WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

АПРЕЛОВ СЕРГЕЙ АРКАДЬЕВИЧ МНОГОВОЛНОВАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННО УПОРЯДОЧЕННЫХ СТРУКТУР Специальность 01.04.10 – Физика полупроводников.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2007 г.

Работа выполнена в лаборатории радиационных методов технологии и анализа государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский Государственный Институт Электронной Техники (Технический Университет)».

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Герасименко Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Хмелевская Вита Сергеевна доктор технических наук, профессор Тимошенков Сергей Петрович

Ведущая организация:

Московский Государственный Институт Электроники и Математики

Защита состоится «22» мая 2007 г. в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.134.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский Государственный Институт Электронной Техники» по адресу: 124498, г. Москва, Зеленоград проезд 4806, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан « » 2007 г.

Соискатель Апрелов С.А.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Неустроев С.А.

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Развитие микро- и наноэлектроники требует все более совершенных методов исследования ультратонких приповерхностных слоев и эпитаксиальных пленок. Особенно интересными для исследований представляются упорядоченные многослойные структуры (МС) на основе таких пленок. Слоистые структуры играют фундаментальную роль в современной технологии. В рентгеновской оптике МС используются для создания рентгеновских зеркал различных диапазонов излучения. В полупроводниковой наноэлектронике МС используются для создания квантовых ям, а в приборостроении – для лазеров, солнечных элементов, СВЧ-генераторов и т.д. Наибольший интерес для технологов и исследователей представляют профили распределения электронной плотности и магнитных аномалий вблизи поверхности и на границах раздела МС. Основной целью таких исследований является контроль технологических параметров (толщина, композиция состава, величина шероховатости), поскольку даже небольшая их модификация в некоторых случаях может повлечь критические изменения служебных характеристик конечных приборов на основе МС.

Существует целый спектр методов для контроля параметров МС:

просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), эллипсометрия, рентгеновская рефлектометрия, рамановская спектроскопия и др. Метод ПЭМ позволяет извлекать информацию о структуре отдельных межслойных границ, включая проявления межслойной диффузии и химических реакций. Эллипсометрия применяется для точного определения толщин и диэлектрических проницаемостей тонких пленок.

Однако, наиболее гибкими и точными, на наш взгляд, являются рентгеновские методы контроля параметров МС, основанные на измерении угловой зависимости интенсивности зеркального отражения и интенсивности рассеяния. Исследование диаграммы зеркального отражения рентгеновского излучения позволяет судить о толщинах, плотностях слоев, учитывать интегральные параметры шероховатости поверхности и ширины границ раздела слоев, а анализ рассеяния позволяет получить среднестатистическую шероховатость межслойных границ. Рентгеновские методы являются доступными, они не разрушают изучаемые образцы, позволяют проводить исследования на достаточно больших глубинах и не зависят от химического состояния образцов. Рентгеновские методы хорошо изучены и широко применяются в практике.

В то же время существуют задачи, в которых применение перечисленных выше методик не дает однозначного результата, а определение параметров МС, в том числе, и степени ее пространственной упорядоченности, связано с большими трудностями.

Среди таких задач:

• Определение параметров широко используемых в электронном производстве дискретных слоистых структур на поверхности подложек (окна, дорожки, полученные с помощью литографии).

• Исследование сверхтонких пленок металлов и силицидов на подложках различных материалов и контроль параметров таких структур: толщин, ширин границ раздела, плотностей слоев, однородности композиций их состава.

• Исследования упорядочения слоев в многослойных системах, контроль толщин и границ раздела таких структур.

• Анализ упорядочения структур на поверхности, исследование шероховатости поверхности.

Цель работы Целью данной работы является исследование возможностей метода многоволновой рентгеновской рефлектометрии для анализа параметров нанометровых структур, в том числе, пространственно упорядоченных.

Для этого в работе проводятся измерения параметров МС с помощью этого метода, а также делается попытка связать методы исследования морфологии поверхности рентгеновскими и зондовыми методами на основе фрактального подхода к анализу поверхности.

Научная новизна 1. Установлено, что использование двухволновой рентгеновской рефлектометрии позволяет не только определять характеристики широко используемых в электронном производстве локально неоднородных пленок на поверхности подложек, таких как толщина, плотность, композиция состава, но и определять процент заполнения пленкой исследуемой области.

2. Установлено, что вычисление параметров тонких пленок, опираясь на отношение интенсивностей, позволяет не только избавиться от влияния геометрических факторов, приборных эффектов и др., но также имеет принципиальное преимущество. Набор переменных в этом случае сокращается до одного фиксированного значения, которое, как наиболее точное, дает удовлетворительные результаты при выявлении расчетного значения и сравнения его с экспериментом. В том числе, использование отношения позволяет существенно сократить время, затрачиваемое на вычисления, и увеличить точность расчета параметров структуры.

3. Обнаружено, что применение рентгеновских методов для анализа упорядоченных систем с использованием фрактального подхода позволяет судить о степени упорядоченности системы, основываясь на количественном диагностическом показателе – фрактальной размерности.

Практическая ценность В работе предложен метод экспресс-анализа МС на основе двухволновой рентгеновской рефлектометрии, позволяющий не только проводить точный оперативный анализ результатов исследования состава и структурных особенностей МС, включая пространственную упорядоченность как на поверхности, так и в объеме, но и контролировать другие методы исследования параметров МС.

Предложен метод исследования параметров дискретных структур сформированных на поверхности с помощью литографии или напылением через маску на основе анализа экспериментальных данных двухволновой рентгеновской рефлектометрии.

Разработано программное обеспечение для анализа экспериментальных результатов исследования методом многоволновой (относительной) рентгеновской рефлектометрии с применением генетического алгоритма оптимизации.

Предложена новая методика анализа поверхности структур с упорядоченными и неупорядоченными объектами, основанная на фрактальном анализе.

Положения, выносимые на защиту – Использование при расчете отношения интенсивностей отражения на нескольких длинах волн позволяет увеличить точность определения параметров структуры и избежать ошибок расчета возможных при использовании данных только одной длины волны.

– Относительная (многоволновая) рентгеновская рефлектометрия позволяет прецизионно определять толщины и плотности сформированных дискретных структур, а также проводить контроль качества границ раздела таких пленок и выявлять наличие загрязняющих слоев или оксидов.

– В отличие от одноволновой измерительной схемы, многоволновая рефлектометрия позволяет выявить процент заполнения дискретной пленкой исследуемой области образца.

– Многоволновая рентгеновская рефлектометрия может быть успешно использована для точного определения параметров МС, включая пространственное упорядочение.

– Фрактальная размерность может быть использована в качестве количественного диагностического параметра, характеризующего степень упорядоченности объектов на поверхности и в объеме, с привлечением рентгеновских методов, позволяющих определять фрактальные параметры исследуемых объектов в объеме.

Личный вклад автора Основные эксперименты были спланированы автором совместно с научным руководителем. Самостоятельно выполнялись подготовка образцов, а также анализ результатов. Рефлектометрические измерения проводились на экспериментальной установке в ФИАН г. Москва совместно с И.В. Пиршиным и приборе «X-ray Minilab» в ИРО г. Москва совместно с В.М. Сенковым. Автором разработано программное обеспечение для анализа экспериментальных результатов и моделирования, используемое в работе.

Образцы рентгеновских зеркал были предоставлены проф.

И.С. Смирновым (МИЭМ, г. Москва), проф. Н.Н. Салащенко (ИФМ РАН, г. Н.-Новгород), с.н.с Ф.А. Пудониным (ФИАН г. Москва).

Ионная имплантация производилась вед. инж. А.Н. Тарасенковым (ТЦ МИЭТ). Исследования образцов дополнительными методами выполнялись в ЦКП МИСИС г. Москва (Е.А. Скрылва, К.Д. Щербачев).

Апробация работы Результаты работы регулярно публиковались в журналах Российской Федерации, а также в известных международных журналах, посвященных различным аспектам радиационной физики и технологии твердотельной микроэлектроники.

Полученные результаты были представлены и обсуждались в докладах на международных конференциях, конгрессах и семинарах:

Междисциплинарном семинаре «Фракталы и прикладная синергетика» (Москва, 2003 г.), 5-й Международной конференции «Ионная имплантация и другие применения ионов и электронов» (ION-Казимеж-Долный, Польша, 2004 г.), 2-й Международной конференции «Рентгеновская и нейтронная капиллярная оптика» (Звенигород, г.), 6-м и 7-м Международном Уральском Семинаре «Радиационная физика металлов и сплавов» (Снежинск, 2005, 2007 г.), 17-й Международной конференции «Анализ ионными пучками» (Испания 2005 г.), 17-й Международной конференции «Взаимодействие ионов с твердым телом» (Звенигород, 2005 г.), 18-й Международной конференции «Рентгеновская оптика и микроанализ» (Италия, 2005 г), 14-й Международной конференции «Модификация поверхности ионными пучками» (Турция 2005 г.), 16-й Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям (Обнинск, 2006 г.), Европейской конференции «Рентгеновская спектрометрия» (Париж, 2006 г.), 15-й Международной конференции «Модификация твердых тел ионными пучками» (Италия, 2006 г.), Всероссийской конференции инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалов» (Зеленоград, 2006).

В рамках школы молодого докладчика на 7-м Международном Уральском Семинаре доклад был отмечен 2-й премией фонда Селии Эллиотт.

Публикации По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа, в том числе, 6 статей в научных журналах и сборниках и 15 докладов, либо тезисов, на международных конференциях. Список указанных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырх глав и заключения.

Объем диссертации составляет 123 страниц. Работа содержит рисунка и 14 таблиц. Список литературы состоит из 133 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во Введении обоснована актуальность темы исследований, обозначены задачи и цели данной работы. Кроме того, в начальной части работы изложены ее основные структурные компоненты: научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о структуре и содержании работы.

Глава 1 носит обзорный характер и посвящена проблеме применения рентгеновских методов исследования для анализа параметров многокомпонентных структур, в том числе, упорядоченных.

В первой части приведн обзор литературы, посвященный применению методов рентгеновской рефлектометрии и рентгеновского рассеяния. Подробно описываются механизмы, которые лежат в основе метода рентгеновской рефлектометрии. Приведены физические модели и математические выражения.

Рассмотрены особенности применения метода двухволновой рентгеновской рефлектометрии, и проанализированы его основные отличия от метода стандартной (одноволновой) рефлектометрии.

Также, в первой части главы приведн обзор литературы, посвященный применению генетического алгоритма и его модификаций для оптимизации поиска глобального минимума функционала невязки, и рассмотрены мировые результаты применения подобного рода алгоритмов к решению обратной задачи рентгеновской рефлектометрии.

Во второй части главы обсуждаются экспериментальные и математические методы исследования упорядоченности микро- и наноструктур. Рассмотрено понятие фрактальной размерности, как наиболее перспективного параметра, характеризующего морфологию поверхности, а также приведено описание методов расчта этого параметра исходя из экспериментальных данных атомно-силовой микроскопии и рентгеновского рассеяния.

В заключение главы обосновывается и формулируется направление исследований и основная цель настоящей работы.

Глава 2 посвящена исследованию методом многоволновой рентгеновской рефлектометрии параметров тонких пленок металлов и силицидов, структур подвергшихся технологической обработке (отжигу), а также дискретных структур наноразмерной толщины, полученных напылением через маску или с помощью литографии.

В первой части главы приведены результаты исследования тонких плнок металлов и силицидов металлов. В качестве экспериментальных образцов нами были выбраны тонкие пленки Ni, NiSi и NiSi2 на кремниевых подложках, а также Ni на SiOx. Силицид никеля используется в полупроводниковой технологии, в частности при изготовлении КМОП устройств, в качестве материала для создания контактов и межсоединений [1] и представляется перспективным материалом для применения в устройствах нанометрового масштаба.

Исследования осуществлялись на рентгеновском многоволновом рефлектометре «X-Ray Minilab» производства «UNISANTIS».

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»