Рентгеновские методы и проблемы наноэлектроники

Основные применения рентгеновской дифракции в микро- и наноэлектронике связаны с решением следующих проблем: 1 – определения кристаллической ориентации пластин (рис. 5); 2 – изучения кристаллического совершенства исходных пластин и на отдельных этапах формирования микросхемы (рис. 6); 3 – исследования слоевых структур (эпитаксиальных, оксидных, химически осажденных, напыленных, одиночных и многослойных), возникающих на этапах формирования микросхем (рис. 7).

Рисунок 5. Определение ориентации пластины с использованием тормозного (белого) излучения и метода Лауэ. Совокупность возникающих отражений в силу формулы ( , где – дифракционный соответствующего отражения и – ось зоны, позволяет однозначно определить кристаллографические индексы плоскости пластины

Рисунок 6. Применение рентгеновских методов для исследования топографии. 1 – изображение микросхемы, пластина толщиной 500 мкм. 2 – дислокационная структура пластины сапфира толщиной 2 мм, микрофотография получена в условиях аномального прохождения, изображения дислокаций, локализованных вблизи выходной поверхности кристалла (D1) острее, чем лежащие у входной поверхности (D2) и имеют черно-белый контраст

Слои имеют несколько разновидностей:

1 - совершенные эпитаксиальные, воспроизводящие структуру подложки;

2 - эпитаксиальные со структурой близкой к совершенной эпитаксиальной, например, с дислокациями несоответствия;

3 - текстурированные эпитаксиальные, т.е., состоящие из раз-ориентированных блоков;

4 - совершенные поликристаллические, ориентированные в плоскости сопряжения, но разориентированные вдоль нормали к ней;

5 - поликристаллические со случайными размером и ориентацией,

6 - аморфные, с отсутствующим дальним порядком, но с выраженным ближним;

7 - совершенные аморфные.

При исследованиях слоевых структур необходимо ответить на вопросы:

- о кристаллическом состоянии слоя и подложки;

- о характере сопряжения слов – когерентное или релаксированное;

- для поликристаллических слоев о наличии преимущественных ориентаций или их отсутствии;

- о степени аморфизации;

- о совершенстве кристаллического состояния;

- о характере напряженного состояния – сохранено частично или полностью релаксированное;

- о дефектной структуре;

- о химсоставе;

- о толщинах слоев;

- о степени огрубления поверхности и интерфейса.

Для ответа на эти вопросы рентгеновские методы предоставляют следующие средства.

1. Общие характеристики подложки и слоев извлекаются из формы кривой качания, получаемой с использованием гониометрических схем.

2. Несовпадение параметров слоя и матрицы измеряется по несовпадению отражений, которое инвариантно относительно вращения образца.

3. Разориентация проявляется в несовпадении отражений слоя и подложки, которые изменяют знак в процессе вращения;

4. Блочная структура проявляется в размытии пиков, которое изменяется в зависимости от размеров блоков и увеличении расходимости пучка; но позиционирование рефлексов не изменяется при перемещении пучка по поверхности объекта.

5. Плотность дислокаций проявляется в уширении рефлексов, которое не зависит от расходимости пучка, а позиционирование рефлексов не изменяется при перемещении пучка по поверхности объекта.

6. Кривизна пластины проявляется в размытии рефлекса, которое линейно зависит от расходимости пучка, рефлекс смещается симметрично в зависимости от направления движения пучка по образцу.

7. Релаксация напряжений по-разному сказывается на размытии симметричных и асимметричных отражений.

8. Толщина слоя влияет на интенсивность отражения, вариации фазы рассеянных излучений приводят к интерференционной осцилляции. 9. Негомогенность проявляется в вариациях постоянной решетки при движении по объекту.

Рисунок 7 иллюстрирует возможности рентгеновской дифракции на примерах определений амплитуды вариаций состава и толщины слоев.

Рисунок 7. Методы рентгеноструктурного анализа в исследованиях поверхностных нанослоев. Экспериментальные профили интенсивности для эпитаксиальной структуры, состоящей из 3 слоев Si и трех слоев Si_1-xGe_x равной толщины, по рефлексам 004. Вариации состава Δс определялись в приближении закона Вегарда на основе выражения 1, в котором и a_S постоянные решётки, соответственно, для Si_1-xGe_x и Si, определенные на основе позиций рефлексов, Δс = 27,5%, толщина слоев оценивалась по формуле 2, где n – номера осцилляций и ω их угловые позиции t = 120 нм