типа <110>. Максимальная плотность интерференционных линий наблюдается в углах окна. Это связано с тем, что в этих областях зазор пленки увеличивается за счет наложения изгиба вдоль соседних границ окна. На основании получаемой интерференционной картины можно предположить, что максимальные напряжения в данной структуре ориентированы под углом 45° к сторонам окна, т.е. в направлении <100>. Однако точно такая же интерференционная картина образуется и при ориентации сторон квадрата в направлении <100>. Таким образом, направление вектора напряжений по данной интерференционной картине установить невозможно.

На основании интерференционной картины, приведенной на фиг.2, можно утверждать, что максимальные напряжения в данной структуре имеют преимущественные направления <110>. В направлениях <100> эти напряжения минимальны. Такое распределение напряжений прекрасно согласуется с зависимостью модуля Юнга и коэффициента Пуассона для кремния этой ориентации [3].

Интерференционная картина вокруг такого же окна в пленке оксида кремния на кремнии (111) носит совершенно иной характер (см. фиг.3). Интерференционные линии расположены в этом случае концентрически, т.е. напряжения для этой структуры не зависят от азимутального направления на пластине. Это подтверждает их известную изотропность.

Таким образом, результаты контроля, полученные с помощью заявляемого способа, прекрасно согласуются с известными литературными данными.

С помощью заявляемого способа проведены исследования и определены величины и распределение остаточных напряжений в структурах Si-SiO2, применяемых в микроэлектронике. Структуры пленка-подложка были изготовлены стандартными методами химической обработки, фотолитографии, окисления и травления. В качестве подложек использовали полупроводниковые пластины кремния диаметром 100 мм ориентаций (100) и (111). Исследуемая пленка представляла собой термический диоксид кремния толщиной 0,8 мкм. В качестве промежуточного слоя использовали переходной слой монооксида кремния SiO, сформированный в одном технологическом цикле с процессом наращивания диоксида. Отделение края пленки от подложки проводили путем газового травления SiO хлористым водородом. Требуемую форму вскрываемых окон задавали с помощью фотошаблона. При контроле по способу-прототипу использовали рабочие фотошаблоны. Полученные интерференционные картины, представленные на фиг.1-3, свидетельствуют о явных преимуществах заявляемого способа по сравнению с прототипом. Интерференционная картина вокруг окна квадратной формы не зависит от ориентации его сторон на пластине и во всех случаях является одинаково симметричной. Полученная величина механических напряжений, равная 45 МПа, также не зависит ни от ориентации окна на пластине, ни от ориентации самой пластины. Интерференционная картина для структуры на пластине ориентации (100), полученная с помощью заявляемого способа, свидетельствуют о том, что механические напряжения в ней анизотропны и сильно зависят от кристаллографического направления. По направлениям типа <110> зазор между пленкой и подложкой, определяющий относительное удлинение и величину механических напряжений, достаточно велик, а по направлениям типа <100> - практически отсутствует, т.е. произошел изгиб края пленки с образованием своеобразной розетки. Величина зазора при представлении в полярных координатах изменяется от максимума к нулю и наоборот при повороте на ˜45°. Механические напряжения в структурах, полученных на пластинах ориентации (111), равны ˜10 МПа и являются изотропными, что также наглядно видно уже по характеру полученной интерференционной картины. Интерференционные максимумы имеют вид концентрических окружностей, и относительное удлинение пленки не зависит от кристаллографического направления.

Результаты контроля напряжений, полученных вокруг окна круглой формы в оксиде кремния на кремнии ориентации (100), представлены в таблице. Ширина отделенной пленки составила 20 мкм, диаметр окна 80 мкм. Значения Ef и μf приняты равными 75 ГПа и 0,17 соответственно [4]. Расчет относительного удлинения в выбранном азимутальном направлении проводили на основании полученной интерференционной картины по формуле:

где l1 - расстояние от точки отсчета до первой линии интерференции; i - номер линии; n - количество линий; (li-li-1) - расстояние между двумя линиями интерференции с номерами i и (i-1); λ - длина волны света, в котором наблюдалась интерференционная картина (для зеленого λ=0,54 мкм). Затем рассчитывали значения σ. По полученным значениям построена азимутальная зависимость напряжений в исследуемой структуре в плоскости пластины (фиг.4).

Таблица
№ п/пАзимутальное направление, град.Удлинение, мкмВеличина напряжений, МПаПримечание
100,016675Направление [011]
2150,012858
3300,004822
4450,00188Направление [010]
5600,003315
6750,009141
7900,014465Направление
81050,013963
91200,009342
101350,00188Направление
111500,002913
121650,009744
131800,014867Направление
141950,012858
152100,004621
162250,00188Направление
172400,003315
182550,008036
192700,012456Направление
202850,011753
213000,004018
223150,00188Направление [001]
233300,003216
243450,013762
Прототип45Направление вдоль границы окна

Из таблицы и фиг.4 видно, что механические напряжения в исследуемой структуре на подложке ориентации (100) не являются строго симметричными относительно кристаллографических направлений. Их значение в зависимости от кристаллографической ориентации меняется от 56-75 МПа для направления типа <011> до 8 МПа для направления типа <001>. Наблюдаемая асимметрия картины свидетельствует о том, что данные механические напряжения обусловлены не только анизотропией упругих свойств кремния, но и влиянием технологических факторов. Значит, существуют пути их снижения путем оптимизации режимов проведения технологических процессов изготовления структур. Это еще раз подтверждает преимущества заявляемого способа по сравнению с прототипом.

Таким образом, заявляемый способ контроля механических напряжений в структурах пленка - подложка по сравнению с прототипом обладает более широкими техническими возможностями, т.к. позволяет дополнительно проводить контроль направления вектора механических напряжений.

Источники информации

1. Романов А.С., Щеглова В.В. Механические напряжения в тонких пленках. // ОЭТ, серия 2, 1981, вып.8 (798).

2. Conru H.W. Measuring small area Si-SiO2 interface stress with SEM. J.Applied Physics. American Institute of Physics, 1976, v.47, N 5, p.2079-2081 (прототип).

3. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1982. - 240 с.

4. Сергеев B.C., Кузнецов О.А., Захаров Н.П., Летягин В.А. Напряжения и деформации в элементах микросхем. - М.: Радио и связь, 1987. - 88 с.

Способ контроля механических напряжений в структуре пленка SiO2 - подложка Si, при котором формируют в одном цикле с наращиванием SiO2 между пленкой SiO2 и подложкой Si промежуточный слой SiO заданной толщины, вскрывают в пленке SiO2 окна, формируемые в виде круга, методом фотолитографии, отделяют полоски пленки SiO2 по краю окон на ширину 5-100 мкм путем селективного травления промежуточного слоя SiO, определяют относительное удлинение свободного края пленки SiO2 по интерференционной картине вокруг окна в зазоре пленка SiO2 - подложка Si в радиальном направлении и рассчитывают механические напряжения σ по формуле:

где l - длина свободного края пленки SiO2, l0 - исходная длина пленки SiO2 до ее отделения, Ef, μf - модуль Юнга и коэффициент Пуассона пленки SiO2 соответственно.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полимерному материалу, обладающему оптически детектируемым откликом на изменение нагрузки (давления), включающему полиуретановый эластомер, адаптированный для детектирования изменения нагрузки, содержащий алифатический диизоцианат, полиол с концевым гидроксилом и фотохимическую систему, включающую флуоресцентные молекулы для зондирования расстояния, модифицированные с превращением в удлиняющие цепь диолы, в котором мольное соотношение диолов и полиолов находится в диапазоне от приблизительно 10:1 до около 1:2, а фотохимическая система выбрана из группы, состоящей из системы эксиплекса и резонансного переноса энергии флуоресценции (FRET).

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тактильным датчикам оптического типа. .

Изобретение относится к области измерительной техники, телеметрии и оптоэлектроники и может быть использовано для контроля деформаций крупных сооружений, в электротехнической промышленности при измерении температурных режимов трансформаторов, в геологической разведке при измерении распределения температуры вдоль скважин, в авиационной промышленности при контроле деформаций конструкций летательных аппаратов и т.д.

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к средствам измерения силы, вызывающей деформацию или перемещение чувствительного элемента, регистрируемые оптическими средствами.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при контроле эпюры радиальных давлений поршневых колец двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Изобретение относится к устройству и способу определения вектора силы и может быть использовано в тактильном датчике для руки робота

Изобретение относится к измерительной технике, а именно измерениям напряжений в полом изделии и толщины его стенки поляризационно-оптическим методом, и может быть использовано в широких областях техники, в том числе электронной

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, для измерения деформаций или напряжений в различных конструкциях посредством поляризационно-оптических преобразователей

Изобретение относится к области диагностики механических свойств конструкций из полимерных и металлополимерных композиционных материалов и может быть использовано для определения деформации конструкций

Изобретение относится к способам оперативного диагностирования деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) в эксплуатации и может быть использовано для выявления появляющихся дефектов изделий, агрегатов, узлов и деталей в авиакосмической, авиационной, судостроительной и других отраслях машиностроения

Электрический кабель, содержащий тензометрический датчик, продольно простирающийся вдоль кабеля и включающий в себя тензометрическое оптическое волокно, установленное в изгибающейся нейтральной области, окружающей и включающей в себя изгибающуюся нейтральную продольную ось электрического кабеля, и по меньшей мере два продольных структурных элемента, по меньшей мере где по меньшей мере один из по меньшей мере двух продольных структурных элементов представляет собой сердечник, содержащий электрический проводник, в котором тензометрический датчик встроен в переносящий растяжение наполнитель, механически связывающий по меньшей мере один из по меньшей мере двух продольных структурных элемента с тензометрическим датчиком. С помощью раскрытой конструкции кабеля растяжение, претерпеваемое по меньшей мере одним из по меньшей мере двух продольных структурных элементов, можно передавать тензометрическому датчику, по меньшей мере, в растянутом состоянии. В предпочтительных вариантах воплощения электрический кабель представляет собой кабель для работы в тяжелом режиме. Изобретение также относится к способу для контроля растяжения, и, предпочтительно, также и температуры электрического кабеля. Кроме того, изобретение направлено на создание системы контроля деформаций для измерения, по меньшей мере, деформации растяжения нескольких электрических кабелей, и, в частности, нескольких кабелей для работы в тяжелом режиме. 4 н. и 26 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к электрическому кабелю с встроенным датчиком деформации, пригодным, в особенности, для измерения статических и динамических деформаций, в частности деформаций изгиба. Способ контроля деформации изгиба электрического кабеля содержит этапы снабжения кабеля периферийным механически несимметричным несущим элементом, обладающим более высокой стойкостью к растягивающим нагрузкам, чем к сжимающим, и волоконно- оптическим датчиком. Изобретение обеспечивает для кабелей, пригодных для тяжелых условий эксплуатации, в частности, для подвижных установок, возможность контроля и определение местоположения деформации изгиба. 8 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для создания распределительных систем измерения температуры и деформации. Бриллюэновская система для отслеживания температуры и деформации содержит одно- или двухстороннее волокно с множеством волоконных брэгговских решеток (ВБР) на разных длинах волн и лазерную систему с задающей накачкой, настраиваемую в диапазоне существенно большем, чем бриллюэновский сдвиг. ВБР распределены по длине размещенного волокна и служат как выбираемые отражатели длины волны, позволяющие поддерживать работу устройства даже в случае разрыва волокна. Технический результат: повышение точности и достоверности данных измерений. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам и может использоваться для проверки и измерения параметров напряжения. Техническим результатом является повышение точности измерения. Волоконно-оптический датчик спиральной структуры является многовитковым спиральным элементом, сформированным пружинной проволокой. Множество зубцов деформации непрерывно распределено по верхней поверхности и нижней поверхности пружинной проволоки в продольном направлении вдоль пружинной проволоки; в двух соседних витках пружинной проволоки зубцы деформации на нижней поверхности верхнего витка пружинной проволоки и зубцы деформации на верхней поверхности нижнего витка пружинной проволоки находятся по отношению друг к другу в шахматном порядке. Сигнальное оптическое волокно зажато между зубцами деформации на нижней поверхности верхнего витка пружинной проволоки и зубцами деформации на верхней поверхности нижнего витка пружинной проволоки и соединено с испытательной установкой оптическим волокном передачи. 9 з. п. ф-лы, 10 ил.

Система содержит источник света для передачи света на поверхность вала через множество пучков оптических волокон, расположенных во множестве местоположений вблизи поверхности в по существу аксиальном направлении между концами по меньшей мере одного вала; высокотемпературный зонд отражения на основе пучка волокон для обнаружения света, отраженного от поверхности вала, механизм измерения для определения крутящего момента или вибрации на валу. Вал содержит механизм кодирования, выполненный посредством измененной текстуры в виде клиновидной канавки на поверхности вала, путем изменения глубины поверхности. Глубина клиновидной канавки обеспечивает сигнал передней рабочей точки и сигнал задней рабочей точки таким образом, что соответствующая временная задержка может быть обнаружена из любого из двух местоположений клиновидной канавки для определения значения угла закручивания вала путем дифференцирования их характеристик шаблона отражения в течение каждого цикла вращения. Технический результат - повышение надежности измерения статического и динамического крутящего момента, линейных и нелинейных вибраций на вращающихся валах. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 24 ил.
Наверх