eng
Выпуск #7-8/2018
Д.Петраков, Н.Герасименко, Н.Медетов, Д.Смирнов, Р.Суюндуков
Анализ структурных свойств и параметров объектов с использованием комплексного подхода обработки данных рентгенооптических измерений
Анализ структурных свойств и параметров объектов с использованием комплексного подхода обработки данных рентгенооптических измерений
Просмотры: 3150
Комплексно исследованы тонкопленочные микроэлектронные структуры low-k-диэлектриков и диффузионно-барьерных слоев TiN несколькими рентгенооптическими методами. Это разрешит неоднозначности типа "плотность – шероховатость", возникающие при решении обратных рентгеновских задач и выявит особенности формирования исследованных структур. Создан аналитический комплекс, объединенный самосогласованной обработкой данных нескольких методов измерений. Планируется адаптация к методам рентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализа для исследования элементного и фазового состава, включая анализ рудных полезных ископаемых.
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.7-8.534.541
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.7-8.534.541
Теги: software thin-film nanostructures x-ray optical methods комплекс рентгенооптических методов программное обеспечение тонкопленочные наноструктуры
Для решения задач исследования и анализа структуры и размерных параметров объектов существуют различные методы измерений, такие как рентгеновская рефлектометрия и рефрактометрия, дифракционный и рентгенофлуоресцентный анализ, просвечивающая электронная микроскопия, оптическая эллипсометрия и др. Однако среди этих методов для измерения тонкопленочных структур наноэлектроники особый интерес представляет метод рентгеновской рефлектометрии. Этот неразрушающий метод исследования тонкопленочных образцов позволяет определить не только толщины слоев как однослойной, так и многослойной структуры, но и изучить шероховатости поверхностей каждого из этих слоев и рассчитать значения их плотностей в данных структурах, а также выявлять скрытые и неучтенные подслои [1].
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ПОДХОДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУР ТОНКИХ ПЛЕНОК
Метод рентгеновской рефлектометрии считается стандартным для исследования многослойных тонкопленочных структур, однако исследование только зеркальной составляющей рентгеновского отражения не позволяет разделить вклад в рефлектометрическую картину от нормальной составляющей градиента плотности материала слоя и от шероховатостей и неоднородностей границ раздела. В связи с этим наряду с методом относительной рефлектометрии в комплекс методов были включены рентгеновская рефрактометрия и диффузное рассеяние рентгеновского излучения [2].
Исследование рефракции рентгеновского излучения в тонкопленочных структурах позволяет напрямую рассчитать показатель преломления рентгеновского излучения и, следовательно, получить информацию о распределении плотности материала в исследуемой структуре [3]. Для уточнения параметров шероховатостей границ раздела используется метод диффузного рассеяния рентгеновского излучения. Предложенный подход позволяет разрешить проблему неоднозначности "плотность – шероховатость" при решении обратной задачи рефлектометрии, заключающуюся в том, что отдельно по данным рефлектометрии однозначно удается восстановить только одномерный интегральный профиль поляризуемости по глубине структуры, который может быть задан как градиентом физической плотности нанесенных слоев, так и наличием межслойных шероховатостей. Применение дополнительных методик при самосогласованной обработке данных снимает данную проблему и позволяет представить более полную картину о структуре и составе тонкопленочных структур.
Вышеописанный подход был реализован в виде программного обеспечения [4], который позволяет единовременно обрабатывать экспериментальные данные, полученные несколькими независимыми рентгеновскими методами исследования (рис.1). Таким образом, предложенный подход сводится к тому, что данные рефлектометрии корректируются методами рефрактометрии и диффузного рассеяния рентгеновского излучения, в результате чего мы не только разрешаем возникающие неоднозначности, но и получаем более детальную информацию о структуре и составе тонких пленок [5–6].
В дальнейшем также планируется расширение применимости указанного комплексного подхода к разрабатываемому автоматизированному комплексу обработки результатов рентгеновских измерений для анализа обширного круга объектов из различных областей техники и технологии, в том числе для исследования образцов руд и полезных ископаемых взаимодополняющими методами рентгеновского анализа (а именно: с применением рентгеноструктурного анализа и спектроскопии поглощения рентгеновского излучения) в рамках одной измерительной платформы без привлечения широкого перечня измерительного оборудования. Такая система позволит не только получить более детальное представление о качественном и количественном элементном составе, фазе исследуемых объектов, но и существенно повысить точность производимого анализа и скорость обработки получаемых результатов, что снизит себестоимость проводимых исследований.
Исследование тонкопленочных структур с применением комплексного подхода обработки данных рентгенооптических методов. В качестве объектов исследования использовались теоретические структуры low-k-диэлектрика SiCN (92 нм) и SiOC (180 нм) и диффузионно-барьерных слоев на основе TiN (5 нм). Исследуемые образцы были изготовлены на заводе АО "Ангстрем-Т" (г. Зеленоград). Указанные структуры были выбраны для исследования по той причине, что одного метода рентгеновской рефлектометрии оказалось недостаточно для характеризации параметров структуры из-за наличия неучтенных подслоев и существования градиента плотности материала, что повлекло за собой проявление неоднозначности "плотность – шероховатость" при решении обратной задачи данного метода исследования.
Экспериментальные измерения структур выполнены при помощи рентгеновской аналитической системы CompleXRay. На платформе рентгеновского комплекса впервые реализован режим относительных измерений путем измерения отношения сигналов на двух и более выбранных спектральных линиях [7]. При рентгенооптических измерениях это исключает аппаратные ошибки и позволяет проводить экспрессные измерения при близких к нулю углах рассеяния.
В других работах [8–9] тонкопленочные структуры low-k-диэлектриков SiCN/SiOC были исследованы при помощи УФ-эллипсометрии, а структура диффузионно-барьерного слоя TiN – при помощи разрушающего метода просвечивающей электронной микроскопии. Однако, как было описано выше, рентгенооптические методы обладают не только повышенной точностью измерения, но и являются неразрушающими методами исследования, что при использовании их в комплексе дает возможность получить достоверные результаты за минимальное время.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ
LOW-K-ДИЭЛЕКТРИКОВ SICN/SIOC
Из-за возможности наличия градиента плотности слоев SiCN и SiOC метода рентгеновской рефлектометрии оказалось недостаточно для корректного определения основных параметров исследуемых структур. Для решения этой проблемы в данной работе использовался метод рефрактометрии. Рефрактограмма структуры приведена на рис.2.
Рис.2 показывает, что угловые положения максимумов рефракции равны 0,142° и 0,176°. В результате получаем значения показателя преломления каждого слоя δ1 = 3,98 и δ2 = 7,92, что соответствует следующим значениям плотностей: ρSiCN = 1,2 и ρSiOC = 2,3 г/см3.
На рис.3 представлена рефлектометрическая зависимость, полученная с применением комплексного подхода методов рефлектометрии и рефрактометрии. Результаты измерений сведены в табл.1.
Как видно из табл.1 и рис.3, для слоя low-k-диэлектрика SiCN плотность соcтавляет 1,3±0,2 г/см3, что говорит о наличии градиента плотности в образце. Таким образом, метод рефрактометрии с высокой точностью определил плотности слоев данной структуры, что доказывает эффективность применения комплексного подхода исследования структур.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИФФУЗИОННО-БАРЬЕРНОГО СЛОЯ TIN
При нанесении TiN часто возникают проблемы, связанные со сложностью формирования слоев стехиометричного нитрида титана. Нитридные пленки наносятся в многостадийном технологическом процессе осаждения из газовой фазы из металлоорганического прекурсора с последующим уплотнением в плазме тлеющего разряда, в результате чего возможно создание нескольких подслоев различной плотности и стехиометрии. Метод рентгеновской рефлектометрии позволяет рассчитать плотности подслоев, однако из-за возникающей неоднозначности "плотность – шероховатость" анализ структуры этим методом может оказаться затруднительным. Для разрешения этой неоднозначности в данной работе применяется метод диффузного рассеяния рентгеновского излучения. На рис.4 и 5 представлены рефлектограмма диффузионно-барьерного слоя TiN и кривая диффузного рассеяния соответственно. Результаты методов рефлектометрии и диффузного рассеяния представлены в табл.2.
При обобщении данных о фазовом составе, плотности, шероховатости были идентифицированы подслои в пленке TiN. Тонкий аморфный подслой TiNOx с плотностью 3,1 г/см3 на поверхности диффузионно-барьерного слоя является TiNOx, окисленным в атмосфере воздуха вследствие отсутствия верхнего защитного слоя и наличия остаточного заряда в приповерхностной области после обработки в плазме. Тонкий аморфный подслой TiNy с плотностью 2,2 г/см3, сформировавшийся на границе со слоем диоксида кремния, представляет собой рыхлую пленку, полностью не уплотненную и не кристаллизованную обработкой в плазменной среде. Привлечение данных диффузионного рассеяния рентгеновского излучения показало, что шероховатость в образце минимальна и что вид измеренной рефлектограммы определяется наличием нескольких неучтенных подслоев в исследуемой структуре.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как показали результаты исследования, для анализа базовых параметров тонких пленок единственного метода бывает недостаточно для получения достоверной информации о структуре объекта и последующей корректировки этих параметров в соответствии с предъявляемыми требованиями технологического процесса. Это связано со следующим: во-первых, точность методики и возникшие физические ограничения при исследовании объекта не во всех случаях позволяют применять тот или иной метод; во-вторых, при использовании конкретного метода могут возникать различные проблемы, связанные с особенностями применения той или иной методики, к примеру, для рентгеновской рефлектометрии – это наличие неоднозначностей "плотность – шероховатость", для рефрактометрии – ограничение на измерение слоев с толщиной менее нескольких десятков нанометров. Особенно часто вышеописанные проблемы возникают при исследовании структур наноразмерных масштабов или наличии таких объектов на тонкопленочных образцах. Поэтому в рамках данной работы было предложено использовать несколько методов исследования и объединить их в виде комплексного подхода, позволяющего не только повысить точность измерений, но и изучить особенности формирования структур в рамках используемых технологических процессов.
В дальнейшем планируется адаптация данного самосогласованного подхода к методам рентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализа для исследования элементного и фазового состава объектов, в том числе и для анализа рудных полезных ископаемых. Это позволит не только получать более полную и детальную картину об исследуемых объектах, но и увеличить порог чувствительности обнаружения отдельных элементов, не выявляемых отдельными методами анализа.
Исследование выполнено при грантовом финансировании по научным и (или) научно-техническим проектам на 2018–2020 годы Республики Казахстан (проект № AP05133354).
ЛИТЕРАТУРА
Виноградов А.В. Зеркальная рентгеновская оптика – Л.: Машиностроение, 1989. 463 с.
Турьянский А.Г., Пиршин И.В., Тулеушев Ю.Ж. Наблюдение рефракции рентгеновского излучения в слабо поглощающих тонких пленках бериллия и углерода // Приборы и техника эксперимента. 2009. №1. С. 125–134.
Попов Н.Л., Успенский Ю.А., Турьянский А.Г., Пиршин И.В., Виноградов А.В., Платонов Ю.Я. Определение параметров многослойных наноструктур с помощью двухволновой рентгеновской рефлектометрии // ФТП. 2003. Т. 37. Вып. 6.
Петраков Д.С. Программный комплекс автоматизированной оценки технологических параметров многослойных тонкопленочных наноструктур на основе экспериментальных данных, полученных методами относительной двухволновой рентгеновской рефлектометрии и рефрактометрии / Свид. № 2014610671 РФ, правообладатель НИУ МИЭТ (RU). – №2013660617; заявл. 19.11.13; опубл. 15.01.14, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.
Волоховский А.Д., Герасименко Н.Н., Петраков Д.С. Применение комбинированной методики оптической скаттерометрии для контроля процесса травления щелевой изоляции // Известия вузов. Электроника. 2017. Т. 22. № 4. С. 331–340.
Volkov Yu.O., Kozhevnikov I.V., Roshchin B.S., Filatova E.O., Asadchikov V.E. Model approach to solving the inverse problem of X-ray reflectometry and its application to the study of the internal structure of hafnium oxide films // Crystallography Reports. 2013. T. 58. Is. 1. PP. 160–167.
Герасименко Н.Н., Смирнов Д.И., Турьянский А.Г. Новые рентгеновские измерительные системы с микрофокусными источниками для диагностики твердотельных микро- и наноструктур // Наноиндустрия. 2015. Т. 56. Вып. 2.
С. 58–69.
Marsik P., Verdonck P., De Roest D. Porogen residues detection in optical properties of low-k dielectrics cured by UV radiation // Thin Solid Films. 2010. Vol. 518. Is. 15. PP. 4266–4272.
Смирнов Д.И., Гиниятуллин Р.М., Зюльков И.Ю. Проблемы измерения параметров элементов и структур современной микро- и наноэлектроники на примере диффузионно-барьерных структур TiN/Ti // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39. Вып. 14. С. 34–42.
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ПОДХОДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУР ТОНКИХ ПЛЕНОК
Метод рентгеновской рефлектометрии считается стандартным для исследования многослойных тонкопленочных структур, однако исследование только зеркальной составляющей рентгеновского отражения не позволяет разделить вклад в рефлектометрическую картину от нормальной составляющей градиента плотности материала слоя и от шероховатостей и неоднородностей границ раздела. В связи с этим наряду с методом относительной рефлектометрии в комплекс методов были включены рентгеновская рефрактометрия и диффузное рассеяние рентгеновского излучения [2].
Исследование рефракции рентгеновского излучения в тонкопленочных структурах позволяет напрямую рассчитать показатель преломления рентгеновского излучения и, следовательно, получить информацию о распределении плотности материала в исследуемой структуре [3]. Для уточнения параметров шероховатостей границ раздела используется метод диффузного рассеяния рентгеновского излучения. Предложенный подход позволяет разрешить проблему неоднозначности "плотность – шероховатость" при решении обратной задачи рефлектометрии, заключающуюся в том, что отдельно по данным рефлектометрии однозначно удается восстановить только одномерный интегральный профиль поляризуемости по глубине структуры, который может быть задан как градиентом физической плотности нанесенных слоев, так и наличием межслойных шероховатостей. Применение дополнительных методик при самосогласованной обработке данных снимает данную проблему и позволяет представить более полную картину о структуре и составе тонкопленочных структур.
Вышеописанный подход был реализован в виде программного обеспечения [4], который позволяет единовременно обрабатывать экспериментальные данные, полученные несколькими независимыми рентгеновскими методами исследования (рис.1). Таким образом, предложенный подход сводится к тому, что данные рефлектометрии корректируются методами рефрактометрии и диффузного рассеяния рентгеновского излучения, в результате чего мы не только разрешаем возникающие неоднозначности, но и получаем более детальную информацию о структуре и составе тонких пленок [5–6].
В дальнейшем также планируется расширение применимости указанного комплексного подхода к разрабатываемому автоматизированному комплексу обработки результатов рентгеновских измерений для анализа обширного круга объектов из различных областей техники и технологии, в том числе для исследования образцов руд и полезных ископаемых взаимодополняющими методами рентгеновского анализа (а именно: с применением рентгеноструктурного анализа и спектроскопии поглощения рентгеновского излучения) в рамках одной измерительной платформы без привлечения широкого перечня измерительного оборудования. Такая система позволит не только получить более детальное представление о качественном и количественном элементном составе, фазе исследуемых объектов, но и существенно повысить точность производимого анализа и скорость обработки получаемых результатов, что снизит себестоимость проводимых исследований.
Исследование тонкопленочных структур с применением комплексного подхода обработки данных рентгенооптических методов. В качестве объектов исследования использовались теоретические структуры low-k-диэлектрика SiCN (92 нм) и SiOC (180 нм) и диффузионно-барьерных слоев на основе TiN (5 нм). Исследуемые образцы были изготовлены на заводе АО "Ангстрем-Т" (г. Зеленоград). Указанные структуры были выбраны для исследования по той причине, что одного метода рентгеновской рефлектометрии оказалось недостаточно для характеризации параметров структуры из-за наличия неучтенных подслоев и существования градиента плотности материала, что повлекло за собой проявление неоднозначности "плотность – шероховатость" при решении обратной задачи данного метода исследования.
Экспериментальные измерения структур выполнены при помощи рентгеновской аналитической системы CompleXRay. На платформе рентгеновского комплекса впервые реализован режим относительных измерений путем измерения отношения сигналов на двух и более выбранных спектральных линиях [7]. При рентгенооптических измерениях это исключает аппаратные ошибки и позволяет проводить экспрессные измерения при близких к нулю углах рассеяния.
В других работах [8–9] тонкопленочные структуры low-k-диэлектриков SiCN/SiOC были исследованы при помощи УФ-эллипсометрии, а структура диффузионно-барьерного слоя TiN – при помощи разрушающего метода просвечивающей электронной микроскопии. Однако, как было описано выше, рентгенооптические методы обладают не только повышенной точностью измерения, но и являются неразрушающими методами исследования, что при использовании их в комплексе дает возможность получить достоверные результаты за минимальное время.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ
LOW-K-ДИЭЛЕКТРИКОВ SICN/SIOC
Из-за возможности наличия градиента плотности слоев SiCN и SiOC метода рентгеновской рефлектометрии оказалось недостаточно для корректного определения основных параметров исследуемых структур. Для решения этой проблемы в данной работе использовался метод рефрактометрии. Рефрактограмма структуры приведена на рис.2.
Рис.2 показывает, что угловые положения максимумов рефракции равны 0,142° и 0,176°. В результате получаем значения показателя преломления каждого слоя δ1 = 3,98 и δ2 = 7,92, что соответствует следующим значениям плотностей: ρSiCN = 1,2 и ρSiOC = 2,3 г/см3.
На рис.3 представлена рефлектометрическая зависимость, полученная с применением комплексного подхода методов рефлектометрии и рефрактометрии. Результаты измерений сведены в табл.1.
Как видно из табл.1 и рис.3, для слоя low-k-диэлектрика SiCN плотность соcтавляет 1,3±0,2 г/см3, что говорит о наличии градиента плотности в образце. Таким образом, метод рефрактометрии с высокой точностью определил плотности слоев данной структуры, что доказывает эффективность применения комплексного подхода исследования структур.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИФФУЗИОННО-БАРЬЕРНОГО СЛОЯ TIN
При нанесении TiN часто возникают проблемы, связанные со сложностью формирования слоев стехиометричного нитрида титана. Нитридные пленки наносятся в многостадийном технологическом процессе осаждения из газовой фазы из металлоорганического прекурсора с последующим уплотнением в плазме тлеющего разряда, в результате чего возможно создание нескольких подслоев различной плотности и стехиометрии. Метод рентгеновской рефлектометрии позволяет рассчитать плотности подслоев, однако из-за возникающей неоднозначности "плотность – шероховатость" анализ структуры этим методом может оказаться затруднительным. Для разрешения этой неоднозначности в данной работе применяется метод диффузного рассеяния рентгеновского излучения. На рис.4 и 5 представлены рефлектограмма диффузионно-барьерного слоя TiN и кривая диффузного рассеяния соответственно. Результаты методов рефлектометрии и диффузного рассеяния представлены в табл.2.
При обобщении данных о фазовом составе, плотности, шероховатости были идентифицированы подслои в пленке TiN. Тонкий аморфный подслой TiNOx с плотностью 3,1 г/см3 на поверхности диффузионно-барьерного слоя является TiNOx, окисленным в атмосфере воздуха вследствие отсутствия верхнего защитного слоя и наличия остаточного заряда в приповерхностной области после обработки в плазме. Тонкий аморфный подслой TiNy с плотностью 2,2 г/см3, сформировавшийся на границе со слоем диоксида кремния, представляет собой рыхлую пленку, полностью не уплотненную и не кристаллизованную обработкой в плазменной среде. Привлечение данных диффузионного рассеяния рентгеновского излучения показало, что шероховатость в образце минимальна и что вид измеренной рефлектограммы определяется наличием нескольких неучтенных подслоев в исследуемой структуре.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как показали результаты исследования, для анализа базовых параметров тонких пленок единственного метода бывает недостаточно для получения достоверной информации о структуре объекта и последующей корректировки этих параметров в соответствии с предъявляемыми требованиями технологического процесса. Это связано со следующим: во-первых, точность методики и возникшие физические ограничения при исследовании объекта не во всех случаях позволяют применять тот или иной метод; во-вторых, при использовании конкретного метода могут возникать различные проблемы, связанные с особенностями применения той или иной методики, к примеру, для рентгеновской рефлектометрии – это наличие неоднозначностей "плотность – шероховатость", для рефрактометрии – ограничение на измерение слоев с толщиной менее нескольких десятков нанометров. Особенно часто вышеописанные проблемы возникают при исследовании структур наноразмерных масштабов или наличии таких объектов на тонкопленочных образцах. Поэтому в рамках данной работы было предложено использовать несколько методов исследования и объединить их в виде комплексного подхода, позволяющего не только повысить точность измерений, но и изучить особенности формирования структур в рамках используемых технологических процессов.
В дальнейшем планируется адаптация данного самосогласованного подхода к методам рентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализа для исследования элементного и фазового состава объектов, в том числе и для анализа рудных полезных ископаемых. Это позволит не только получать более полную и детальную картину об исследуемых объектах, но и увеличить порог чувствительности обнаружения отдельных элементов, не выявляемых отдельными методами анализа.
Исследование выполнено при грантовом финансировании по научным и (или) научно-техническим проектам на 2018–2020 годы Республики Казахстан (проект № AP05133354).
ЛИТЕРАТУРА
Виноградов А.В. Зеркальная рентгеновская оптика – Л.: Машиностроение, 1989. 463 с.
Турьянский А.Г., Пиршин И.В., Тулеушев Ю.Ж. Наблюдение рефракции рентгеновского излучения в слабо поглощающих тонких пленках бериллия и углерода // Приборы и техника эксперимента. 2009. №1. С. 125–134.
Попов Н.Л., Успенский Ю.А., Турьянский А.Г., Пиршин И.В., Виноградов А.В., Платонов Ю.Я. Определение параметров многослойных наноструктур с помощью двухволновой рентгеновской рефлектометрии // ФТП. 2003. Т. 37. Вып. 6.
Петраков Д.С. Программный комплекс автоматизированной оценки технологических параметров многослойных тонкопленочных наноструктур на основе экспериментальных данных, полученных методами относительной двухволновой рентгеновской рефлектометрии и рефрактометрии / Свид. № 2014610671 РФ, правообладатель НИУ МИЭТ (RU). – №2013660617; заявл. 19.11.13; опубл. 15.01.14, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.
Волоховский А.Д., Герасименко Н.Н., Петраков Д.С. Применение комбинированной методики оптической скаттерометрии для контроля процесса травления щелевой изоляции // Известия вузов. Электроника. 2017. Т. 22. № 4. С. 331–340.
Volkov Yu.O., Kozhevnikov I.V., Roshchin B.S., Filatova E.O., Asadchikov V.E. Model approach to solving the inverse problem of X-ray reflectometry and its application to the study of the internal structure of hafnium oxide films // Crystallography Reports. 2013. T. 58. Is. 1. PP. 160–167.
Герасименко Н.Н., Смирнов Д.И., Турьянский А.Г. Новые рентгеновские измерительные системы с микрофокусными источниками для диагностики твердотельных микро- и наноструктур // Наноиндустрия. 2015. Т. 56. Вып. 2.
С. 58–69.
Marsik P., Verdonck P., De Roest D. Porogen residues detection in optical properties of low-k dielectrics cured by UV radiation // Thin Solid Films. 2010. Vol. 518. Is. 15. PP. 4266–4272.
Смирнов Д.И., Гиниятуллин Р.М., Зюльков И.Ю. Проблемы измерения параметров элементов и структур современной микро- и наноэлектроники на примере диффузионно-барьерных структур TiN/Ti // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39. Вып. 14. С. 34–42.
Отзывы читателей
