Информационно-измерительная система контроля полупроводниковой структуры

Полезная модель относится к области микроэлектроники и может быть использована для бесконтактного определения распределения уровней электрического потенциала на поверхности полупроводниковой структуры (ППС). Техническая задача: повышение чувствительности измерений и надежности сохранения контролируемого образца. Для ее решения в информационно-измерительную систему (ИИС) контроля ППС, содержащую генератор управляющего воздействия (ГУВ) и сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ), оснащенный предметным столиком для помещения исследуемого образца полупроводниковой структуры, блоком потенциального контраста и анализатором распределения электрического потенциала на поверхности исследуемого образца, вносятся следующие изменения: в качестве ГУВ установлен генератор логического напряжения, выходные каналы которого присоединены к соответствующим электрическим входам исследуемого образца; в качестве СЗМ установлен атомно-силовой микроскоп, блок потенциального контраста которого выполнен по схеме Кельвин-моды. ИИС обеспечивает возможность неразрушающего контроля образцов ППС, выполненных с диэлектрическим защитным слоем толщиной не менее 500 нм.

Полезная модель относится к области микроэлектроники и может быть использована для бесконтактного определения распределения уровней электрического потенциала на поверхности исследуемой полупроводниковой структуры (ППС). Наиболее эффективно ее использовать при контроле топологии и функциональной схемы контролируемой ППС.

Известна информационно-измерительная система (ИИС) контроля ППС, содержащая генератор логических сигналов и корреляционный анализатор выходной функции исследуемой ППС, подключенные к логическому входу и выходу указанной ППС соответственно (см., например, US 20030056149, Н 02 Н 3/05, 2003).

Использование этой ИИС не обеспечивает наглядного представления о конкретной структуре анализируемого образца, что неприемлемо, например, при выявлении неисправного участка микросхемы.

Известна также ИИС контроля ППС, содержащая перестраиваемый по длине волны источник монохроматического регулируемого и модулированного излучения, датчик фотоЭДС, элемент формирования пространственно ограниченного потока, оптическую систему и систему регистрации и управления (US 4333051, G 01 R 31/26, 1982). Ее принцип действия заключается в определении диффузионной длины неосновных носителей заряда, что для контроля ППС с неизвестными топологией и выполняемыми логическими функциями элементов неприемлемо (измеряемый параметр не содержит информации о данных характеристиках).

Для исследования топологии ППС и уровней электрического потенциала на ее поверхности используют ИИС, содержащую установленные с возможностью воздействия на исследуемый образец ППС источники оптического и электрического поля высокой мощности, сканирующий растровый

(электронный) микроскоп и анализатор распределения поверхностного потенциала на участках ППС. Источник электрического поля оснащен электронным зондом, обеспечивающим воздействие на исследуемый образец пучком электронов с различными значениями энергии в диапазоне, превышающем энергию возбуждения характеристической линии рентгеновского излучения (RU 1436785, H 01 L 21/66, 2000). Источник оптического излучения может быть выполнен из расчета облучения поверхности ППС модулированным монохроматическим излучением на разных длинах волн; при этом анализатор распределения поверхностного потенциала выполнен с возможностью измерения фотоЭДС, наведенной на различных участках ППС (RU 2077754, H 01 L 21/66, 1997).

Однако способы контроля, лежащие в основе функционирования данных устройств, являются разрушающими из-за возможности повреждения контролируемого образца под действием внешнего электрического поля высокой мощности. Кроме того, указанные устройства неприемлемы для исследования образцов, покрытых защитным диэлектрическим слоем.

Наиболее близкой к заявляемой является ИИС контроля ППС, содержащая генератор управляющего воздействия и сканирующий зондовый микроскоп, оснащенный предметным столиком для помещения исследуемого образца полупроводниковой структуры, блоком потенциального контраста и анализатором распределения электрического потенциала на поверхности исследуемого образца. В качестве генератора управляющего воздействия установлен генератор оптического импульсного излучения с возможностью освещения исследуемого образца, в качестве сканирующего зондового микроскопа использован электронный микроскоп в режиме потенциального контраста (RU 2134468, H 01 L 21/66, 1999).

Однако способ контроля, реализуемый прототипной ИИС, является разрушающим из-за действия пучка электронов высокой плотности и электрической мощности на поверхность исследуемого образца при электронной микроскопии. Кроме того, прототипная ИИС нечувствительна при исследовании

образцов ППС с защитным диэлектрическим слоем на их поверхности. В этом случае защитный слой необходимо удалить, что приводит к изменению структуры образца.

Техническая задача предлагаемой ИИС заключается в повышении чувствительности измерений и надежности сохранения контролируемого образца.

Решение указанной технической задачи заключается в том, что в ИИС для контроля ППС, содержащую генератор управляющего воздействия и сканирующий зондовый микроскоп, оснащенный предметным столиком для помещения исследуемого образца полупроводниковой структуры, блоком потенциального контраста и анализатором распределения электрического потенциала на поверхности исследуемого образца, вносятся следующие изменения:

1) в качестве генератора управляющего воздействия установлен генератор логического напряжения;

2) выходные каналы генератора управляющего воздействия присоединены к соответствующим электрическим входам исследуемого образца;

3) в качестве сканирующего зондового микроскопа установлен атомно-силовой микроскоп (АСМ);

4) блок потенциального контраста АСМ выполнен по схеме Кельвин-моды.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении вместо электронного микроскопа использован АСМ, работа которого не сопровождается облучением поверхности исследуемого образца разрушающим ее высокоэнергетическим пучком электронов. Другое следствие изъятия высокоэнергетического воздействия пучком электронов заключается в устранении искажения этим воздействием распределения детектируемого электрического сигнала. Этим и достигается резкое повышение чувствительности измерений, вплоть до возможности их проведения через толстый (до

1000 нм) слой диэлектрика, что имеет следствием обеспечение неразрушающего контроля изменения распределения уровней логического потенциала на поверхности образца под действием входного логического сигнала.

Неочевидность использования АСМ по предлагаемому назначению подтверждается также тем, что известной областью использования АСМ является исследование распределения зарядов по поверхности пассивного образца с субмикронным разрешением (см., например: В.Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии, т.2, М., «Техносфера», 2004, с.81-128; Методология СЗМ: руководство пользователя, М., НИИФП, 2004). В заявляемом же способе испытуемый образец является активным, так как в его рабочем слое содержатся заряженные элементы, при этом распределением значения зарядов на данных элементах управляют с помощью внешних сигналов, которые подают на исследуемую ППС в реальных условиях ее работы. Этим обеспечивается получение информации для идентификации топологии неизвестной ППС и функций входящих в нее логических элементов.

Для повышения информативности контроля дополнительно определяют распределение значений уровней логического потенциала относительно заданного направления сканирования. Эта возможность предоставляется программируемым блоком обработки и регистрации полученной информации, входящим в состав АСМ.

Включение АСМ по схеме Кельвин-моды необходимо не только для обеспечения потенциального контраста, но и абсолютных значений разности измеряемых потенциалов, в связи с чем не требуется калибровки ИИС.В отличие от электронной микроскопии, детали структуры ППС здесь получают в виде топографических АСМ-изображений. Кроме того, дается прямая привязка получаемых профилей напряжения к деталям структуры.

Для удобства эксплуатации ИСС дополнительно содержит блок хранения и регистрации информации, при этом первый вход которого связан с выходом генератора управляющего воздействия, второй вход связан с электрическим выходом исследуемого образца, а третий вход связан с выходом анализатора распределения электрического потенциала на поверхности исследуемого образца.

На фиг.1 приведена схема предлагаемой ИИС; на фиг.2 представлены микрофотография и диаграмма распределения значений поверхностного потенциала при контроле образца ППС к примеру 1; в табл.1 приведены зависимость значения выходного сигнала ИИС от толщины слоя диэлектрического покрытия образца ППС.

ИИС контроля ППС содержит генератор 1 управляющего воздействия и атомно-силовой микроскоп (АСМ), настроенный в режиме потенциального контраста по схеме Кельвин-моды. В качестве генератора 1 использован генератор логического напряжения типа ГЛС 16 В. В состав АСМ входят предметный столик 2, на котором помещена исследуемая ППС 3, кантилевер 4 с жестко закрепленным на нем коническим зондом 5, выполненные с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости с помощью пьезоэлектрических двигателей 6 и 7, подключенных к выходу генератора 8 развертки зонда 5 о горизонтальной плоскости, пьезоэлектрический двигатель 9, установленный с возможностью перемещения зонда 5 перпендикулярно поверхности ППС по сигналу с выхода оптико-позиционной системы, включающей последовательно оптически или электрически соединенные полупроводниковый лазерный источник 10 излучения, направленного на зонд 5, отражатель 11 излучения от зонда 5, квадрантный фотодетектор 12, дифференциальный оптико-электронный преобразователь 13, и управляющий узел 14. В зависимости от модификации АСМ, управляющий узел 14 может быть выполнен на базе операционного усилителя, компаратора, контроллера и т.п. Он находится в цепи отрицательной обратной связи. При этом вход управляющего узла 14 подключен к выходу дифференциального

оптико-электронного преобразователя 13 через элемент сравнения 15 для выделения сигнала рассогласования выхода преобразователя 13 и опорного (заданного) напряжения U_s . Выходные каналы генератора 1 логического напряжения подключены к соответствующим электрическим входам исследуемого образца 3. Выход узла 14 электрически соединен с пьезодвигателем 9 для осуществления управления перемещением зонда 5 в вертикальной плоскости по сигналу обратной связи оптико-позиционной системы. В конструкцию АСМ входят также генератор 16 переменного напряжения и анализатор 17 распределения электрического потенциала на поверхности исследуемой ППС 3. Выход генератора 16 подключен к зонду 5 и к первому входу анализатора 17, выполненного по дифференциальной схеме. Ко второму входу анализатора 17 подключен выход оптико-электронного преобразователя 13. Выход анализатора 17 подключен к первому входу блока 18 хранения и регистрации информации, реализованного на базе персонального компьютера. Второй вход блока 18 связан с электрическим выходом исследуемого образца ППС. Третий вход блока 18 подключен к выходу генератора 1 управляющего воздействия.

Представленный на фиг.1 испытуемый образец ППС 3 содержит заряженные полупроводниковые элементы, расположенные на участках 19, 20 и 21, и сэндвич-участки 22, включающие слои металла и диэлектрика.

ИИС работает следующим образом.

Генератор 8 с помощью пьезодвигателей 6 и 7 осуществляет развертку зонда 5 в горизонтальной плоскости. При этом при изменении силы атомного взаимодействия между поверхностью исследуемого образца 3 и зондом 5 кантилевер 4 отклоняется от положения равновесия, что регистрируется и отслеживается оптико-позиционной системой АСМ следующим образом. Отраженный от кантилевера 4 луч лазера 10 смещается относительно центра квадрантного фотодетектора 12 и определяется по относительному изменению освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора 12. Это фиксируется преобразователем 13, сравнивается с помощью

элемента сравнения 15 с заданным значением U_s и преобразуется в соответствии с алгоритмом управляющего устройства 14 в сигнал, управляющий работой пьезодвигателя 9 из расчета компенсации рассогласования.

Для создания потенциального контраста по схеме Кельвин-моды между зондом 5 и поверхностью исследуемого образца 3 приложено переменное напряжение с частотой собственных колебаний кантилевера 4 с помощью генератора 16. При этом на образец 3 подается компенсирующее постоянное напряжение, формируемое анализатором 17, работающим по схеме дифференциального усиления сигналов, снимаемых с выходов блоков 13 и 16. Управление распределением уровней электрического потенциала на поверхности исследуемого образца производят с помощью генератора 1 логического напряжения.

В данном примере три вида информационных сигналов о входных и выходных параметрах ИИС-распределении поверхностного потенциала (микрофотографии рельефа поверхности, соответствующие им уровни поверхностного потенциала и графики распределения значений поверхностного потенциала) и значении логических сигналов на входе и выходе образца ППС 3 - учитываются и регистрируются компьютером блока 18.

Результаты работы ИИС иллюстрируются следующими примерами.

ПРИМЕР 1. Исследуют полупроводниковую структуру микросхемы К573РФ2 {репрограммируемое постоянное запоминающее устройство, выполненное по КМОП-технологии с «плавающим» затвором). Данная микросхема содержит полупроводниковую подложку с расположенными на ней областями базовых элементов (транзисторов), и последовательно сформированными слоями поликремния, в котором выполнены затворы к транзисторам, диэлектрика, металлической разводки и 500 нм защитного диэлектрического покрытия. Испытания проводят с помощью ИИС фиг.1 при различных сочетаниях значений логических входных сигналов, подаваемых генератором 1 на 8 входов испытуемой микросхемы. Как видно из

микрофотографии потенциального контраста уровней логического потенциала на поверхности исследуемого участка микросхемы (фиг.2а), данный участок площадью 40×40 мкм содержит 12 элементов схемы, в каждом из которых различаются области подзатворного заряда и их логическое состояние (логические «0» или «1»). Так, например, по темной окраске подзатворной области 1 можно судить о соответствии ее состояния логическому «0»; светлая окраска подзатворной области 2 свидетельствует о ее состоянии, соответствующем логической «1». Соответствие между тонами окраски микрофотографии и числовыми значениями поверхностного потенциала в Вольтах (В) представлено на шкале контрастности фиг.2б.

Участок фиг.2а дополнительно исследован вдоль линии сканирования mn. Результаты представлены на диаграмме фиг.2в. Как видно из диаграммы, в данном примере подзатворной области логического нуля соответствует значение поверхностного потенциала -1,4 В, а логической единице соответствует значение поверхностного потенциала +0,8 В (дифференциал между логическими «1» и «0» составляет 2,2 В).

ПРИМЕР 2. С помощью ИИС фиг.1 исследуют ППС, включающую кремниевую подложку n-типа проводимости, на которой сформирована алюминиевая шина, снабженная контактами для подключения к внешней электрической цепи, включающей сопротивление нагрузки. Подложка и шина покрыты защитным слоем диэлектрика SiO₂ толщиной от 100 до 1000 нм у различных образцов. В качестве контрольного образца испытана ППС без защитного покрытия. Испытания проведены при значении входного напряжения 0,5 В.

Результаты приведены в табл.1. Как видно из таблицы, в отсутствии защитного диэлектрического покрытия значение поверхностного потенциала равно напряжению входного сигнала. При исследовании образцов, покрытых слоем диэлектрика различной толщины, наблюдаются следующие значения выходного сигнала:

Из данного примера видно, что предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность неразрушающего контроля ППС при толщине защитного диэлектрического слоя не менее 500 нм.

Таким образом, использование предлагаемой полезной модели обеспечивает чувствительность измерений, достаточную для контроля образцов ППС, поверхность которых покрыта защитным диэлектрическим слоем, что имеет следствием обеспечение неразрушающего контроля данного класса образцов ППС.

Техническим результатом, производным от достигнутого, является наглядность представления результатов контроля в виде микрофотографий потенциального контраста и диаграмм распределения значений поверхностного потенциала, что позволяет судить о логических состояниях базовых элементов ППС при соответствующем входном воздействии. Важным достижением новой ИИС является также проведение измерений при реальной природе входного управляющего воздействия.

1. Информационно-измерительная система контроля полупроводниковой структуры, содержащая генератор управляющего воздействия и сканирующий зондовый микроскоп, оснащенный предметным столиком для помещения исследуемого образца полупроводниковой структуры, блоком потенциального контраста и анализатором распределения электрического потенциала на поверхности исследуемого образца, отличающаяся тем, что в качестве генератора управляющего воздействия в ней установлен генератор логического напряжения, выходные каналы которого присоединены к соответствующим электрическим входам исследуемого образца, а в качестве сканирующего зондового микроскопа в ней установлен атомно-силовой микроскоп, блок потенциального контраста которого выполнен по схеме Кельвин-моды.

2. Информационно-измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит блок хранения и регистрации информации, при этом первый вход блока хранения и регистрации информации связан с выходом генератора управляющего воздействия, второй вход блока хранения и регистрации информации связан с электрическим выходом исследуемого образца, а третий вход блока хранения и регистрации информации связан с выходом анализатора распределения электрического потенциала на поверхности исследуемого образца.