（材料物理与化学专业论文）聚焦离子束辐照对mos晶体管性能影响的研究.pdf

论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：盟 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：虹导师签名：二羔r 丑日期：吐弘 摘要 摘要 微分析技术已经成为微电子产业发展的重要技术支柱，f i b ( f o c u s e di o nb e a m ) 结合了精细加工技术和微分析技术，具有在亚微米线度上的微细加工和高分辨率 成像的能力，使其成为t e m ( t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e ) 制样强有力的工 具，以及作为电路修补的有力手段。 聚焦离子束( f o c u s e di o nb e a m ) 系统现在被广泛应用于大规模集成电路的修补 中，过程中含有不可避免f i b 的辐照影响，f i b 辐照对微电子器件性能的影响受 到广泛的关注。本文以f i b 辐照对不同尺寸，不同类型的晶体管的影响作比较， 主要在阈值电压，跨导，迁移率等参数的漂移方面作了较全面的研究，同时对不 同类型的晶体管修复辐照损伤的方法作了讨论。 本文研究了两种栅尺寸的n m o s 晶体管( 2 0 m n x 2 0 1 t m 和2 0 p m x 0 8 p m ) ，在 不同辐射剂量作用下的阈值电压变化情况，发现在辐射后两种晶体管的阈值电压， 跨导，迁移率等参数发生了明显的漂移，辐照后的晶体管阂值电压在室温环境下 静置数日后有约3 0 的恢复，而在2 小时退火条件下阈值电压几乎完全恢复。 又针对不同类型的晶体管( 如埋沟工艺p m o s 晶体管) ，与常规的n m o s 晶 体管在f i b 辐照下的电学性能对比，较常规工艺的n m o s 晶体管，埋沟工艺的 p m o s 晶体管在跨导迁移率等参数的变化情况有相似的地方，但是在阂值电压变 化，辐照损伤修复方面显示出不同的性能。 本文从理论上对电离辐射引起阈值电压的漂移予以解释，使实际的电路修补 工作实现最优化，且更有针对性，从而确保器件在修补后的可靠性。 关键词：聚焦离子柬，电离辐射，m o s 晶体管，阙值电压 中图分类号：t n 3 0 4 0 7 ；t n 3 0 5 3 a b s t r a c t a b s t r a c t f o c u s e di o nb e a m ( f i b ) i sr e g a r d e da so n eo ft h em o s td i s t i n c ta n dp r o m i s i n g t e c h n i q u e sf o rm i c r o a n a l y s i sa n dn a n o f a b r i c a t i o n t h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r yu s e s f i bs y s t e m sf o rm a n ya p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n gc r e a t i o no fs i t es p e c i f i ct r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p yc r o s ss e c t i o n s ，x - r a ya n dp h o t o l i t h o g r a p h ym a s kr e p a i r ，a n dt o r e r o u t ee l e c t r i c a lc u r r e n tf o rc i r c u i tt e s t i n g t h ee f f e c t so fi r r a d i a t i o nf r o maf i bs y s t e mo nm o st r a n s i s t o r sa r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yi nm yw o r k i t sw e l lk n o w n t h a tf i bi m a g i n ga n dc i r c u i tm o d i f i c a t i o n p r o c e s s e sc a nd e g r a d ei cp e r f o r m a n c e ，a n df i bi n d u c ec h a n g eo ft r a n s i s t o ro ri c p a r a m e t e r s t h i sw o r kh a v es t u d i e dt h ee f f e c to ff i be x p o s u r eo nt r a n s i s t o rp a r a m e t e r sa sa f u n c t i o no fi o nd o s e ，s u b s e q u e n tt h e r m a la n n e a l i n g b o t hn o r m a ln m o sa n db u r i e d c h a n n e lp m o st r a n s i s t o r so fs e v e r a lg e o m e t r i e sw e r ee x p o s e dt of i bi r r a d i a t i o nw i n l4 d i f f e r e n ti o nd o s e p a r a m e t r i ct e s t i n gw a sp e r f o r m e dp r i o rt oa n da f t e ri o nb e a m e x p o s u r e t on o r m a ln m o st r a n s i s t o r , s i g n i f i c a n ts h i f t si nt h r e s h o l dv o l t a g ew e f eo b s e r v e d u n d e rf o u rd i f f e r e n ti o nd o s ei r r a d i a t i o n f i b i n d u c e dt h r e s h o l dv o l t a g es h i f t sw e r e b a k e - r e c o v e r a b l e t h ep h e n o m e n at h a tt h r e s h o l dv o l t a g es h i f ta s s o c i a t e dw i t ht h ef i b i r r a d i a t i o nw a se x p l a i n e db yt h ei n t e r f a c ec h a r g et h e o r y t h ec h a n g eo ft r a n s c o n d u c t a n c ea n dm o b i l i t yi np m o st r a n s i s t o rw i t hb u r i e d c h a n n e lw a ss i m i l a rt ot h a to fn m o st r a n s i s t o r s ，w h i l et h ep m o st r a n s i s t o r ss h o w e d t h e i rc h a r a c t e r i s t i co f t h r e s h o l dv o l t a g es e l f - f i x i n g t h eo b j e c t i v e so ft h i sw o r kw e r et oa n a l y z eh o wt h ef o c u s e di o nb e a mi n t e r a c t s w i t l lt r a n s i s t o rt oc a u s ed e g r a d a t i o ns ot h a tf i bc i r c u i tm o d i f i c a t i o np r o c e s s e sc a l lb e o p t i m i z e d k e y w o r d s ：f o c u s e di o nb e a m ；i r r a d i a t i o n ；m o st r a n s i s t o r ；t h r e s h o l dv o l t a g e c h i n e s el i b r a r yc l a s s i f i c a t i o nc o d e ：t n 3 0 4 0 7 ；t n 3 0 5 3 2 引言 引言 集成电路自发明以来，随着制造工艺技术的不断改进和加工精度的不断提高， 使得器件的特征尺寸不断缩小，从而集成度不断提高，功耗不断降低，器件性能 价格比得到很大提高。微电子技术不仅实现了产业化，而且已经经过了小规模， 中规模，大规模，超大规模和特大规模的集成电路发展阶段。i c 芯片的集成度大 约每隔三年增加4 倍，而特征尺寸大约每三年缩小1 4 倍，很好地验证了著名的摩 尔定律( m o o r e 8l a w ) 。现代微电子产业发展迅速，随着集成电路工艺走进亚微 米、深亚微米领域，由于集成电路设计、制造和可靠性考核的周期直接影响产品 的市场竞争力，市场要求微电子业缩短i c 设计生产、测试的周期，相应的工艺诊 断和失效分析变得愈来愈重要。 微分析技术是基于束与物质相互作用基础上的各种束的与谱的分析技术，包 括电子柬、离子束、x 射线柬、光束与能谱、色谱、光谱及x 射线等。微细加工 的实质是局部( 微区) 改变材料性能，因而要了解原始材料质量以及监控加工效 果，就必须对加工前后材料中痕量杂质的变化、材料微区组分的变化、微区结构 的变化以及微区的形貌有确切的了解，所以微分析技术实质是对材料微区的组分、 结构、形貌于痕量杂质进行分析的技术。随着i c 微分析加工技术日益精细，微分 析技术不仅仅能对微细加工过程中所用的材料、工艺做有效的监控，确保微电子 企业生产的重要运转，而且能对芯片制造和使用过程中出现的各种故障和问题进 行失效分析，以提高芯片的成品率，从而确保芯片本身的可靠性。此外，微分析 手段能帮助在现有的工艺加工能力基础上开发新的工艺模块。 现代微电子业发展迅速，传统的分析手段己不能满足需要，例如制样技术， 传统的扫描电镜和透射电镜制样技术对于尺寸很小的观察点很难定位，每次制样 的时间长、工作繁琐、成功率低，且传统技术无法将微分析与微细加工结合起来 对微结构进行加工修正。 另一方面，现代半导体制造业迅速发展，对产品质量要求越来越高，产品的 良率至关重要，因此对相关的微分析技术的要求也越来越高。 随着场发射离子源的发展，尤其是镓液态金属离子源的应用，大电流，高分 辨率的f i b 技术有了突飞猛进的发展。f i b 设备能够在亚微米的线度上对器件和 材料进行微细加工( 包括高速率的刻蚀和细线条的淀积) ，还能构高分辨率地成像， 因而对亚微米以及深亚微米器件的工艺和所需材料进行微分析研究的十分强有力 的工具，随着集成电路工艺的发展正在日益显示出其优越性。 随着集成电路工艺向深亚微米尺寸领域的迈进，集成电路产品的特征尺寸越 来越小，器件结构越来越复杂，相应的定位制样工作也越来越困难，样品制备的 成功率也越来越低。f i b 设备本身是强有力的分析工具，同时由于其在亚微米线 3 引言 度上的微细加工和高分辨率成像的能力，更使他成为强有力的制样工具以及作为 电路修补的有力工具。i l l - f 2 聚焦离子束( f i b ) 技术是一种将微分析与微细加工相结合的新技术。系统采 用镓液态金属离子源，其探针尺寸小于1 0 r i m ，电流密度高达1 0 2 0 a e r a 2 。由此产 生的一次离子束具有许多优越之处：它可在电场、磁场作用下进行高速、高精度 的控制，而获得平行束，也可聚焦成微细束；可在电场作用下加速、减速，而改 变能量；离子在固体内直进性好等等。口l 同时，f i b 具有很高的空间分辨率，结合 离子激发的薄膜生长和化学刻蚀，可广泛应用在微米、亚微米线度上对器件和材 料进行微细加工，高速率地刻蚀和细线条的淀积，修补光刻掩膜板以及精密制各 t e m 样品f 4 】- 嘲；利用一次高能离子激发的二次离子束可高分辨率的成像，并结合 场发射扫描电子显微镜和投射电子显微镜作微区结构和组分分析。总之，f i b 集 形貌观察、定位制样和电路修正等功能于一身，大大提高了i c 失效分析的速度和 精度，从而缩短i c 设计的生产和测试周期。 f i b 在集成电路产业的应用中有着优越性，f i b 具有较高的定位精度与较强的 图形化能力，进行t e m 制样，电路修补成功率高，并可避免影响周围电路结构， 但是f i b 的也会对加工的样品造成一定程度的损伤，如用f i b 制备t e m 的样品时， 一方面，离子束使得t e m 的制备更加精准和高效，而另一方面，离子柬对样品伤 害的影响已经严重制约了t e m 样品品质的提高，t e m 样品中间是晶体层，而两 边则是被离子束损伤形成的非晶层，这层非晶层对t e m 样品的质量影响很大，限 制了t e m 样品的厚度；同时f i b 在成像和电路修补的过程中，会有一部分静电荷 积累在器件表面，引起器件参数退化；在离子刻蚀中注入的离子也会引起器件的 参数退化，严重影响着器件的可靠性。 f i b 制备的t e m 样品产生的晶格损伤，通过一定的手段是可以减弱晶格损伤 非晶化程度，比如使用低能量离子束切割，这也是一些主要f i b 供应商目前提供 低能离子束的原因。 f i b 在进行电路修补过程中，会有一部分电静荷积累在器件的表面，造成器 件的参数退化在离子刻蚀过程中注入的离子也会引起器件的参数退化，严重影响 着器件的可靠性。 本论文分析了f i b 对不同的m o s 器件参数退化的影响，探索f i b 对器件引 入的主要的损伤机制，寻求恢复其退化参数和失效性能的有效方法。本文研究了 f i b 辐射前后电学参数的变化与离子剂量的关系，以及在随后的退火条件下器件 性能的恢复情况，对现实f i b 修补电路的工作有着较大的应用价值。 第一章主要是f i b 系统的简介。 第二章主要介绍了前期的准备工作，包括样品的选择，器件参数提取的方法， 4 引言 以及作者使用b s i m p r o 对实验样品参数的提取结果。 第三章将在第二章提取数据的基础上，系统介绍f i b 辐照对晶体管的影响， 包括辐照剂量的改变对晶体管参数的影响；晶体管的尺寸、类型对参数漂移的影 响等。 第四章从理论上寻求f i b 与晶体管作用的损伤机制。 第五章将主要介绍如何修复f i b 的损伤，针对不同工艺的晶体管，有不同的 损伤修复手段。 第六章对论文工作进行总结，对今后的工作进行展望。 5 第一章f i b 系统 展。 第一章f i b 系统 本章将着重介绍f i b 系统的结构及工作原理、基本功能、应用、优点及其发 l - 1f i b 系统结构 图1 1 f i b2 0 0 x p 系统外观图 f i b 系统( 由于制造厂商的不同，同时f i b 系统也不断地更新换代，系统构 造及离子源的使用会有一些差别，但大致的构造及基本工作原理大都相同) 可分 为：c o l u m n ( 包括离子源、离子束聚焦扫描系统) ，样品台，真空系统、检测供 电和计算机数据处理及控制等辅助系统。其中c o l u m n 是f i b 系统的核，d 组成部 分，其他的如g i s 系统都要在c o l u m n 的支持下才可工作。 f i b2 0 0 x p 系统的c o l u m n 依次由离子源系统、离子束流准直和聚焦系统、离 子束消隐系统及图像偏转系统等组成。 6 第一章f i b 系统 纵向结构 组成元素 s u p p r e s s o r 、e x t r a c t o r 、液态金属离子源( l m i s ) 、 离子源系统 允可光圈( a c c e p t a n c ea p e r t u r e ) 物镜一、b d a 光圈、物镜二、 离子束准直和聚焦系统 物镜一的四极掌控板、物镜二的四极掌控板 离子柬消隐系统 离子束消隐光圈 图像偏转系统 八极偏转器 1 1 1 离子源 表1 1c o l u m n 的系统组成 f i b 系统大多采用液态金属离子源( l i q u i dm e t a li o ns o u c e ) ，还有一部分采 用气体离子源( g f i s ) 。f 7 1 可用作l m i s 的金属必须满足以下条件：该液态金属可 以润湿离子源的针尖；对针尖无腐蚀作用：熔融状态下由较低的饱和蒸汽压；以 及有较长的寿命。 比较常用的l m i s 可分为：单元素离子源和合金离子源。前者主要有：镓( g a + ) 离子、金离子、铯离子等，其中将镓离子作为离子源的系统比较普遍，因为镓在 常温下为液态，无需加热、液化过程，且镓离子的寿命较长。而将金离子、铯离 子用作离子源的系统一般有特别的应用，如金离子源主要用于对x 射线掩膜版的 修补。对合金离子源，在离子柱腔体里还应配备质量分离器，利用不同的离子的 荷质比不同，形成某个组成元素的离子束，而将其它元素偏转到离子束外。合会 离子源可用于半导体器件的离子注入和改性，如将含有b 元素的合金作为离子源， 可将b + 注入到半导体器件的特定微区，使该微区由n 型变成p 型。 图1 2 离子源针尖图片 7 第一章f i b 系统 液态金属离子源的工作原理如下：初始状态下，镓原子( 此处以f i b 2 0 0 x p 系统为例) 覆盖在衬底上并有加热线圈对其进行持续加热以保持离子源的清洁， 场发射离子源中电子被势垒束缚在原子核周围。离子源上施加一个很强的电场， 电子通过隧道穿透效应穿过势垒，继而产生很多g a + 。( 对离子源加热时应小心保 护，过分加热将明显缩短其寿命。) 抽取电场通过在抽取电极( s u p p r e s s o r 和e x t r a c t o r ) 上加一个负高压来实现。 在该电场影响下，ca + 离子l m i s 受压向尖端延伸，形成圆锥状的泰勒角【9 l ，如图 1 3 。锥形发射源微小尖顶的末端半径约2 n m ，场致离子发射就在此处发生。电场 的大小以及g a + 表面平衡张力决定了此角度的大小。 图1 3 泰勒角和允可光圈 离子发射形成后，在允可光圈处形成第一次限束。允可光圈将大部分的场致 发射离子阻挡掉，以保证离子柱最后形成聚焦且准直的离子束。 1 1 2 离子束准直和聚焦系统 通过允可光圈的离子束在电磁透镜的聚焦作用下形成交叉点，交叉点后再由 限束孔光圈进行第二次限束，然后经电磁透镜二聚焦，就接近样品表面了。 8 第一章f i b 系统 图1 4f i b 的离子束聚焦系统示意图 在b d a 光圈的上下各有一个四极掌控板，分别是物镜一掌控板和物镜二掌 控板，通过调节四极掌控板，可调节交叉点的位置。通过交叉点的位置调节和第 二组透镜，可以控制离子束的定位，使离子束的大部分可通过限束孔的中心，形 成很小的离子束斑( 直径可达8 r i m 【s j ) ，达到准直和聚焦的目的。 由于f i b 系统所采用的离子比较重，与电子束聚焦相比，离子束聚焦要难得 多，离子束聚焦系统也复杂得多。f i b 系统的分辨率主要由离子束到达样品表面 的束斑大小决定，离子束斑直径受以下因素影响：金属离子源在针尖上的大小、 由于各个离子能量细微差别而引起的色差、由于透镜系统不共轴而引起的球差等。 同时，离子束流大小也会对束斑直径产生重要影响，束流越大，最小束斑就越大。 1 1 3 离子束消隐系统 只要离子束在扫描样品，样品表面的原子就会被持续剥离。离子束消隐系统 的设立就是为了保护样品免受这种无意义的破坏。 离子束消隐组件包括消隐电极、束消隐孔和监测消隐电流的皮安电流计。其 具体工作原理如下：当离子束于离子柱内穿过消隐孔时，通过分别对离子束消隐 9 第一章f i b 系统 光圈的两侧施加正负电压，使离子束从入射孔方向偏离进入周围的法拉第杯，从 而避免了离子束在样品上扫描，有效地防止了样品被持续剥蚀，达到保护目的。 皮安电流计可测量进入到法拉第杯的离子束电流大小并显示在用户接口界面上。 1 1 4 偏转系统 图像偏转系统工作时并不偏转样品本身，而是通过改变离子束扫描角度来达 到图像偏转的目的。 图像偏转系统通过一个八极偏转器在离子束扫描时改变离子束本身x 、y 方 向扫描的角度，并保持视频监视器光栅的位置固定不变，而使显示出来的图像偏 转了。八极偏转器受两种类型的电压( 扫描和转换) 控制，可向离子束提供扫描、 转换及对自身的相散校正功能。( 如图1 5 ) b 醐e c t o r ( a ) 图像偏转系统 1 1 5 样品室 ( b ) 消除相散 图1 5 图像偏转系统示意图 样品室位于c o l u m n 下，是放置样品的地方，包括样品架、探测器、气体注入 系统和其他的一些附件。 1 样品台 样品台( 如图1 6 ) 可向x 、y 、z 方向平动，还可水平转动和竖直面倾斜移 动。样品台的操作在f i b 2 0 0 x p 系统中，可直接通过手柄操作，也可通过与之相 连的电脑软件进行控制。 1 0 第一章f i b 系统 图1 6 样品台 2 气体注入系统g i s ( g a si n j e c ts y s t e m ，简称g i s ) 气体注入系统用于化学反应淀积或化学增强刻蚀中，向样品表面注射反应气 体，主要由注射、控制、安全三部分装置组成( 一般在样品室可以装不止一个注 入喷嘴) ，如图1 7 。控制装置用于设定不同样品材料所适宜的工作温度，并配合 安全装置确保在适宜条件下开启气体注入的阀门。 ( a ) 气体注入 图1 7 气体注入系统 ( b ) g i s 探针照 它的的工作原理是：反应气体通过坩埚中的化学反应释放，在坩埚加热的同 时阀门打开，气体由坩埚通过送气针注射到样品表面的指定位置，反应形成的挥 发性产物由抽气泵抽走。 第一章f i b 系统 1 1 6 成像系统 f i b 系统通过探测器收集离子束与样品相互作用而引发的二次离子等信息， 再经过计算机放大用以调制显示区扫描点亮度直接形成图像，如图1 8 。 探测器收集到因离子束激发而产生的二次电信号，经过计算机放大，并用以 调制显示区域的扫描点亮度，直接显示样品表面形貌图。由于图像显示维持原尺 寸，当离子柬扫描区变小时，图像放大倍率将增加。成像质量受溅射产额影响， 但电流过大将加速对样品的剥蚀。 1 1 7 真空系统 图1 g 气体注入系统 聚焦离子束必须运行在较高的真空环境中，防止离子在不断加速过程中，因 受到腔体内气体粒子的干扰而降低强度。真空系统采用机械泵、分子泵、离子泵 组成的抽气系统，镜筒真空度须达到1 0 m b a r ，样品室的真空度须达到1 0 5 m b a r 方可使用。 f i b 系统的运行对环境要求较高，外界的机械振动和电磁干扰对其离子束聚 焦准直系统产生严重的影响，影响f i b 系统正常工作。 1 2f i b 基本工作原理 具有一定能量( 几千电子伏) 的离子入射到固体表面时，由于离子质量很大， 而且离子除带有电荷外，本身还具有能级结构，所以它与固体表面的相互作用过 程比较复杂。而高能离子束与样品的相互作用构成了f i b 技术功能和应用的基础。 1 2 第一章f i b 系统 图1 9 离子与固体表面的相互作用 高能离子束与固体样品表面相互作用过程的物理图象如图1 9 所示。图中的 固体表面由a 、b 两种元素组成。入射离子束到固体表面时，一部分与表面发生 弹性或非弹性碰撞，改变其运动方向而背向散射，这些离子叫做背散射离子。表 面原子受到离子撞击，部分原子发生位移、受激，还有部分固体表面原子被打到 固体表面下层，即反弹注入。另一部分离子可以穿入表面，在表面下层与固体原 子发生一系列极联碰撞，将其能量逐步传递给周围晶格，最后能量损失殆尽而停 留在晶格之间，叫做离子注入。在原子的极联碰撞过程中，受到碰撞的原子数目 急速增多，其中必然有一部分影响到表面原子，如果受碰撞后其动量方向是离开 表面，而且能量又达到一定阂值时，会引起表面粒子出射，这种现象称为溅射。 溅射出来的粒子可以是原子、分子、或原子团，可以是中性的，也可以是受激状 态的，还可以是正负离子。同时，在离子与表面相互作用过程中也会有电子和光 子发射，还会有热效应和化学反应发生。 对于离子与固体表面相互作用过程，可以归纳为两方面的效应：一方面，在 固体表面及表层内发生的一系列变化：另一方面，有各种粒子从固体表面逸出。 1 2 1 固体表面及表层内发生的过程 表面及近表层的原子、分子和原子团以中性、受激态或离子的形式发射出来， 这一区域一般涉及到两三个原子层的深度，叫做发射区。一般来说，溅射粒子质 1 3 第一章f i b 系统 量越大其逸出深度越浅，溅射粒子能量越大，逸出深度越深。 入射离子注入及表面原子反弹注入，它们穿入表面下层的深度叫注入区，注 入区深度与入射能量、入射角度及入射离子种类和表面状况都是有关的。 在入射离子的撞击下，固体表层晶格受到扰动，产生些缺陷及原子错位， 叫做辐射损伤。这种现象波及的区域比注入区更深些，叫做晶格波及区。 在固体表面还会因离子轰击而发生化学键断裂或形成新的化学键，及在表面 可能引起化学反应。如果在固体表面喷附有辅助气体分子，则可以实现增强刻蚀 和薄膜淀积。 1 2 2 各种粒子从表面逸出过程和从中获得的信息 从表面逸出的各种粒子来自不同的物理过程，带有丰富的表面信息，比较重 要的有以下几种： a )散射离子。是在表面或表层弹性散射或非弹性散射的入射离子，它的能量 分布和角分布反映了表面原子的信息。 ”二次离子。从表面溅射出的离子中，有一部分是以正负离子的形式出现的， 它们来自固体表面，对它们的能量和质量进行分析，可以直接得到表面组分的信 息。 c )电子。发射的电子可能来自表面，也可能来自比较深层。如果入射离子在 表面发生俄歇中和，则可产生电子发射，但在表面下层是固体原子受激或电离时， 也会有电子放出，这些电子都带有表面的信息。 d ) x 射线及光发射。可能来自表面及表层，各种退激发及离子中性化过程都 可以导致光发射。离子诱导产生的光发射常常带有表面化学成分及化学态的信息。 1 2 3f i b 系统的基本功能 按照高能粒子束与固体样品相互作用的机理和产生的效应，f i b 有以下四种 基本功能： 1 高分辨率扫描离子显微成像( s i m ) 在离子束以帧的形式对样品表面进行扫描时，会使样品表面散射出二次电子 和二次离子，通过探测器对不同微区、不同材料所发出的带电粒子进行收集并计 数，再经过放大处理，可以形成样品的高清晰度、高分辨率的图像。 9 1 1 4 第一章f i b 系统 图1 1 0 二次电子与二次离子的产生 对于绝缘样品，二次电子产额很低，成像质量不高。用扫描电镜( s e m ) 分析时， 需在表面涂上导电层。而f i b 系统可进行二次离子成像，所以无需对样品做预处 理，在分析介质层时可直接得到较清晰的图像。当然，由于离子束较难聚焦，与 s e m 相比，s i m 的空间分辩率要差一些，但是随着f i b 技术逐渐走向成熟，离子 束斑已经缩小了很多( 从最初的3 p m 减小到目前的5 - l o n m ) ，使s i m 的分辨率有 了很大的提高。 2 微区溅射和增强刻蚀【l o j 当高能粒子束与样品表面作用时，动量会传递给样品中的原子或分子而产生 溅射效应。利用高能离子束对样品的溅射效应，f i b 可以非常精确地对样品特定 微区进行刻蚀，即“溅射刻蚀”( 如图1 1 l a ) 。刻蚀形状主要由离子束的扫描范围 决定，受系统稳定性引起的漂移影响；刻蚀深度由f i b 的加速电压、束流大小和 刻蚀时间等参数决定。通常刻蚀较大区域时选择2 7 0 0 p a 以上的束流，进行微细加 工时则常用3 5 0 1 0 0 0 p a 的束流；且刻蚀的整个过程无需掩膜和光刻。 这种纯物理溅射过程中，由于被溅射物质往往是不挥发的，容易引起重淀积 现象。而降低刻蚀效率并阻止进一步刻蚀，且当被刻蚀物质为导体时会引起漏电 现象；重淀积的程度与坑的深度和被溅射出的离子数成正比，即与溅射刻蚀的离 子束流大小成正比。 气体注入系统的引入可以克服上述缺点。在刻蚀过程中，将反映气体喷到样 品表面的刻蚀区域，高能离子束诱生吸附在样品表面的气体与刻蚀区样品进行化 学反应，产生的挥发性反应产物由真空泵抽走，这就是“增强刻蚀”( 如图1 1 l c ) 。 1 5 第一章f i b 系统 它不仅有效地防止了重淀积，大大提高了溅射速率，且具有相同的刻蚀形状和精 确度；另外还对不同样品材料有很好的选择性即在同样的刻蚀条件下，由于 不同材料与反应气体的化学活性不同而使刻蚀速率明显不同，从而大大降低了对 刻蚀终点控制的要求。 材料溅射刻蚀的选择性增强刻蚀的选择性 s i s i 0 2 l8 a i s i o ： 0 81 5 2 0 g a a s s i 0 2 3 1 7 g a a s1 26 i n p a u24 表1 2 普通溅射刻蚀与增强刻蚀对不同材料的选择性 7 ( 即两种材料刻蚀速率之比) 图1 1 1f i b 刻蚀和溅射示意图 3 特定区域薄膜淀积( 导电膜和绝缘膜) 1 1 1 1 在特定区域淀积金属或介质薄膜，机理与反应刻蚀相似都是在高能离子 束作用下所进行的化学反应，只是所采用的反应气体不同。 1 6 第章f i b 系统 图1 1 2f i b 淀积薄膜原理示意图 增强刻蚀( 化学反应刻蚀) 所用的腐蚀气体本身不与样品材料作用，只有在 受高能离子作用离解后具有活性才可与样品表面反应，既反应气体只在离子束扫 描区才与样品表面发生化学作用。化学反应产物可挥发，当其脱离样品表面时， 直接被真空系统抽走。工作原理如下： x ( s o l i d ) + r a g ( g a s ) 山- i o nf l u x 专x g 。t ( v o l a t i l e ss p e c i e s ) 特定区域薄膜淀积的反应气体始终未与样品表面发生化学作用，而是在离子 束扫描区，高能离子束是吸附在样品表面的单层反应气体分子分解为易挥发部分 和不易挥发部分，易挥发部分被真空系统抽走，而不易挥发部分则淀积下来，形 成f i b 轰击区薄膜淀积。工作原理如下： g ( g a s ) 山- i o nf l u x 哼g ( g a s ) t + s ( s o l i d ) 山 有关研究考察了特定区域薄膜淀积( 即化学反应淀积) 速率与离子束电流、 反应气体流量、离子束照射时间、扫描周期四个物理量的关系，得到以下结论： 淀积过程中，薄膜淀积速率与离子束流有着密切的关系：在较低的离子束流下， 由于辅助气体为充分分解，淀积速率相应较低；随着离子束流增大，淀积速率 逐渐提高，且会在某一束流下达到最大；若离子束继续增大，一方面，部分离 子使气体分解，形成淀积，另方面，过剩的离子又会对淀积薄膜产生溅射效 应，从而使淀积速率下降，淀积的薄膜结构变得粗糙。 在一定的离子束流下，某一定量的反应气体流量恰好能够完全分解，过低则降 低淀积速率，过高则非但对淀积速率无任何帮助，且不仅在浪费反应气体，也 1 7 第一章f i b 系统 在玷污样品室a 离子照射时间( d w e l lt i m e ) 和扫描周期是两个不可分割的参量。在一定的离 子束流和反应气体流量下，照射时间不足将使得样品表面所吸附的反应气体的 不到充分反应，而过长却是的反应气体被完全消耗后，离子束溅射刻蚀薄膜。 在照射时间一定的情况下，淀积速率随扫描周期的增大而减小，这是由于被扫 描的单个所受照射的时问变长的缘故。 由上可知，在淀积某一类型的金属或介质时，要得到最佳的材料层，必须选 择合适的离子束电流、反应气体流量、离子照射时闻和扫描周期。 4 半导体器件离子注入| 1 2 l 州i 1 如前所述，f i b 技术利用不同的离子源，特别是利用合金离子源，可以向半 导体器件特定微区进行无掩膜离子注入。该技术利用f i b 空间分辨率较高的优势， 在器件的特定微区以不同离子种类和剂量进行注入，可以改进器件性能，例如， 将b + 或a s 。注入到双极型晶体管的基区，使其掺杂浓度在平面内呈梯度变化，以 控制基区的阻值分布；将b + 注入m o s f e t 的n 型沟道内，可以提高器件击穿电压。 1 3f i b 系统的应用 f i b 系统作为一种新兴的技术手段，在微电子领域，特别是亚微米、深亚微 米领域的i c 器件设计和制造等方面具有广泛的应用。 1 微电子器件的剖面分析 若要对v l s i 器件进行工艺诊断或失效分析，制作特定位置的剖面是必不可少 的，传统的方法是通过手工研磨，费时费力，同时由于研磨过程与电子显微镜下 观察交替重复进行，致使失误率非常高，而且随着器件的特征尺寸越来越小，传 统方法制作器件剖面越来越难。 f i b 技术可以在高分辨率的清晰s i m 图像下，运用离子刻蚀或气体增强刻蚀， 非常精确地在器件的特定微区制作剖面。而且f i b 对所加工的材料无限制，还可 边刻蚀边利用s i m 实时监控，使得加工的剖面具有极高的定位精度( o 1 u r e ) ， 同时由于整个过程所受应力很小，剖面具有很好的完整性。f i b 技术还可在同一 器件的多个方向制作多个剖面( 图1 1 3 ) ，使观察形貌更全面、清晰，而这是传统 方法无法获得的。 1 8 第一章f i b 系统 ( a ) f i b 成像示意图( b ) f i b 下集成电路i c 剖面照片 图1 1 3f i b 多剖面观察 2 t e m 样品制备 随着i c 的线度向亚微米发展，透射电子显微镜( t e m ) 困具有极高的空间分 辨率及较强的分析能力，变得愈来愈重要。但是因为t e m 技术需要电子束穿透样 品，样品观察区的厚度需要减薄至o 1 u m 以下致使t e m 样品的制备很困难。以往 通过离子束削磨( m i l l i n g ) 和手工研磨制样，费时费力，成功率很低，并且只适 用于块状材料样品，对器件样品无法定位，大大限制了t e m 技术在器件分析中的 应用。 f i b 技术的出现解决了t e m 制样中的困难。先通过手工操作利用切割、研磨 等方法将器件减薄到5 0 1 0 0 u m 左右，再利用f i b 打掉t e m 样品特定微区两侧的 区域，直至形成o 1 u m 的“薄墙”，“薄墙”上保留了欲观察的器件结构。为了获得 高质量的“薄墙”并减少离子束轰击而引起 的损伤，样品制备过程中，要先在样品的 保留区域上利用f b 淀积一层p t ，以保护 该区域并随着刻蚀地进行，逐步调整f i b 的束流，由最初的束斑较大、刻蚀速率较 快的大束流调至中束流，最后用束斑最小 的( 小于1 0 n m ) 的束流进行非常精细的 刻蚀。 f i b 系统的微细加工和精确定位能力 大大缩短了t e m 样品制备的周期，大幅 度提高了样品制备的成功率。 图1 1 4f i b 制备的t e m 样 1 9 第一章f i b 系统 3 微电子器件互连线加工 f i b 系统具有的刻蚀和淀积的功能，己被广泛应用于半导体集成电路i c 器件 的再加工。 图1 1 5f i b 在半导体i c 产业中的作用与地位示意图 当器件失效时，或利用f i b 技术制作剖面找出失效原因，并利用刻蚀、淀积 改进器件互连线结构，去除失效成因；或在需要对产品内部的小型电路进行可靠 性电学测试时，利用f i b 的刻蚀与淀积来制作与产品内部小型电路相同的电学探 测孔或探测点。实际应用中，对于内部有多层布线结构的器件，若修改其内部连 线或对该器件的局部电路进行测试时，先利用f i b 技术淀积绝缘膜将该局部结构 和器件的其他结构隔离歼来，再淀积金属将内部引线引出器件表面，并制作探针 测试脚以供测试分析。 ( a ) 修正电路( b ) 修正电路剖面照片 图1 1 6f i b 电路修正示意图 2 0 第一章f i b 系统 如图1 1 6 所示，电路修正要求将图1 1 6 ( a ) 中a 位置与b 位置用导线连接 起来形成通路，同时将c 位置的引线截断，切断器件c 3 与c a 的联接。图1 1 6 ( b ) 为剖面示意。图1 1 7 给出了电路修正后的照片。 图1 1 7f i b 电路修照片 因为f i b 无论成像、刻蚀、或者淀积金属，能量均使用的是正电荷( g a + ) 当来源，所以会在离子束照射区域造成电荷积累，这种电荷积累会造成e s d 、成 像聚集漂移、m o s 器件参数退化等现象。为了避免电荷积累产生的不好影响，f i b 要求样品具有导电性，这样积累的电荷可以通过接地的样品台释放掉，对于绝缘 样品则需要在其表面镀一层导电薄膜( 如a u ) 以保证导电性。一些型号的f i b 配 有用于中和正电荷的f l o o d g u n ( 如图1 1 8 b 所示) ，它通过喷射电子消除电荷积累。 ( a ) 电荷积累( b ) 电荷中和系统 图1 1 8f i b 电荷积累与中和 2 l 第一章f i b 系统 但是对m o s 器件来说，由于栅极浮在氧化层之上，即使整个器件接地，电荷 仍然会在栅极积累无法释放，造成器件参数的退化，基于这一问题，本文就f i b 对m o s 晶体管性能的影响进行了深入研究。 图1 1 9f l o o d i n gg a t e 利用离子束激发的电流大小不同而形成的图像对比度不同可以识别某条电路 的开路、浮空或接地，但此方法不适用于高阻线路。 电路修补是f i b 系统的另一个重要应用，对微电子产品的设计，制造具有重 要的意义。通过f i b 的刻蚀与淀积可将原本短路的电路断开，也可将原本开路的 电路形成互连，完成电学功能( 注意f i b 淀积互连线引入的电阻) 。 4 、金属薄膜多晶结构的观察 铝膜是i c 器件内连中最主要的导电膜，其多晶微观结构与成膜工艺有很大关 系，且会直接影响电迁移等性质，故观察i c 器件薄膜的多晶微观结构对互连的可 靠性研究具有重要的理论和实际生产意义。当f i b 扫描铝膜表面时，由于不同晶 粒的晶向不同，入射离子束与不同晶向所成的角度不同，使得各个晶粒发射出的 二次电子、二次离子的数量也不同，从而不同晶向的晶粒会形成不同灰度的s i m 图像。 第一章f i b 系统 利用f i b 观察铝膜的微细结构，可对晶粒取向、晶粒大小、晶界和晶粒做统 计分析，以对铝膜的生长工艺质量进行监控。 图1 2 0f i b 晶粒观察 5 纳米制造中的直接写入( d i r e c t w r i t i n g ) 【i 5 j f i b 技术是把离子束斑聚焦到亚微米甚至纳米尺寸，通过偏转系统实现微细 束无掩膜加工的新技术。f i b 的直接写入技术是利用离子束直接轰击工件将图形 转移到基片上的加工方法，它通过在基底上去除或者添加材料实现亚微米至纳米 级的加工，包括研磨、注入和沉积三方面。f i b 的精确定位和此微细加工能力相 结合在制备半导体低维材料方面的优越性越来越明显。通过f i b 研磨可加工亚微 米及纳米级的槽，进行微梁的修调：f i b 注入和湿法刻蚀技术可加工多种微纳结 构；f i b 沉积技术可加工悬垂结构和进行密封封装。 第一章f i b 系统 1 4f i b 系统的优点及其发展 1 4 1f i b 系统的优点 f i r s tb e a l l l h v e ii i s e c o n db c a m _；p h o t o n e 。 a u g e r e b s is e c o n d i s e c o n d i ： he l e m e n t ：vv + i c a p a b i l i t y i 。， ”+ i p p m q u a n t i f i a b l e 刈”。 v ， ”x f i n ea r e a 。 v w e l ld e p t h“ _ ： 审v守 _? c h e m i c a l w 。7 ： ，j 套 vi 泌 5 “ s t a t u s ” ” d e s t r u c t i v e 9 0 e t c h a b l e j t 砘 x “ m o d i f i c a t a b l ex 。 ， m i l l a b l d i 。 一。“ 一 表1 - 3f i b 系统与其他多种分析仪器的性能比较 ( 符号说明：v 中等；卜可以达到；不能达到) 表1 3 显示了f i b 与其他分析仪器相比的特点。另外，由于f i b 系统使用的 一次束和二次束完全与s i m s 一样，所以f i b 系统可以通过加装一个s i m s 组件来 实现s i m s 元素分析的功能。 e l e m e n t s a m p l ep r e p a r a t i o n p r i c e t o p o g r a p h y c r o s ss e c t i o n a n a l y s i s d ；f f i c u l t f i b ( 加装 m 诎o ko k o k