Полупроводниковая тестовая микроструктура для интегральной схемы

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 004 3(51)4 Н 01 Ь 27 0 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТЕЛ ЬСТВ К АВТОРСКОМ. (54) (57) ПОЛУПРО МИКРО СТРУКТУРАИЫ, содержащая п ложку, последова на ней диэлектри слой, повторяющи ральной схемы, о ОДНИКОВАЯ ТЕСТОВАЯ ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕлупроводниковую подтельно расположенные ческие и проводящие е структуру интегтлич ающаяМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ 3231372/18-2504,01.8123.04.88. Бюл. У 15В.ф.Трегубов621.382.002 (088.8)Кармазинский А.Н. Морвых структур для исслральных схем на МДП -Микроэлектроника, вс. 121-133.тент США У 3564354,17-235, опублик. 1971 с я тем, что, с целью повышенияточности технологического контролямикрогеометрии элементов слоев интегральных схем, она выполнена так,что одна часть этой структуры воспроизводит геометрию диэлектрических и проводящих слоев, рабочего участка интегральной схемы, а другаячасть представляет собой выступающие друг из-под друга микроучасткиконтролируемых слоев, образующихрабочий участок, заканчивающиеся торцами, выполненными перпендикулярноподложке и боковым поверхностям пленок, образующих ступеньки для вышележащих пленок, и позволяющими визуализировать профили травления и толщины пленок на участках, прикрытыхна интегральной схеме вышележащимислоями.Предлагаемое изобретение относится к микроэлектронике, а предлагаемая структура может быть использована как тестовая в технологии произ 5 водства полупроводниковых интегральных схем для межоперационного контроля, отработки и корректировки изготовления, анализа брака и отказов.Известна тестовая структура для определения параметров интегральных схем, представляющая собой паразитный транзистор, состоящий из кремниевой подложки, в которой сформированы исток и сток транзисторов, диэлектрической пленки из двуокиси кремния и алюминиевой металлизации, обеспечивающей контакты с истоком, стоком и лежащим на диэлектрической пленке затвором и содержащей три контактные площадки для подсоединения этих областей к установке измерения электрофизических параметров.Недостатком тестовой структуры является то, что ее топология (кон струкция) непригодна для точного контроля микрогеометрии отдельных элементов и микроучастков современных микросхем высокой степени интеграции, например, путем использования растрового электронного микроскопа, значимость которого в производстве интегральных схем будет расти вместе с ростом степени интеграции их элементов.Например, невозможно получение нужной информации в тех случаях, когда необходимо выявление формы краев (профиля) элементов нижележащих слоев (козырьков сверху, локальных подтравливаний снизу и тому подобных откло-. нений от плоскости, определяющей клин травления пленки в ее средней части) или когда нужна количественная оценка утоньшения пленок на ступеньках,45 образованных Фотолитографией в нижележащих слоях, и тому подобно влияния микрогеометрии на параметры интег- . ральных схем.Непригодность топологии обусловлена прежде всего тем, что вышележащие слои закрывают элементы нижележащих слоев и топология отдельных слоев не приспособлена для контроля с помощью растрового электронного микроскопа (иапример, если в верхнем слое структуры вскрыть окно простой формы квадратное, то точный профиль травления края этого слоя не выявить и с помощью растрового электроного микроскопа).Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является полупроводниковая тестовая микроструктура, содержащая полупроводниковую подложку, последовательно расположенные на ней диэлектрические и проводящие слои, повторяющие структуру интегральной схемы.Контроль параметров интегральной схемы с помощью такой тестовой структуры осуществляется измерением ее характеристик после подключения к установке измерения электрофизических параметров.Эта и ей подобные тестовые структуры позволяют простыми .средствами выявлять сам факт брака в любых слоях, но оказываются недостаточно эффективными при выяснении технологических первопричин брака и корректировке технологии изготовления.Таким образом, недостаток тот же, что и у аналога; ее топология не обеспечивает точного технологического контроля микрогеометрии элементов слоев интегральных схем.Целью изобретения является повышение точности технологического контроля микрогеометрии элементов слоев интегральных схем.Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковой тестовой микроструктуре, содержащий полупроводниковую подложку, последовательно расположенные на ней диэлектрические и проводящие слои, повторяющие структуру интегральной схемы, одна часть этой структуры воспроизводит геометрию диэлектрических и проводящих слоев рабочего участка интегральной схемы, а другая часть представляет собой выступающие друг изпод друга микроучастки контролируемых слоев, образующих рабочий участок, заканчивающиеся торцами, выполненными перпендикулярно подложке и боковым поверхностям пленок, образующих ступеньки для вышележаащих пленок, и позволяющими визуализировать профили травления и толщины пленок на участках, прикрытых на интегральной схеме вышележащими слоями.На фиг. 1 приведена топология микроструктуры для определения причин разрывов алюминиевых пленок накраях контактных окон в диэлектрических слоях на фиг,2 - топологияструктуры для контроля степени сплавления фосфорносиликатного стекла иопределения причин разрывов алюминиевых пленок на ступеньках в слоестекла, на фиг.3 - топология структуры для количественной оценки утоньшения межслойной изоляции на краяхэлементов нижележащего проводящего.слоя. На кремниевой подложке 1 (фиг. 1)последовательно расположены слои издвуокиси кремния 2 и фосфорносиликатного стекла 3, в каждом из которых выполнены несколько отличающиеся по размерам окна такой формы,чтов центре структуры образованы двележащие друг на друге пленки крестообразной формы, нижняя из которых совсех сторон выступает из-под верхней. Невытравленные участки слоя 2заштрихованы параллельными линиямиодного направления, а слоя.3 - другого направления (следовательно, научастках, содержащих пересекающиесялинии обоих направлений, имеются идвуокись кремния, и фосфорносиликатное стекло). Поверх диэлектрических слоев лежит слой 4 алюминия так,что он проходит через их края, имитируя тем самым соответствующий участок интегральной схемы. Топологияслоя 4 проста (квадрат в центреструктуры) и для упрощения чертежаеще один вид штриховки не вводится,а показаны лишь границы пленки.На участке, отмеченном кружком(фиг.1), каждый из невытравленныхучастков слоев 2 и 3 имеет прямойугол, что обеспечивает выявлениеформы огибающей линии. (профиля травления) краев этих слоев. При просмотре в направлении стрелки этого участка в растровом электронном микроскопе можно одновременно визуализировать (сфотографировать) и возможное место разрыва слоя алюминия накраях диэлектрических слоев, а клинтравления этих слоев, который обычно непостоянен по высоте,Неудовлетворительная форма краевэлементов (козырьки, подтравы и т.д.)создающих ступеньки для алюминиевого слоя, является одной из главныхпричин возможных разрывов последнегои отсутствия контакта с подложкойТаким образом, структура, приведенная на фиг,1, позволяет выяснить технологические причины брака в слоях, прикрытых на рабочем участке интегральной схемы другими слоями, а также может использоваться для отработки технологии, межоперационного и 55(другая причина - плохо отработанныйпроцесс напыления алюминия). В случае разрыва алюминиевого слоя предлагаемая микроструктура позволяет 5не только унидеть разрыв, но и поформе профиля травления каждого диэлектрического слоя определить необходииость доработки режима травления конкретногослоя (для получения профиля ступенек нужной формы)и контролировать сам процесс доработки, тогда как по структуре, подобной прототипу, легко установить 15 лишь сам факт разрыва.Крестообразность формы диэлектрических слоев, образующих в структуреступеньки, позволяет проводить обследование их краев с четырех сторон,причем с каждой стороны можно обследовать профили, как минимум, двухступенек одного слоя, боковые поверхности которых обращены в противоположные стороны (это важно, так как 25 форма профиля травления при фотолитографии может зависеть, например,даже от направления погружения в травитель кремниевой пластины и поэтому противоположные края одного и того же элемента в слое могут иметьразный клин травления, что в конечном счете может привести к односторонним разрывам алюминиевых планок),В связи с этим, нужно отметить, чтона фиг. 1-3 кружками отмечены для 35простоты только по одному участкуобследования, тогда как на каждойиз них имеется по восемь подобныхпо топологии участков, каждый из 40 которых может иметь несколько отличающиеся профили травления краев одного и того же слоя, характеризуясоответственно расположенные краяэлементов на интегральной схеме иобеспечивая возможность обойтись одной структурой вместо нескольких.Кроме того, структуры содержат и понескольку одинаково расположенныхступенек (фиг.1-3), что исключаетслучайность в определении профилякраев и толщин пленок.5 10 15 20 периодического контроля и анализаотказов.Другим примером конкретного ис-.полнения является микроструктура дляпериодического контроля режима оплавления фосфорносиликатного стеклаи анализа причин брака и отказов металлизации (топология дана на фиг,2),На кремниевую подложку нанесен сплошной слой двуокиси кремния, на которомсформирован слой 5 из поликристаллического кремния крестообразной формы,на который, в свою очередь, последовательно нанесены два сплошных слоя -второй слой двуокиси кремния и слой3 фосфорносиликатного стекла, а сверху сформирован квадратный алюминиевыйслой 4, Для упрощения чертежа подложка и сплошные слои отмечены общейштриховкой одного направления, слой 5поликремния - штриховкой другого направления, а слой алюминия 4 не заштрихован и показаны лишь его границы,При просмотре в направлении стрелки участка этой структуры, отмеченного кцужком (фиг.2), в растровомэлектронном микроскопе можно опреДелить качество оплавления фосфорносиликатного стекла, влияющее на целостность алюминиевой металлизациив районе ступеньки, образованной краем слоя поликремния,На фиг,3 показан еще один важныйпример конкретного исполнения и применения предлагаемых микроструктур -топология структуры для количественной оценки качества межслойной изоляции и борьбы с утечками и низкимипробивными напряжениями диэлектрических слоев. На кремниевой подложкерасположен сплошной слой 2 двуокисикремния, на котором сформирован по ликремниевый слой 5 крестообразнойформы. Над ним последовательно сформированы два одинаковых по размерудиэлектрических слоя крестообразнойформы из двуокиси кремния и фосфорносиликатного стекла, границы которых совпадают, Поверх слоя стеклалежит алюминиевый слой квадратнойформы. Для упрощения чертежа подложка и слои 2 и 4 не заштрихованы,слои 3 отмечены общей штриховкойодного направления, а слой 5 - штриховкой другого направления.В такой структуре могут возникнуть утечки и снижается пробивные на 25 30 35 40 45 50 55 пряжения иэ-за утоньшения диэлектрических слоев на острых или отвесных краях поликремниевого слоя. При просмотре в направлении стрелки участка этой структуры, отмеченного кружкЬм (фиг. 3), в растровом электронном микроскопе можно увидеть в одном поле зрения (и сфотографировать) боковые поверхности (торцы) и профили травления почти всех слоев, что позволяет;а) оценить толщину диэлектриков в самом тонком, месте (на краю поли- кремниевого слоя) и выявить ее зависимость от клина травления (формы края) поликремниевого слоя и режимов нанесения и оплавления фосфорносиликатного стекла;б) выяснить причины возможных разрывов алюминиевого слоя на ступеньках оплавленного и неоплавленного стекла;в) выбрать режимы травления поликремния, нанесения диэлектрическихслоев и оплавления фосфорносиликатного стекла,Полупроводниковые микроструктуры(фиг.1-3) не только воспроизводятситуацию на соответствующем участкеинтегральной схемы, но и содержатокна, выполняющие два назначения,открывают доступ к элементам нижележащих слоев для прямого контроляих геометрии и формируют микроучастки, по которым удобно визуализироватьпрофиль травления краев элементов,создающих ступеньки для вышележащихслоев, и толщины слоев на критических участках.Такая конструкция микроструктуробеспечивает возможность эффективного применения для контроля растрового электронного микроскопа,имеющего значительно большую разрешающую способность и глубину фокуса,чемиспользуемый для контроля структуроптический микроскоп.Вышеописанные конструкции структур занимают очень мало площади идля них легко найти свободный участок порядка 30 х 30 или 50 х 50 мкммежду элементами интегральной схемы,например, в районе контактных площадок.К достоинствам предлагаемых структур следует отнести и то, что, благодаря наличию окон в вышележащих слоях, при анализе причин брака илиотказов можно обойтись без послойного травления, тем более, что оно невсегда приводит к успеху в связи, стем что дефектное место травится подругим законам, чем бездефектное.Этопозволит более точно определить случаен ли дефект, приведший к бракуили отказу, или он был обусловленодним из неудачно проведенных техпроцессов,Как и в случае обычных тестовых структур, предлагаемые микрострукту ры не требуют специального времени для изготовления: они включаются в топологический чертеж интегральной схемы и изготавливаются фотолитографией одновременно с самой интегральной схемой.Технико-экономическая эффективность от внедрения в отрасли предлагаемого изобретения для микросхем с большой степенью интеграции буДет сравнима с тем эффектом, который дало внедрение обычных тестовых структур для интегральных схем вообще.1044203 Фиг,2 3актор Н,Сильнягина Техред А.Кравчук Корректор И.Эрдейи аказ 3375ВН 1130 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. П ая Тираж 746 П И Государственного коми делам изобретений и от Москва, Ж, Раушская дписноеета СССрытийаб., д.