Инфракрасная спектроскопия

Использование инфракрасной спектроскопии для количественного анализа основано на том, что интенсивности характеристических полос поглощения чистых компонентов смеси прямо пропорциональны концентрациям каждого компонента (закон Бугера – Ламберта - Бера). Достоинством ИК – спектроскопии (ИКС) по сравнению с другими методами анализа (химическим, люминесцентным, рентгеноспектральным, эмиссионной спектроскопии) является возможность исследования структуры и состава полученных соединений в массиве и пленке, не разрушая образец, что особенно важно в технологии изготовления микросхем. ИКС применяют для изучения свойств диэлектрических и полупроводниковых материалов как в монолите, так и в покрытиях на кремниевых или германиевых подложках (табл.12.1).

Для осуществления анализа с помощью ИКС необходимы:

- спектрометр,

- таблицы характеристических полос поглощения для расшифровки спектра,

- эталоны.

Инфракрасный спектрометр Specord JR75 представляет собой двухлучевой спектрофотометр, в котором источник излучения (лампа с керамической нитью накаливания) дает непрерывный спектр в области частот от 4000 до

400 см^–1 или от l=2,5 до 25 мкм. Монохроматор диспергирует это излучение, выделяет узкий интервал частот. Приемник преобразует полученную энергию в электрический сигнал, который затем усиливается и регистрируется записывающим устройством.

Лабораторная работа № 23

Измерение толщины пленок диоксида и нитрида кремния

Методом ИКС

Настоящий метод предназначен для измерения толщины пленок диоксида и нитрида кремния в кремниевых структурах с двух -, трехслойными диэлектриками в диапазоне толщин 100 Å - 300 Å для каждого диэлектрика.

Метод основан на измерении оптических плотностей в ИК – спектре структуры при двух характеристических частотах 900 и 1080 см^-1, при которых коэффициенты поглощения каждого из слоев значительно различаются и составляют для диоксида кремния соответственно 0,01 и 1,53 мкм^-1, а для нитрида кремния – 1,35 и 0,26 мкм^-1

Таблица 12.1.

Применение ИКС для исследования материалов микроэлектроники

Объекты исследования	Области спектра, волновое число n, см-1	Химические связи
Металлорганические соединения	3700-2500	OH- валентные
1450-1210	OH- деформационные
900-850
3200-2800	СН – валентные
1490-1280	CH- деформационные
1000-690
1800-1700	-C=O- валентные
Оксиды редких металлов	600-400	Me-O
Нитриды редких металлов	600-500	Me-N
AlN		Al-N
GaN		Ga-N
SiN		Si-N
BN	1380-1300, 800	B-N
Моноаммиакаты AlCl3NH3	3380-3150	NH3 – валентные
1600-1300	NH3 - деформационные
GaCl3NH3	575, 349	Al-N, Al-Cl
386, 346	Ga-N, Ga-Cl
AsCl3	412, 307	As-Cl
Боросиликатные покрытия	1090-1020	Si-O-Si
1350-1310	-B-O
Силикаты	1100-900	Si-O
Фосфоросиликатные покрытия	1250-1150	P=O
Ванадий – фосфатные стекла и покрытия	820, 500	-V=O
1250-1200	-P=O

Продолжение таблиц 12.1

Стекла на основе системы PbO-ZnO-B2O3-SiO2 с добавками оксидов переходных металлов	1400-1350	-B-O
110-1150	-Si-O
	Zn-O
	Si-Oh
12000-10000	-V4+-O-; Fe2+-O-; -Cu2+-O-

При 900 см^-1 поглощает только Si₃N₄, при 1080 см^-1 поглощают SiO₂ и Si₃N₄. Метод применяется для измерения качества толщины пленок диэлектриков, получаемых в электрохимическом процессе на высокоомных полупроводниковых подложках (r³10 Ом×см).

Оборудование и реактивы

Спектрометр Specord JR75.

Эталонные образцы диэлектриков SiO₂ и Si₃N₄ на подложках кремния, толщина которых проверена на эллипсометре.

Образцы пленок SiO₂ и Si₃N₄, полученные электрохимически на подложках Si.

Эталонный образец пленки полистирола.

Описание определения

Перед записью спектров осуществить контроль нуля прибора. Измеряемые структуры помещают в аналитический луч спектрометра.

Записать спектр полистирольной пленки в области 400-4000 см^-1 и сравнить с паспортными данными ИК – спектра полистирола (рис.4).

Рис.4. ИК – спектр полистирола

Записывают в области 400-4000 см^-1 спектр контрольных эталонных образцов SiO₂ и Si₃N₄, образцов пленок диэлектриков SiO₂ и Si₃N₄ на одной подложке кремния, полученных электрохимическим окислением (рис.5).

Рис. 5. ИК-спектры пленок SiO₂ (верхняя),Si₃N₄ (средняя) и SiO₂,Si₃N₄ (нижняя) на Si

Для расчета результатов анализа с помощью спектра получают зависимость процента поглощения Т от волнового числа n (см^-1) для эталонных и анализируемых образцов диэлектриков.

Измеряют в спектрах фоновое поглощение при 1400 см^-1 (Т₁₄₀₀), поглощение при 1080 см^-1 (Т₁₀₈₀) для SiO₂ и Si₃N₄, валентные колебания Si-O и Si-N и при 900 см^-1 (Т₉₀₀) валентные колебания Si-N (рис.5).

Оптическую плотность определяют по поглощению Т в соответствии с формулой

Толщину слоя нитрида кремния находят по формуле

Толщину слоя оксида кремния вычисляют по разности суммарной оптической плотности при 1080 см^-1 и рассчитанной оптической плотности для Si₃N₄ при 1080 см^-1:

;

В отчете долж ны быть представлены:

1. Запись ИК-спектров полистирола и образцов;

2. Результаты расчета оптических плотностей, коэффициенты поглощения эталонов; расчет толщины диэлектрических пленок оксида и нитрида на кремнии.

Пример расчета:

Т₁₄₀₀=1%,(пренебрегаем фоном).

Т₉₀₀=56%

А₉₀₀=2-lg56=0,24

Т₁₀₈₀=19,5%

А₁₀₈₀=2-lg19,5=1-1,3=0,7

Погрешность определения толщины по ИК – спектру не превышает 10% при А£0,7.