Способ определения внутренних механических напряжений сжатия в тонких пленках

 

О П И С А Н И Е < >605487

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Реслублик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 05.07.76 (21) 2378914/18-25 (51) М,Кл.з Н О1 L 21/66 с присоединением заявки— (23) Приоритет—

Государствеикык комитет (43) Опубликовано 23.12.81. Бюллетень ¹ 47 (53) УДК 621.382 (088.8) ла делам изобретений и открытий (45) Дата опубликования описания 23.12.81 (72) Авторы изобретеяия

Н. А. Федорович и В. А. Шеленш:<евич

Ордена Ленина физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (71) 3 а явител ь (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ

МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ СЖАТИЯ

В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ

1 2

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для контроля качества интегральных схем в процессе их изготовления.

Внутренние механические напряжения, в частности термические, в ряде случаев определяют надежность, работы полупроводниковых приборов и влияют.на такие их характеристики, как проводимость канала транзистора, коллекторный ток насыщения и т. д.

Кроме того, высокий уровень.внутренних напряжений В диэлектрических пленках может привести к разрушению элементов интегральных схем, отслаиванию и,растрескиванию пленки. Поэтому измерение внутренних напряжений в пленках диэлектр ических покрытий на кремнии стало актуальной задачей с появлением и широким внедрением в практику приборов со структурой

МДП (металл-диэлектрик-:полупроводник) и интегральных схем (ИС) .

Известен способ измврения механических напряжений, сжатия в пленках двуокиси кремния на кремниевых подложках, заключающийся в измерении прогиба тонкой подложки после нанесения на эту подложку пленки и охлаждения до комнатной температуры, Недостатком этого способа является то, что по нему определяется среднее значение напряжений по большой площади пленки (более 0,5 см ). При современной тенденции к увеличению плотности размещаемых на пластине элементов ИС большое значение приобретают способы микроскопического,контроля и измерения механических напряжений в пленках, дающие возможность !

О локально оценивать напряжения различных участков ИС.

Известен также способ определения внутренних механических напряжений сжатия в точких пленках путем подтравлива15 ния подложки и измерения геометрических размеров дефомированной пленки и вычисления величины напряжения сжатия.

Для отделения полоски окисла от подложки и измерения ее деформации в ре20 зультате потери устойчивости на разных участках кремниевой пластины с помощью фотолитографии в пленке SiO> изгота вливают специальные тестовые структуры, имеющие вид мостиков с определенным соотношением ширины полоски окисла к ее длине (обычно ширина такого мостика составляет 5 — 10 мкм, длина мостика равна 30 — 50 мкм). Кремний вытравливают че,рез окна в окисной пленке, в результате чего полоски окисла (мосты) освобождаются

605487

3 от материала подложки и свободно провисают,над лупками вытравленного кремния, если пленка на крсмниевой подложке находится в состоянии сжатия. Деформация таких мостиков (стрела прогиба Л) оценивается по резкости наводки металлографического микроскопа на центр и край vloстика.

Величину относительной деформации в о пределяют из формулы, связывающей Л с длиной деформированной полосги окислa le! — l„ l — 2knE(m„) l „2/1 аЕ(т„) ПИ Х . и 1 У а - - Л sin- .in— а (4) с—

15 эллиптический интеграл второго рода с парамет,ром

4 и -, —. -+

На пряжение с определяют нз формулы с

Э (2! а= а„, 1 — v где Lp — модуль 1Онга для окисной г лснКИ;

v — коэффициент Пуа ссона.

Точность описанного способа определяется ценой деления микрометрическсго винта для фокусирования, микроскопа на исследуемую поверхность (3 — 5) мкм и недостаточна для точного определения малых значений деформации.

Недостатком известного способа является то, что он требует применения специальных тестовых структур.

Целью, изобретения является пс вышение гочности и упрощение процесса измерений.

Цель достигается тем, что подложку подтравлива1от с одной стороны пленки, измеряют глубину подтрава и длин цо,.уволны деформированного края пленки с помощью микроинтерферометра, а величину внутреннего напряжения сжатия определя1от по формуле

7,2.!" !3,!

: !,4- 1(1 дll c.rr - .

Таким образом, микроинтерферометри(3) 5о ческое наблюдение волновой картины деформации подтравленного края окисла значительно повышает точность способа, определяемую полудлиной волны падающего света (дссятые доли микрона) по сравнению с прототипом (микроскопическое нагде l — начальная длина моста; п=0, 1,2...

П==(4т. -, — "1 - г - ) " 2-.;

1 г

E(m„) == 1 (1 — п1„з!и 11) 1 F6 о где Е, — модуль Юнга дин/см"-;

v — коэффициент Пуассона;

li — толщина пленки, см;

Π— Г,7 б11на по,трава пленки, см;

U — параметр, опредсляемый по номогра мме потери устойчивости пластины, закрепленной с одного края, .по отношению длины полуволны деформированного края пленки к глубине ее подтрава.

Известно, что при потере устойчивости пленка при ьспучивании разделяется в продольном направлении х íà m полуволн, а в

10 по срсчном направлении у на п полуволн, и се прогиб в выражается формулой где Л -- постоя,lraII; а — длина пластинки;

Ь вЂ” ширина пластинки.

20 Если пленка деформируется только в продольном направлен;;:. (77 c. m 1;=1), то справедлива формула (3).

Описываемый способ состоит в следуюН 1 С;1

Пластик крсм1п1я с рабочими окисноплено1нь1мп элементами ИС протравлива1оТ в растворе едкого патра до отделения края окисной пленки от подложки и получения четкой микроинтерфераметрической картины одноразсмсрной продо7ьHîé дефnðмацин освобожденного края пленки. На микроннтерферометре измеряют ширину свободно про висающего края пленки 6 и длину полуволны деформированного края а,. По отношению этих величин по номограммам потери устойчивости пластины, закрепленной с одного края, определяют параметр упругой деформации U. По известной тол1ц1111с планки и ее упругим параметрам (.;1одулю K)нга и коэффициенту

Пуассона) выч.:c7;. о- величину "нутреннего напряжения сжапия 6 по формуле (3).

Пример. Для пленки термичсскогG окисла толщиной 0,25 мкм на (100)-Si от45 ношение длины полуволны деформируемого

Qr края пленки к глубине се подтрава —,— сод ставляло 1,6, а отношс1ше толщины пленки

50 д к гт;бине lодт.апа — - саl3 я.1ось 6,5 10

Определенное из номограммы значение параметра U составляло 13,1. Величина вычислялась по формуле (3) 605487

Формула изобретения

12(1 — v - ) b

Редактор T. Кузне ова

Тсхред Л Куклина Ко1тоектор С. Файн

Заказ 1ВР /1233 11з:r., - 00о Тнракк 784 1Iо..н„,ñ"; ;.;ä,ñ ! I I10 «! 1оис >. Госудаоствснно. о комитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Мо< ква, iK-35, Раушскан наб., д. 4/5

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент» блюдение имеет точность 1 а порядок ниже, 3 — 5 мкм).

У1прощение процесса измерения состоит в том, что по предлагаемому способу на кремнии Hp. требуется фотолитографического изготовления специальных тестовых структур на пленке окисла, поэтому способ может использоваться непосредственно на технических деталях. В частности, для измерения напряжения могут быть использованы .прямоугольные оина в пленке ЯОа, формирующие элементы ИС.

Предложенный способ позволяет производить быструю оценку локальных,механических напряжений сжатия на участках с микронными размера1ми в .пленках двуокиси кремния на кремнии по измерению параметров дефор1мируемого края подтравленной полоски окисла.

Способ может быть использован и для других диэлектрических пленок .на разных подложках (если они при нанесении на подложку оказываются в сжатом состоянии).

Для этого необходимо подобрать травитель, который избирательно травит подложку и нейтрален по отношению к пленке.

Для .пленки S102 на креин1иевой подложке этим требованиям отвечает водный раствор едкого натра (1 М/л).

Способ прост и надежен (свободный узкий край подтравленной пленки, прочная структура вплоть до толщин пленки 0,005—

0,010 мкм), в то время как локальное определение механических,напряжений,на микроскопических участках «мостиковым» и «балочным» методами связано с большими трудностями из-за непрочности этих структур, .освобожденных от подложки. По предлагаемому способу значительно упрощается и ускоряется по сравнению с прототипом сам процесс травления, поскольку для получения гофрированной структуры подтравленного с одной стороны края пленки требуется значительно меньшее время, чем для полного освобождения от подложки «мостиков» и «балок», подтравливаемых с двух сторон до по.тного отделения их от подложки. Кроме того, при описываемом способе расчет величины:напряжения сведен к сравнительно простой формуле, вклю10 чающей легко определяемые экспериментальные параметры.

15 Способ определения внутренних механических напряжений сжатия в тонких пленках путем подтравливания подложки, измерения геометрических размеров деформированной пленки и вычисления величины на20 пряжения сжатия, отл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения процесса измерений, подложку подтравливают с одной стороны пленки, измеряют глубину подтрава и длину полуволны деформированного .края пленки с помощью микроинтерферометра, а величину внутреннего напряжения сжатия определяют по формуле где Ео — модуль Юнга, дин/см ;

v — коэффициент Пуассона;

35 6 — толщина пленки, см;

b — глубина подтрава пленки, см;

U — параметр, определяемый по номограмме потери устойчивости пластины, закрепленной с одного края, по отношению

40 длины полуволны деформированного края пленки к глубине ее подтрава.