掃描電鏡在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用分析

作者：admin??????時間：2020年05月09日

• 由于半導(dǎo)體器件體積小、重量輕、壽命長、功率損耗小、機械性能好. 因而適用的范閘極廣。然而半導(dǎo)體器件的性能和穩(wěn)定性在很大程度上受它表面的微觀狀態(tài)的影響。一般在半導(dǎo)體器件試制和生產(chǎn)過程巾包括了切割、研磨、拋光以及各種化學(xué)試劑處理等一系列工廳， 正是在這些過程巾，會造成表面的結(jié)構(gòu)發(fā)生驚人的變化，所以幾乎每一個步驟都需要對擴散rx-. 的深度進行測繭或者直接看到擴散區(qū)的實際分布情況，而生產(chǎn)大型集成電路就更是如此。目前. 掃捎電鏡在半導(dǎo)體中的應(yīng)用已經(jīng)深入到許多方面。

• 1.質(zhì)量監(jiān)控與工藝診斷

• 硅片表面站污常常是影響微電子器件生產(chǎn)質(zhì)量的嚴(yán)重問題。掃描電鏡可以檢查和鑒定站污的種類、來源，以清除站污，如果配備 X 射線能譜儀，在觀察形態(tài)的同時，可以分析 這些站污物的主要元素成分。用掃描電鏡還可以檢查硅片表面殘留的涂層或均勻薄膜 也能顯示其異質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

• 在器件加工中，掃描電鏡可以檢查金屬化的質(zhì)量，如 Si02 、PSG、PBSG 等鈍化層臺階 的角度。臺階上金屬化的形態(tài)關(guān)系到器件的成品率和可靠性，因此國內(nèi)外早已制定了掃描電鏡檢查金屬化的標(biāo)準(zhǔn)并作為例行抽驗項目。當(dāng) IC 的加工線條進入亞微米階段，為了生產(chǎn)出亞微米電路所需的精密結(jié)構(gòu)，利用掃 描電鏡進行工藝檢查，控制精度在納米數(shù)量級。

• 在機械加工過程中，會引起表面層的晶格發(fā)生損傷。損傷程度一方面取決于切割方法、振動與磨料選擇的情況，同時也取決于晶體本身的抗損傷能力。利用掃描電鏡中產(chǎn)生的特征衍射圖樣的變化，可以直觀而靈敏地看到表面的結(jié)構(gòu)狀況以及晶格結(jié)構(gòu)完整性在 不同深度上的分布，從而確定表面損傷程度。

• 2. 器件分析

• 掃描電鏡可以對器件的尺寸和一些重要的物理參數(shù)進行分析，如結(jié)深、耗盡層寬度 少子壽命、擴散長度等等，也就是對器件的設(shè)計、工藝進行修改和調(diào)整。掃描電鏡二次電子像可以分析器件的表面形貌，結(jié)合縱向剖面解剖和腐蝕，可以確定 PN 結(jié)的位置、結(jié)的 深度。

• 利用掃描電鏡束感生電流工作模式，可以得到器件結(jié)深、耗盡層寬度、MOS 管溝道長 度，還能測量擴散長度、少子壽命等物理參數(shù)。對于 1 nm 以下的短溝道器件檢測，可用類似于測量耗盡層寬度的方法，電子束對MOS 場效應(yīng)管進行掃描，得到二條柬感生電流曲線，就可得知此場效應(yīng)管的溝道長度。

• 3.失效分析和可靠性研究

• 相當(dāng)多器件的失效與金屬化有關(guān)，對于超大規(guī)模電路來說，金屬化的問題更多，如出現(xiàn)電遷移，金屬化與硅的接觸電阻，鋁中硅粒子，鋁因鈍化層引起應(yīng)力空洞等。掃描電鏡 是失效分析和可靠性研究中最重要的分析儀器，可觀察研究金屬化層的機械損傷、臺階上 金屬化裂縫和化學(xué)腐蝕等問題。

• 用掃描電鏡的電壓襯度和柬感生電流可以觀察 PN 結(jié)中存在的位錯等缺陷，如漏電 流大、軟擊穿、溝道、管道等電性能。正常 PN 結(jié)的束感生電流因是均勻的;而當(dāng) PN 結(jié)中存在位錯或其他缺陸時，這些缺陷成為復(fù)合中心，電子束產(chǎn)生的電子、空穴在缺陷處迅速 復(fù)合，因此，在 PN 結(jié)的束感生電流圖中，缺陷位錯處出現(xiàn)黑點、線條或網(wǎng)絡(luò)。

• CMOS 器件的問鎖效應(yīng)（ latch-up） 是嚴(yán)重影響 CMOS 電路安全使用的失效機理。

• 在掃描電鏡中的靜態(tài)電壓襯度和閃頻電壓襯度可以觀察分析整個電路中哪些部分發(fā)生了習(xí)鎖現(xiàn)象。發(fā)生問鎖效應(yīng)時，有關(guān)寄生晶體管呈導(dǎo)通狀，大電流流過寄生 PN 通道中的阱 與襯底，造成在 P 阱里有較大的電位升高，同時 N 襯底的電位降低。這種電位變化在 SEM的電壓襯度和閃頻電壓襯度工作模式中，發(fā)生變化處圖像的亮度也隨之發(fā)生變化， 因而可以較方便地分辨出來。

• 4.電子材料研制分析

• 隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，對電子材料的性能及環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求。應(yīng)用掃描電鏡研究消磁用熱敏電阻的顯微形貌，結(jié)果顯示，利用以擰穰酸鹽凝膠包裹法制備的 納米粉體燒結(jié)而成的 PTC 熱敏電阻，粒徑在 5μm 左右，且分布較均勻，沒有影響材料性能的粗大顆粒存在;此外，材料中的晶粒幾乎全部發(fā)育成棒狀（或針狀）晶體，表明擰攘 酸鹽凝膠包裹法及適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝可以研制無鉛的環(huán)保型高性能熱敏電阻。

• 5. 利用掃描電鏡觀察真空微電子二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，可準(zhǔn)確測量出發(fā)射尖錐的 頂角和門極小孔的直徑，這對檢測和研制真空微電子二極管是極其有用的。這種真空微電子二極管、三極管可以在大氣壓下正常工作，不必對它們實行排氣即可獲得"真空"工作 的條件（胡問國等，1993）。

• 6. 利用掃描電鏡的柬感應(yīng)電流（EBIC）像和吸收電流像 （AEI）分別觀察 NTD 硅單晶

• 和區(qū)熔硅單晶高壓整流元件 PN 結(jié)的平整度、結(jié)深、耗盡區(qū)內(nèi)的缺陸特征及其分布和少子 擴散長度的變化，直觀地顯示 NTD 硅單晶材料的徑向和軸向電阻率均勻，制得的 PN 結(jié)比較平坦，以及熱中子輻射損傷在晶體中造成大量缺陷，這些缺陷使少子擴散長度和平均 壽命縮短。因此，可控制中子輻射損傷和選用合適的退火工藝消除內(nèi)部缺陷，提高 NTD 硅單晶質(zhì)量。

• 7. 半導(dǎo)體材料中的動力學(xué)現(xiàn)象如擴散和相變具有很重要的意義 用掃描電鏡跟蹤鋁薄膜條在大電流密度下的電遷移行為，便可以得到有關(guān)空洞移動和熔化解潤失效的細節(jié)。此外，利用能譜儀顯微分析技術(shù)也可以對半導(dǎo)體材料進行各種成分分析。