CC BY
4МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЙ MEASUREMENT METHODS AND TECHNOLOGY
УДК 621.386
Применение двухволновой рентгенооптической схемы совместных измерений зеркального отражения и диффузного рассеяния рентгеновского излучения для исследования многослойных тонкопленочных структур
Д.И. Смирнов1'2, Н.Н. Герасименко1'2'3, В.В. Овчинников4
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
2
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
3Национальный исследовательский Томский государственный университет 4Институт электрофизики Уральского отделения РАН (г. Екатеринбург)
Application of a Two-Wave X-Ray Optical Scheme of Joint Measurement of Specular Reflection and Diffuse X-Ray Scattering for investigations of Multilayer Thin-Film Structures
D.I. Smirnov1'2, N.N. Gerasimenko1'2'3, V. V. Ovchinnikov4
1National Research University of Electronic Technology, Moscow 2The Lebedev Physical Institute of RAS, Moscow 3National Research Tomsk State University
4The Institute of Electrophysics of the Ural Division of RAS, Ekaterinburg
Представлены результаты комплексного исследования параметров диффузионно-барьерных структур TiN/Ti с помощью методов относительной рентгеновской рефлектометрии и диффузного рассеяния рентгеновского излучения, реализованных на базе двухволновой рентгенооптической схемы измерений. Показано, что данная схема в рамках одного измерения обеспечивает исследование двух различных областей диффузного рассеяния, что повышает корректность и однозначность проведенного анализа. Рассмотренный комплекс методов позволяет разрешить неоднозначность типа плотность/шероховатость при решении обратной задачи рефлектометрии и рассчитать параметры скрытых слоев в исследованных структурах.
Ключевые слова: тонкопленочные наноструктуры; рентгеновская рефлек-тометрия; рентгеновское диффузное рассеяние; двухволновая рентгенооптиче-ская схема.
© Д.И. Смирнов, Н.Н. Герасименко, В.В. Овчинников, 2016
The results of the comprehensive study on the parameters of the diffuse-barrier structures TiN/Ti by methods of relative X-ray reflectometry and diffuse X-ray scattering, based on a two-wave X-ray optical measurement scheme, have been presented. The specified X-ray optical scheme provides a study on two different areas of diffuse scattering during one measurement, which increases the accuracy and uniqueness of the analysis. It has been shown that the presented complex of methods permits to resolve the ambiguities, such as the "density - roughness" of the inverse problem of reflectometry and to calculate the parameters of the buried layers in the studied structures.
Keywords: thin-film nanostructures; X-ray reflectometry; X-ray diffuse scattering; two-wave optical scheme.
Введение. Преимущества двухволновой рентгенооптической схемы измерений для исследования зеркального отражения рентгеновского излучения на многослойных тонкопленочных структурах и использования метода относительной рефлектометрии для их анализа показаны в [1, 2]. Анализ кривых зеркального отражения позволяет построить интегральное распределение электронной плотности по глубине многослойной структуры, связанное как с изменением физической плотности материала слоя, в том числе и за счет процессов взаимодиффузии, так и с наличием шероховатостей и неод-нородностей межслойных границ раздела. В данном случае параметр о, рассчитываемый в рамках метода рентгеновской рефлектометрии, включает в себя информацию о среднеквадратичной шероховатости межслойной границы раздела ог и размере переходной области og, имеющей градиентное изменение плотности материала соседних 2 2 2
слоев: a =ar + ag. Поэтому исследование только зеркальной составляющей рентгеновского отражения не позволяет корректно разделить вклад от указанных слагаемых при решении обратной задачи рентгеновской рефлектометрии [3, 4] (неоднозначность плотность - шероховатость). В этом случае исчерпывающую информацию о шероховатостях и кросс-корреляциях рельефа межслойных границ можно получить при исследовании диффузного рассеяния рентгеновского излучения [5]. В современных исследовательских приборах используются двухкоординатные детекторы для измерения картин незеркального отражения [6, 7]. Однако они по чувствительности и скорости счета уступают однокоординатным сцинтилляционным детекторам. Для широкого круга решаемых задач часто ограничиваются измерением одномерных профилей диффузного рассеяния.
В настоящей работе рассматривается двухволновая схема измерений для рентгеновских методов анализа наноструктур. Так, особый интерес представляет исследование диффузного рассеяния рентгеновского излучения на многослойных тонкопленочных структурах.
Методика эксперимента. Применение двухволновой рентгенооптической схемы имеет важное преимущество. При переходе в обратное пространство в рамках одного измерения снимаются два профиля диффузного рассеяния для различных значений проекций вектора рассеяния q, отличающихся на 10,8 % из-за разницы длин волн X1(CuKa) = 0,154 нм и X2(CuKp) = 0,139 нм используемого рентгеновского излучения. При выборе различных режимов сканирования можно получить парные профили вдоль направлений проекций вектора рассеяния qx и qz.
В работе [8] для метрологического контроля многослойных структур микро- и на-ноэлектроники предложен взаимодополняющий комплекс независимых методов иссле-
дования, таких как спектральная эллипсометрия, рентгеновская рефлектометрия и просвечивающая электронная микроскопия. Однако для практического применения важно создание комплекса на базе одной измерительной платформы. В частности, в данном исследовании реализован комплекс методов для многофункционального рентгеновского рефлектометра.
Зеркальное отражение и диффузное рассеяние исследовались для многослойных диффузионно-барьерных структур на основе ТЫЛ. Диффузионно-барьерные структуры ТЫ/Т используются в современной микроэлектронной технологии для предотвращения паразитной диффузии в слоях многоуровневой металлизации. Образцы структур TiN/Ti/SiO2 на кремнии изготовлены на производственной микроэлектронной линии ОАО «НИИМЭ и Микрон» (г. Москва) с проектными нормами 180 нм. Технологически заданные толщины слоев TiN - 5 нм, Л - 10 нм, SiO2 - 15 нм.
Титан и нитрид титана наносились на подготовленную кремниевую подложку с оксидным слоем в едином технологическом процессе в установке кластерного типа с вы_^
соким уровнем вакуума (10 торр). Для нанесения титана использовался метод магне-тронного нанесения. В целях улучшения равномерности покрытия процесс осуществлялся в камере с источником плазмы ионизованного металла. Нитрид титана наносился методом химического осаждения из газовой фазы. В данном процессе проходило термическое разложение прекурсора TDMAT (Tetrakis-dimethylamino-titanium), после чего проводили уплотнение осажденной пленки в плазме газов с целью
удаления углеродных примесей и стабилизации ее физических свойств. Как показали проведенные исследования [8], многостадийные технологические процессы приводят к формированию дополнительных неучтенных слоев в указанных структурах.
Экспериментальные измерения структур проводились на многофункциональном аналитическом рентгеновском рефлектометре Сотр^1ех [2]. Источником излучения служила острофокусная рентгеновская трубка с рабочей проекцией фокуса 8-0,04 мм . Для селекции спектральных линий СиХа и Си^р из полихроматического спектра использовался эшелон-монохро-матор, представляющий собой систему из полупрозрачного и объемного кристаллов-анализаторов на основе пиролитического графита. Интенсивность в каждой угловой точке регистрировалась одновременно двумя сцинтилляционными детекторами. Двух-волновая схема измерения приведена на рис. 1. Практика обработки экспериментальных данных рентгеновской рефлекто-метрии показала [1], что использование отношения двух длин волн позволяет минимизировать приборные погрешности и повысить точность определения параметров исследуемых структур.
Результаты и их обсуждение. Измерение рефлектометрических зависимостей проводили в режиме сканирования 0-20. На рис.2 представлены полученные рентгеновские рефлектограммы. Компьютерное моделирование рентгеновского отражения от многослойной структуры проводилось на основе рекуррентных соотношений [9]. Для
Рис.1. Двухволновая рентгенооптическая схема: 1 - приемная коллимационная щель; 2, 3 - щелевые диафрагмы детекторов; 4 - полупрозрачный монохроматор; 5 - объемный монохрома-тор; 6, 7 - сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения
Рис.2. Угловая зависимость: а - интенсивностей отражения /(Х1) и /(Х2) от образца ТМГ для длин волн излучения = 0,154 нм (сплошная) и = 0,139 нм (пунктир); б - отношения интенсивностей отражения /(Х1)//(Х2) (точки - экспериментальные данные, сплошная - расчет)
обработки относительных экспериментальных зависимостей рентгеновского отражения в рамках решения обратной задачи рефлектометрии применялся генетический алгоритм [10]. Оптимизируемыми параметрами были толщина слоев, их плотность и среднеквадратичная шероховатость границ раздела. Форма экстремумов в начальной области реф-лектограмм деформирована, что указывает на наличие дополнительных слоев в исследуемой структуре и/или существование неоднородного распределения оптической плотности по глубине образца.
Экспериментальные кривые диффузного рассеяния измерялись в режиме ю-сканирования при фиксированном положении детектора. Среднеквадратичные шероховатости и параметры кросс-корреляции межслойных границ рассчитывались методом диффузного рассеяния рентгеновского излучения. Диффузное рассеяние описывалось с помощью теоретических моделей на основе борновского приближения искаженных волн (DWBA) [3]. Рельеф изотропной поверхности может быть описан в терминах корреляционной функции высота-высота:
C(X ) = (n(o)- n(X )) = a2exp
где n(X) соответствует точке на границе раздела с координатой X относительно нулевого уровня n(0); - латеральная корреляционная длина, характеризующая нерегулярность поверхности в латеральных направлениях (флуктуации высоты на масштабах менее являются коррелированными и зависимыми, а на больших масштабах -случайными); h - параметр Херста, который определяет степень текстурированности и изрезанности границы раздела через фрактальную размерность поверхности D = |3 - h| (при h, близком к нулю, поверхность раздела имеет экстремально развитый рельеф, а при h, стремящемся к единице, рельеф межслойных границ развит слабо).
На рис.3 представлены кривые диффузного рассеяния рентгеновского излучения для исследуемых структур (исключена зеркальная составляющая рентгеновского отражения). Измерения выполнены для положения детектора 20 = 0,8°. При переходе в обратное пространство измеренные зависимости представляют собой кривые, проекции векторов рассеяния которых задаются выражениями:
qx = k(cos 02 - cos ), qz = k(sin 02 + sin 0j), где к = 2л/Х - модуль волнового вектора; 0i и 02 - углы падения и отражения.
■ X 2П
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
со, градус ш, градус
а б
Рис.3. Кривая диффузного рассеяния рентгеновского излучения от образца ТЖЛ для длины волны излучения ^ = 0,154 нм (а) и = 0,139 нм (б): точки - экспериментальные
данные; сплошная - расчет
При малых углах падения и отражения полученные профили можно рассматривать как линейные (рис.4). Так, для длин волн А,1(СиКа)= 0,154 нм и Х2(СиКр) = 0,139 нм и заданного положения детектора получены профили диффузного рассеяния для д21 = 0,569 нм-1 и = 0,631 нм-1 соответственно.
Особый интерес представляют рентгеновские трубки с биметаллическим анодом, которые позволяют увеличить количество спектральных линий и исследовать более отдаленные области рассеяния в обратном пространстве в рамках одного измерения. Наиболее перспективной можно считать пару металлов Сг-Си, для которой отношение длин волн составляет Х(СгКаЖСиКа) = 1,48.
Рассчитанные по данным диффузного рассеяния значения среднеквадратиче-ских шероховатостей применялись при решении обратной задачи рентгеновской реф-лектометрии, что позволяет уточнить распределение плотностей в скрытых слоях и разрешить неоднозначность плотность - шероховатость. Кроме того, установлено, что шероховатость межслойных границ описывается моделью некоррелированных интерфейсов (вертикальная кросс-корреляция шероховатостей от слоя к слою отсутствовала). Латериальная корреляционная длина составляет = 140 нм, параметр Херста И = 0,3, что указывает на развитый рельеф межслойных границ раздела. По двум полученным профилям рассеяния, обработанным совместно, восстановлена двумерная картина диффузного рассеяния рентгеновского излучения в обратном пространстве (см. рис.4).
В таблице представлены итоговые результаты анализа параметров диффузионно-барьерных структур Т1^Т1. При обобщении данных о составе, плотности, особенностях процессов нанесения пленок идентифицированы подслои в пленке нитрида титана. Для образца диффузионно-барьерной структуры установлено, что пленка нитрида титана представлена тремя отдельными слоями. Это объясняется особенностями много-
с/г, нм"'
Рис.4. Картина диффузного рассеяния рентгеновского излучения в обратном пространстве. Отрезки 1 и 2 - измеренные профили диффузного рассеяния для длин волн = 0,154 нм и Х2 = 0,139 нм соответственно
ступенчатого технологического процесса. Тонкий рыхлый слой между титаном и нитридом титана с плотностью 2,48 г/см3 представляет собой пленку, которая не была полностью уплотнена и кристаллизована обработкой в плотной плазменной среде. Далее следует уплотненный подслой нитрида титана (4,85 г/см3), затем на поверхности -окисленный в атмосфере воздуха вследствие отсутствия верхнего защитного покрытия и наличия остаточного заряда после обработки в плазме подслой нитрида титана с плотностью 3,06 г/см .
Обобщенные результаты измерений параметров диффузионно-барьерных слоев TiN/Ti
Слой Толщина слоя, нм Шероховатость, нм Плотность, г/см3
TiN (окисленный) 1,5 0,7 3,06
TiN (уплотненный) 2,7 0,6 4,85
TiN (неуплотненный) 1,8 0,6 2,48
Ti 10,8 0,4 4,50
SiO2 15,3 0,3 2,20
Si да 0,4 2,33
Заключение. Исследования особенностей диффузионно-барьерных слоев TiN/Ti с помощью комплекса методов рентгеновской относительной рефлектометрии и диффузного рассеяния рентгеновского излучения показали следующее. За счет привлечения данных диффузного рассеяния и их совместной обработки с данными рефлектометрии разрешена неоднозначность типа плотность/шероховатость при решении обратной задачи рефлектометрии, что позволяет рассчитать параметры неучтенных скрытых слоев в исследованной структуре. Двухволновая рентгенооптическая схема измерений имеет преимущества не только для ранее разработанного метода относительной рефлектометрии, но и для метода диффузного рассеяния рентгеновского излучения. Так, разница в длинах волн позволяет исследовать различные области рассеяния рентгеновского излучения за одно измерение.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 15-19-10054).
Литература
1. Рентгеновские методы исследования наноструктур и нанообъектов электроники / Н.Н. Герасименко, Б.Н. Рыгалин, Д.И. Смирнов и др. // Нанотехнологии в электронике. Вып. 2 / Под ред. Ю.А. Чаплыгина. - М.: Техносфера, 2013. - 688 с.
2. Многофункциональный рентгеновский рефлектометр для исследования наноструктур / А.Г. Турь-янский, Н.Н. Герасименко, И.В. Пиршин и др. // Наноиндустрия. - 2009. - № 5(17). - С. 40-43.
3. X-ray and neutron scattering from rough surfaces / S.K. Sinha, E.B. Sirota, S. Garoff et al. // Phys. Rev. B. - 1988. - Vol. 38. - No. 4. - P. 2297-2311.
4. Holy V., Pietsch U., Baumbach T. High-resolution X-ray scattering from thin films and multilayers // Springer Tracts in Modern Physics. - 2004. - Vol. 149. - 408 p.
5. Holy V., Baumbach T. Nonspecular x-ray reflection from rough multilayers // Phys. Rev. B. - 1994. -Vol. 49. - Iss. 15. - P. 10668-10676.
6. Analysis of 2D GISAXS patterns obtained on semiconductor nanocrystals / M. Buljan, K. Salamon, P. Dubcek et al. // Vacuum. - 2003. - Vol. 71. - P. 65-70.
7. Ordering mechanism of stacked CdSeZnSxSei-x quantum dots: A combined reciprocal-space and realspace approach / Th. Schmidt, E. Roventa, T. Clausen et al. // Phys. Rev. B. - 2005. - Vol. 72. - P. 195334.
8. Проблемы измерения параметров элементов и структур современной микро- и наноэлектроники на примере диффузионно-барьерных структур TiN/Ti / Д.И. Смирнов, Р.М. Гиниятуллин, И.Ю. Зюль-ков и др. // Письма в ЖТФ. - 2013. - Т. 39. - № 14. - C. 34-42.
9. Parratt L.G. Surface studies of solids by total reflection of X-rays // Phys. Rev. - 1954. - Vol. 95. -
P. 359-369.
10. Ulyanenkov A., Sobolewski S. Extended genetic algorithm: application to X-ray analysis // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2005. - Vol. 38. - P. A235-A238.
Статья поступила 27 октября 2015 г.
Смирнов Дмитрий Игоревич - инженер лаборатории радиационных методов технологии и анализа МИЭТ, научный сотрудник лаборатории рентгенооптических методов диагностики наноструктур ФИАН. Область научных интересов: рентгеновские методы анализа многослойных наноструктур, радиационные процессы в твердотельных структурах. E-mail: rmta@miee.ru
Герасименко Николай Николаевич - доктор физико-математических наук, профессор, начальник лаборатории радиационных методов технологии и анализа МИЭТ, ведущий научный сотрудник лаборатории рентгенооптических методов диагностики наноструктур ФИАН, профессор Национального исследовательского Томского государственного университета. Область научных интересов: ионная имплантация в полупроводники, процессы формирования структур (самоорганизация) в твердых телах при облучении.
Овчинников Владимир Владимирович - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией пучковых воздействий Института электрофизики Уральского отделения РАН (г. Екатеринбург). Область научных интересов: математическое моделирование радиационных процессов в твердом теле, физические основы радиационных методов технологии.
Г
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Вы можете оформить подписку на 2016 г. в редакции с любого номера. Стоимость одного номера - 1000 руб. (с учетом всех налогов и почтовых расходов).
Адрес редакции: 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, д. 1, МИЭТ, комя. 7231.
Тел.: 8-499-734-62-05. E-mail: magazine@miee.ru http://www.miet.ru/structure/s/894
