半導體制造中的失效分析工具原理及應用(SEM,TEM,FIB)

1、半導體工業(yè)中的“結構診斷"-缺陷表征和失效分析工具信息技術是當今世界發(fā)展最為迅速的技術之一，支撐信息技術的半導體制造技術和工藝同樣也 是日新月異。目前最先進的半導體工廠己經(jīng)使用300mm晶圓和0.09微米線寬技術。我國大陸地區(qū) 采用200mm晶圓和小于0.25微米線寬的生產(chǎn)線也已有多條。制造技術的進步對半導體工業(yè)中的分析檢測技術和設備提出了更高的要求。以前認為尖端的分 析技術在半導體工業(yè)中已經(jīng)成為日常的、普通的分析手段；同時，新的分析技術的出現(xiàn)，縮短了分析 周期，提髙了分析的精度和準確度，顯著地推動了生產(chǎn)效率的提高。目前20C)mm晶圓工廠實驗室使用的物理分析儀器主要有： 光學顯微鏡

2、(OM) 掃描電子顯微鏡(SEM)- 透射電子顯微鏡(TEM)和掃描透射電子顯微鏡(STEM) 聚焦離子束設備(FIB)- 原子力顯微鏡(AFM)- 俄歇電子譜儀(AES)-X射線光電子譜儀(ESCA) 二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)X射線設備，等等。本文結合掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和聚焦離子束設備(FIB)的技術發(fā)展，簡 要闡述“結構診斷”概念在半導體工業(yè)缺陷表征和失效分析中的應用。1. 掃描電子顯微鏡掃描電鏡是半導體分析實驗室最廣泛使用的表面分析儀器之一。掃描電鏡樣品制備簡單方便，觀 察結果直觀，放大倍數(shù)范圍寬(<20到>30萬倍)，可觀察二次電子或背散射

3、電子圖像，結合能譜儀 (EDS)或波譜儀(WDS)可進行微區(qū)(亞微米級)成份分析。半導依工業(yè)中使用的掃描電鏡基本都是采用場發(fā)射燈絲。與鉤燈絲相比，場發(fā)射燈絲的電子束亮 度提高了 3個數(shù)量級，電子束能量色散更小，分辨率(特別是低加速電壓下的分辨率)提高很多。同時, 場發(fā)射掃描電鏡在較低的加速電壓下，進行能譜或波譜分析的空間分辨率顯著提髙。目前，場發(fā)射掃 描電鏡的分辨率在30kV加速電壓時優(yōu)于1.5nm,在lkV加速電壓時優(yōu)于2.53.5nm。最近幾年來，掃描電鏡的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下方面：(1) 通過釆用極靴內(nèi)的信號探測器，掃描電鏡的分辨率進一步提高，同時可以在更低的加速電 壓(如vlkV)下觀察

4、背散射電子成像；采用STEM探測器在掃描電鏡上進行薄樣品的掃描透射信號 觀察，分辨率可達lnm以下。(2) 通過采用特殊真空系統(tǒng)和二次電子探測器，發(fā)展出樣品室真空度可調(diào)控的低真空和環(huán)境掃 描電鏡。使得在保持材料(包括不導電樣品、生物樣品等)原始狀態(tài)的條件下，觀察樣品的原始表面形 態(tài)成為可能。(3) 掃描電鏡的附件多樣化。各種特殊功能的探測器(如mono-CL波長掃描陰極熒光探測器)、 專用功能模塊(如電子束曝光系統(tǒng))、專用子樣品臺(如Probe臺，低溫臺，高溫加熱臺，拉伸臺，等)都 出現(xiàn)在新的掃描電鏡上。(4) EBSD背散射電子衍射花樣分析系統(tǒng)在掃描電鏡上廣泛應用，可以在亞微米尺度進行材料

5、的結構和晶體取向分析。(5) 掃描電鏡的操作和使用更方便，提高工作效率。2. 透對電子顯微鏡在透射電鏡中，穿透樣品的電子束信號可以提供樣品內(nèi)部結構的信息。高能量電子束的波長遠遠 小于可見光，所以透射電鏡的分辨率要高的多,200kV的透射電鏡分辨率可以達到0.2nm以下。透射電鏡要求樣品必須足夠薄(約lOOnm),因此，制備透射電鏡樣品是一項關鍵的工作。透射電 鏡制樣設備主要有離子減薄儀、電解雙噴儀等。在半導體工業(yè)中，使用最多的制樣手段是FIB技術。透射電鏡最近幾年的主要發(fā)展是全數(shù)字化和附件的一體化c由于透射電鏡涉及的技術領域多，結 構復雜，操作困難，對用戶要求非常高，客觀上阻礙了透射電鏡應用的

6、普及。現(xiàn)在，完全數(shù)字化的透 射電鏡已經(jīng)成熟。全數(shù)字化的透射電鏡采用標準計算機和Windows系統(tǒng)兼容的操作控制軟件，實現(xiàn) 了多用戶環(huán)境管理；同時，透射電鏡的各種附件與主機系統(tǒng)實現(xiàn)完全一體化，使用同一換作界面，并 實現(xiàn)了多種信號的自動同步采集。透射電鏡的主要附件包括：掃描透射附件(STEM)、能譜儀、CCD相機和圖像處理系統(tǒng).電子能 量損失譜儀(EELS)和能量過濾成像(GIF)、洛倫茲透鏡和電子全息技術等。透射電鏡可在納米和原子尺度對樣品進行微分析。根據(jù)電鏡附件配置的不同，透射電鏡的分析功能也有所不同。目前一臺場發(fā)射透射電鏡可同時安裝多種附件，可以完成的分析功能包括：透射成像, 高分辨電子顯微

7、術,STEM分析，高分辨STEM分析,HAADF(高角環(huán)形暗場探測器,Z襯度)分析，電 子衍射，會聚束衍射，能譜分析，電子能量損失譜分析和能量過濾成像，等。圖13是透射電鏡在半導體工業(yè)應用的實例。圖1: Si/SiO2/多晶Si的高分辨像50403020108000070000600005000040000Portion (nm)I EDX haadf Detector une iEnerw (keV)Po6<»on (nm)圖3界面區(qū)域的能譜線掃描 分析3. 聚焦離子束(FIB)和梶雙束”技術聚焦離子束(FIB)設備與扌描電子顯微鏡相似，只足電子槍更換為傢離子源(Ga+),打

8、描電鏡鏡筒 更換為離了銳簡。與掃描電銳相比，聚焦離了朿有其特殊的“加丄"性能。由丁離了俅的動能遠遠大丁 電子束.離子束對樣品表面會形成沏割J"作用。圖4表示了電子束和離子束與樣品之間的相Q作用。圖4.密了束和電子束與樣品的相互作用和產(chǎn)生的信號對比從圖4可以看岀，離子束能夠從樣品表面轟擊出離了、原了和原了團，從而產(chǎn)生切割作用，同吋 離子束也從樣品表面激發(fā)出：次電子、X射線等信號。使用適當?shù)奶綔y器.就町以在FIB中進行成 像觀察或元素分析了。先進th fib設備有三種功能：樣品衣面成像、樣品切割和材料沉積。3.1樣品表面成像與扌描電鏡次電子等信號成像相似,FIB中可采用.次電子

9、，町進行能譜分析。另外,FIB還町 以釆用二次離子成像，采用二次離子質(zhì)譜進行元索分析。FIB中成像原理包括：形貌襯度成像.電付襯度成像和離子通道襯度成像。如圖5。圖5從左到右：二次申子形貌像、二次離子形貌像.電位襯度像和離子通道襯度相3.2樣品切割功能利用FIB對樣品的切割功能町對半導體樣品進行3D觀察和分析，或制備透射電鏡樣品。如圖 6X所示°在目前的EIB設備中，HB切割和制備透射電鏡樣品功能可通過軟件設定并自動操作。圖6. FIB切割截面圖7. FIB切割截面圖8. FIB切割透射電鏡樣品樣品圖9. FIB GIS（氣體注入）材料沉積示意圖3.3材料沉積功能在FIB中通過氣體注

10、入系統(tǒng)（GIS）向樣品表面通入特定的氣體，在離子束的作用下，氣體發(fā)生分 解，在樣品表面可形成材料的沉積。圖9表示了這個沉積過程的原理。目前GIS常用的沉積材料有以下幾種： 鉗（Pt）:硬度高，耐熱疲勞，導電性能 好。沉積氣體操作溫度3442。（3。鶴（W）導電性能優(yōu)于鉗。但沉積速度 比鉗低。操作溫度約50°Co絕緣（SiO2）:半導體器件內(nèi)SiCh連接 點阻抗約1G0,擊穿電壓20V。沉積操作溫 度為室溫。3.4增強蝕刻和選擇性蝕刻在FIB中，對樣品進行切割是一個離子 濺射的過程，從產(chǎn)品中轟擊出來的離子、原 子（團）可能會重新在樣品表面重新沉積，影 響切割的速度，有時甚至影響切割的效

11、果。 目前常用的增強蝕刻和選擇性蝕刻氣體包 括：EE:它是一種對金屬選擇性增強蝕刻的氣體。對鋁的蝕刻速度提供15倍以上，對氧化物的蝕刻 速度提高13倍。IEE:是一種對氧化物選擇性增強蝕刻的氣體。對氧化物的蝕刻速度可提高7倍。SCM（選擇性碳蝕刻）：對光刻膠和聚酰亞胺的蝕刻速度提高20倍，對鋁、硅和SiO2的蝕刻速度很 低。DE（形貌蝕刻）：對SiCh的蝕刻速度提高5倍，通過蝕刻可形成器件結構的形貌特征。CoppeRx（銅蝕刻技術）：標準的FIB切割過程無法得到令人滿意的效果，結合鵠沉積氣體和獨特 的蝕刻程序，可以達到理想的銅蝕刻效果，如圖10。使用CoppeRx蝕刻技術E 10. Coppe

12、Rx枝術和標準FIB過稈飩刻銅比較標準的FIB切割3.5離子束和電子束“雙束”系統(tǒng)在單束的聚焦離子束設備中，樣品表面觀察、分析和材料沉積、切割蝕刻等過程都使用離子束作 為激發(fā)源。由于離子束對樣品表面的“加工”作用，表面圖像觀察和分析等工作受到很多限制。同時配 備聚焦離子束和電子束的“雙束”系統(tǒng)成為目前主要的分析技術c雙束系統(tǒng)是FIB設備和掃描電子顯 微鏡的組合（圖11）,除了具有單束FIB和掃描電鏡的功能外，取束設備帶來了更多的優(yōu)點：在同一臺 設備上，使用離子束切割截面，使用電子束進行觀察和分析；原位切割樣品截面，原位沉積材料；使 用電子束進行金屬的沉積，沉積量控制更準確；制備更薄、更均勻的透射電鏡樣品。圖11.離子束和電子束“雙束”系統(tǒng)目前的雙束系統(tǒng)已經(jīng)可以直接對300mm晶圓進行觀察和分析，并已經(jīng)進入生產(chǎn)線進行在線的缺 陷分析和過程控制。結語在半導體分析實驗室，以聚焦離子束廣雙束"設備、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡構成了“結 構診斷”的中心，可以對晶圓和器件在微米到原子尺度范11內(nèi)進行2D/3D缺陷表征和失效分析。掃描電子顯微鏡以其分辨率高（可達1.5nm）、放大倍數(shù)范圍寬（20到30萬倍）、制樣簡單、操 作方便等特點，成為半導體分析實驗室中應用最廣泛的觀察和分析工具之一。透射電子顯微鏡分辨率可達到0.2nm以下，是在納米和原子尺度進行分析的連想工