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扫描电镜在微电子技术中的应用

扫描电镜在微电子技术中的应用

        扫描电镜与一般光学显微镜相比,具有以下特点: 焦深大, 视场调节范围宽、图象立体感强,分辨率高以及通过收集电子束与样品作用而得到样品材料结构和物理特性的信息。这些特点对于分析微电子材料和器件来说具有更为突出的效用,因而它在微电子材料和器件分析中的应用越来越广泛。本文主要介绍扫描电镜在微电子技术中应用。

        SEM的工作原理和操作模式

        SEM的原理结构如图1所示。阴极发射的电子经阳极加速, 通过聚焦形成电子柬,扫描系统使电子束在样品上作光栅式扫描样品受电子束轰击后产生二次电子、背散射电子、俄歇电子、x射线, 光(可见光、红外光或紫外光)及样品上感应的电势、电流等信号。通过相应的检测器收集这些信号,经放大,监以电子束同样扫描方式在阴授射线管上扫描, 就可在阴极射线管的荧光屏上得到样晶各种信号的图象。

       在电子枪附近电子束斑的直径最小为10~50gm (热阴授), 或10~100nm (场发射阴极), 经聚焦到达样品表面时, 电子束斑直径为1~10nm。一般工作时电子束束流为10I1。~ 1O A, 加速电压为I~50key。

       利用样品上得到的不同信号,可以有不同的工作模式, 表一列出了SEM 的操作模式。二次电子工作模式是SEM最常用的模式,它是用100ev以下的低能非弹性散射电子成象。二次电子象富有立体感, 非常直观, 易于理解, 所以在形貌研究中特别有价值。

       从样品表面发射的二次电子的数量与能量分布对表面电势(电荷)非常敏感。当表面带正电荷, 发射的二次电子数量减少j而带负电处, 发射的二次电子数量相应增加。这样对于不同的表面电势处, 二次电子象的亮度不同。利用此原理, 在样品上加上一定电压后,观察其二次电子象, 称为电压衬度。在标准的SEM上附加一个电子能量分析器, 就可测到毫伏级的电压, 同时用脉冲电子束照明,便能以小于lns时间分辨率研究器件工作状态, 这种方法称为冈频技术。

        二次电子发射的强度也依赖于样品相对电子束的取向,因而可产生电子通道图(类似于TEM中的菊池图) 。

        背散射电子是弹性散射电子,它的能量接近于入射电子, 能反映样品表面较深处情况, 因而可显示样品凹凸不平的形貌。背散射电子的发射几率依赖于样品平均原子序数, 因而就能显示原子序数的衬度,粗略地反映元素组份分布。从样品发射的x射线和俄歇电子的能量, 涉及列样品原子中轨道电子能级, 对它们进行能量分析便可鉴定元素在SEM中,配上x射线能量色散分析仪, 就可进行样品表面元素分析,这就是EDXS]~作模式。SEM中EDX一般能检测原子序数大于10的元素,虽然这种方法本身可扩展到硼。EDX的空间分辨率在1 m左右。

        电子束感生电流(EBIC) 和阴极荧光,这两种工作模式均依赖于电子束向半导体注入的电子一空穴对。在外加电场下,P n结区域的电子一空穴对发生分离并向相反的电极漂移, 将这些电流引出并与电子束作同步扫描, 就能看到P—n结区的图象, 这就称EBICSE作模式。EBIC工作模式中, 到达结的载流子数量还取决子材料的少子寿命和扩散长度, 因此也可作为扩散长度的一种测量方法。

         二、SEM在微电子中的应用

        (1)质量监控与工艺诊断

        硅片表面沾污常常是影响微电子器件生产质量的严重问题,为了查清沾污的种类、来源, 以清除沾污, 就必须对沾污物进行检查和鉴定。硅片沾污物种类繁多, 有太气中灰尘、加工硅屑、水中钙盐、人的毛发、皮屑、各种纤维、金属屑等。按照沾污物的形态,结构和成份, 对它们分类和鉴定。扫描电镜不仅分辨率高, 可以清晰地显示沾污物的形态和结构, 而且可以用EDX在观察形态时,分析这些沾污物的主要元素成份。因而SEM 已成为检查表面沾污的标准工具。在硅片表面残留的涂层或薄膜用光学显微镜很难检查清楚,用SEM检查, 即使它是均匀薄膜, 也能显示其异质的结构。

        器件加工中,SiO 、PSG、PBSG等钝化层台阶的角度,台阶上金属化的形态是关系到器件的成品率和可靠性 光学显微镜早已不能满足检查所需的分辨率、只有SEM才是有效的检查手段。我国江南无线电器材厂已将SEM检查金属化的质量作为例行抽验项目。美国早在1975年已制订了SEM检查金属化的标准。

        当IC的加工线条进入亚微米阶段, 为了生产出亚微米电路所需的精密结构, 许多设备工作在误差为5%或l0 的水平上。若线宽为7500^,控制lO%误差的范围为750A,控制5 误差范围为375^。相应的线宽不确定度要求为375A和188置。这表明工艺控制精度必须在nm数量级。而光学的显微镜线宽测量误差极限为0.311m。根本不能满足要求,因而必须采用SEM进行检查。表二为1985年美国不同线宽器件制造时所用的线宽测量仪器。

 

        (2)器件分析

        对器件进行分析是对器件的设计,工艺进行修改和调整的基础。器件分析包括器件的尺寸和一些重要的物理参数,如结深、耗尽层宽度、少子寿命、扩散长度等。利用SEM可以完成许多工作, 分析时使用最多的是二次电子图象和束感生电流象。通过二次电子象可以分析器件的表面形貌,结合纵向剖面解剖和腐蚀, 可以确定P n结的位置,结的深度。

        利用束感生电流工作模式,可以得到器件结深, 耗尽层宽度,MOS管沟道长度, 还能测量扩散长度, 少子寿命等物理参数。用类似于测量耗尽层宽度方法,对MOS场效应管, 分别在源、漏加电压(另一端接衬底)的情况下, 电子束对场效应管进行扫描, 从得到的二条束感生电流随线, 就可得到此场效应管的沟道长度。这种方法特别适用于lP-m以下的短沟道器件,因为常用的金相法已不再适用。

        束感生电流法测量扩散长度时,对P—Il结加上脉冲电子束, 那么,P—n结附近某点的束感生电流I和该点与电子束注入点内距离x, 有着以下的关系:

                     I(x) =Imexp[-x/L]

式中L为扩散长度,I 为束感生电流的最大值。如得到I 和x的关系随线, 就可得到扩散长度L。而通过L= 还能相应得到其少子寿命T。

        (3)失效分析和可靠性研究

         SEM是失效分析和可靠性研究中最重要的分折仪器, 它的各种工作模式都在失效分析和可靠性研究中发挥了巨大作用。

        相当多的器件的失效与金属化有关。通常存在金属化层的机械损伤,台阶上金属化裂缝, 和化学腐蚀等问题。对于超太规模电路来说, 金属化的问题更多, 出现电迁移,金属化与硅的接触电阻, 铝中硅粒子, 铝因钝化层引起应力空洞等。SEM的二次电子象有分辨率高, 景深远, 有明显立体感等特点, 是观察研究金属化的理想手段。

        有时,失效器件的电测量结果说明内部开路, 但一般检查中找不到开路的位置, 这时可采用电压衬度, 找到失效点再用其他方法作进一步分析。

        对于有漏电流大、软击穿,沟道、管道等电性能方面问题的器件, 一般不能从表面形貌上找到失效点。SEM中的电压衬度和泉感生电流为我们观察与P n结有关的缺陷提供了有效的分析方法。

        正常P— n的束感生电流图是均匀的。而当P— n结中存在位错或其他缺陷时,这些缺陷成为复合中心。电子束产生的电子、空穴,在这此缺陷处迅速复合,因此P—n结的束感生电流图中, 在缺陷位错处出现黑点、线条或网络。这样, 束感生电流图可用于分析P—n结中存在的位错等缺陷。

        CMOS器件的闩锁效应(1atch—up),是严重影响CMOS电路安全使用的失效机理。在分析研究闩锁效应时, 需要知道在整个电路中, 哪些部分发生了闩锁现象,需要有一种能指出闩锁发生处的方法。SEM中的静态电压衬度和闲频电压衬度是=种适用的方法。发生闩锁效应时,有关寄生晶体管呈导通状,大电流流过寄生pnpn通道中的阱与衬底, 造成在P阱里有较大的电位升高,同时11衬底的电位降低。这种电位变化在SEM的静态电压衬度和闲频电压衬度工作模式中,发生变化处图象的亮度也随之发生变化, 因而可以较方便地分辨出来。

        (4)光电材料器件的分析

        近年来,作为信息传输中重要一环的信息显示设备得到很大的发展。显示设备中大量采用小巧的固态显示器代替CRT类老式显示器。固态显示器中发光二极管是重要的一环。发光二极管的失效往往是表面发光区上有一些黑点、黑线, 使得发光=极管的亮度下降或不发光。由于发光二极管往往用于大型高分辨列阵中, 单个器件很低的失效率也是不可接受的。为此要对这类器件和有关材料进行分析。扫描电镜的束感生电流和阴段荧光两个工作模式非常适用于这类分析,前者可用于分析发光二极管, 后者可用于分析半成品及其初始材料。对一些发光=极管的分析表明, 发光二极管光区中的黑点和黑线是因为

        在这个区域存在位错,这些位错成为非辐射复合中心。位于N区的复合中心, 减少了注入到P—n结的电子, 使得发光= 极管的亮度下降或不发光。

        测量光电材料的阴陂荧光频谱及其强度,可对材料的成份及其随工艺的变化进行研究, 通过荧光亦可观察材料中的缺陷。

        三、徽电子对扫描电镜的要求

        针对微电子部门大量使用SEM的状况,SEM分为一般生l立分析用的通用型和专供研究用的特殊类型。对于通用的SEM, 有以下要求:

        (1)低加速电压。由于MOS器件的发展,加速电压过高会导致器件发生退化 并且较高加速电压下,电子容易在绝缘层中积累,而往往不允许在器件表面淀积金层, 使得观察工作非常困难。试验结果表明在lkcv的加速电下,能避免电荷积累且不至对器件造成损伤。

        SEM的分辨率指标往往是指高加速电压下的情况。为此微电子要求在较低加速电压下有足够分辨率的SEM。

        (2)小束流。这也是由避免对器件造成损伤而提出的。同时大束流会在样品表面带来碳沾污。小束流往往造成接受到的信号比较徽弱,信号噪声大,这与高分辨率相矛盾。因此对所用的SEM要在加速电压、束流与分辨率之间进行平衡, 选择适当的条件。

        (3)样品台的控制要精确。徽电子器件要分析的区域往往很小, 又要作多维移动,包括大角度转动,样品台如不能精确控制,会使分析工作非常麻烦。

        (4)样品室大, 安装样品方便。现在硅片尺寸已达200ram,要对整个样品表面都能观察到, 样品室要有相当大的容积。

        (5)操作方便。生产线上的SEM要对大量硅片作例行检查,往往工作量非常大,为此要求操作方便。在控制系统中对聚焦、色散, 亮度可采用自动控制。在生产线用的SEM可以用片盘自动装片。

        对于专用的SEM, 为了达到所规定的功能, 常常需要在SEM的内部增加一些部件,更多的是增加大量复杂的控制系统和信号处理系统。功能的优劣往往取决于这些附件。