Цветовой метод измерения толщины пленок диэлектриков

Сравнительные характеристики методов определения толщины тонких слоев в полупроводниковых структурах

Метод	Тип структур	Диапазон толщин	Погреш-ность, %	Спектр. диапазон, мкм	Достоинства и ограничения метода
ИК Интерферо-метрия	p - n⁺, p - p ⁺ n - p⁺, n - n ⁺	1 – 80 мкм	5 – 8	2 – 40	Неразрушающий ρ _слоя>0.1 Ом·см, ρ _{подложки}<0.01 Ом·см
ИК Фурье спектроскопия	p - n⁺, p - p ⁺ n - p⁺, n - n ⁺	1 – 100 мкм	1 – 7	2 – 40	Неразрушающий. ρ _слоя>0.1 Ом·см, ρ _{подложки}<0.01 Ом·см
Интерферомет-рия в видимой области	Гетероструктуры (КНС; Si^*- диэлек-трик - Si; феррит-гранаты)	0,2 – 3 мкм		0,4 – 0,7	Неразрушающий
Интерферомет-рия в ИК- и видимой областях для изучения рельефа	Структуры со сту-пеньками и канав-ками в полупровод-никах и диэлектри-ках	0,2 – 10 мкм	5 – 10	0,4 – 20	Неразрушающий
Сопоставления цветов	Прозрачные диэлектрические слои на полупроводнико-вых подложках (на-пример, SiO₂ или Si₃N₄ на Si)	0,05 – 0,7 мкм	10 – 20	0,4 – 0,7	Неразрушающий
Сопоставления цветов	Тонкие слои Si^* на SiO₂	0,3 – 0,7 мкм	2 – 7	0,4 – 0,7	Неразрушающий
Декорирование шлифа	Любые комбинации гете-ро- и гомо-эпитак-сиальных структур, уровни легирова-ния должны отли-чаться не менее чем в 10 раз	0,1 – 25 мкм		0,4 – 0,7	Разрушающий
ИК-эллипсометрия	p - n⁺, p - p ⁺ n - p⁺, n - n ⁺	0,1 – 2 мкм	3 – 5	λ=10,6 мкм СО₂-лазер	Неразрушающий
Эллипсометрия в видимой области	Диэлектрические пленки	1 – 1000 нм	3 – 5	0,4 – 0,7 λ=623,8 нм He-Ne-лазер	Неразрушающий
Монослои полупроводников	1 – 100 нм	0,5 – 2

Для определения толщины пленки диэлектрика, например, термической SiO₂ можно использовать интерференционные цвета, возникающие при отражении белого света у границы окисел - воздух. Окраска создается равномерным белым светом за вычетом той его части, которая участвует в гасящей интерференции. Условие гасящей интерференции записывается следующим образом:

где k = 1, 2, 3,...; п – коэффициент преломления пленки.

При наличии не поглощающего воздушного клина между двумя прозрачными стеклянными пластинками отсутствие некоторых компонент спектра в отраженной волне воспринимается глазом как определенный цвет. Такое устройство аналогично применяемому в опыте Физо, но только вместо монохроматического света здесь используется белый. Падающая и отраженная волны являются дополнительными вместе они дают белый свет.

В случае структуры воздух - окисел - кремний следует учесть два важных фактора:

1) коэффициент преломления окисла больше единицы;

2) кремний поглощает излучение в видимой части спектра.

Влияние первого фактора выражается в увеличении оптической длины пути. Замена прозрачного слоя поглощающим материалом означает, что та часть спектра, которая раньше пропускалась, теперь поглощается, но состав отраженной волны при этом не меняется. Следовательно, и соотношение между цветом и толщиной пленки должно быть таким же, как и в случае пленки, нанесенной на прозрачную стеклянную пластинку.

Определение цвета является весьма субъективной процедурой, сильно зависящей от индивидуальных особенностей наблюдателя. Так, например, слово «красный» может означать любой оттенок, начиная от ярко-красного и кончая бледно-малиновым. В пленках из двуокиси кремния наблюдается только этот последний тон.

В таблице 6.1. приведены экспериментально установленные соотношения между толщиной и подробным описанием различных цветовых оттенков термически выращенных слоев двуокиси кремния на кремнии. Из таблицы следует, что определить толщину пленки двуокиси кремния при толщинах менее 50 нм невозможно.

Трудности, возникающие при пользовании этой таблицей, также достаточно очевидны.

Цвета, указанные в таблице, наблюдаются при нормальном падении света. При косом освещении цвет пленки изменяется в зависимости от ее толщины и коэффициента преломления. Зная эту зависимость, можно различать между собой окислы с одинаковой окраской, относящейся к интерференционным максимумам различного порядка. Красный цвет первого порядка и красный третьего порядка кажутся одинаковыми при нормальном освещении, но при косом освещении они заметно различаются.

Для совершенно независимого определения толщины слоя двуокиси кремния по его интерференционной окраске, необходимо иметь не только таблицу цветов, но и рабочие эталоны с калиброванными толщинами двуокиси кремния, которые можно поместить рядом с измеряемыми и рассматривать при различных углах падения света.

Таблица 6.1. Цвета термической двуокиси кремния при наблюдении в прямом свете

d _SiO2, мкм	Порядок λ =5450 A°	Цвет
0.05 0.07 0.10 0.12 0.15		Рыжевато-коричневый Коричневый Темно-фиолетовый с красно-фиолетовым оттенком Ярко-синий Светло-синий с металлическим отливом
0.17 0.20 0.22 0.25 0.27 0.30 0.31 0.32 0.34 0.35	I	Между металлическим и очень светлым желто-зеленым Светло-золотой с желтизной и легким металлическим оттенком Золотой с легким желто-оранжевым оттенком Оранжевый с оттенком дыни Красно-фиолетовый Синий с фиолетово-синим оттенком Голубой Между голубым и голубовато-зеленым Светло-зеленый Между зеленым и желто-зеленым
0.36 0.37 0.39 0.41 0.42 0.44 0.46 0.47 0.48 0.49 0.50 0.52 0.54	II	Желто-зеленый Зеленовато-желтый Желтый Светло-оранжевый Розовой гвоздики Фиолетово-красный Красно-фиолетовый Фиолетовый Сине-фиолетовый Синий Сине-зеленый Зеленый (основной) Желто-зеленый
0.56 0.57 0.58 0.60 0.63 0.68	III	Зеленовато-желтый Между желтым и «желтоватым» (не желтый, но находится в той части спектра, желтый; иногда он кажется серым с кремовым оттенком) Светло-оранжевый или желтый, граничащий с розовым Розовой гвоздики Фиолетово-красный «Синеватый» (не синий, а на границе между фиолетовым и сине-зеленым; выглядит как смесь фиолетово-красного и сине-зеленого и кажется сероватым)
0.72 0.77 0.80 0.82 0.85 0.86 0.87 0.89	IV	Между синевато-зеленым и зеленым (довольно широкий) «Желтоватый» Оранжевый (довольно широкий) Оранжево-розовый Светлый красно-фиолетовый (тусклый) Фиолетовый Голубовато-фиолетовый Голубой
d _SiO2, мкм	Порядок λ =5450 A°	Цвет
0.92 0.95 0.97 0.99 1.00 1.02 1.05 1.06 1.07 1.10 1.11	V	Голубовато-зеленый Тусклый желто-зеленый Между желтым и «желтоватым» Оранжевый Розовой гвоздики Фиолетово-красный Красно-фиолетовый Фиолетовый Голубовато-фиолетовый Зеленый Желто-зеленый
1.12 1.18 1.19 1.21 1.24 1.25 1.28 1.32	VI	Зеленый Фиолетовый Красно-фиолетовый Фиолетово-красный Между цветом розовой гвоздики и оранжево-розовым Оранжевый «Желтоватый» Между небесно-голубым и зеленовато-голубым
1.40 1.45 1.46	VII	Оранжевый Фиолетовый Голубовато-фиолетовый
1.50 1.54	VIII	Голубой Тусклый желто-зеленый

Можно обойтись и без эталонных образцов, если толщина окисла известна (например, из условий роста) с точностью не хуже чем 0.5 порядка: ±(750 А° – 1000 А°). На практике это требование обычно выполняется.

Кроме того, порядок цвета можно определить, если стравить часть двуокиси кремния в травителе на основе фтористоводородной кислоты, и визуально проанализировать клин травления слоя двуокиси кремния.