半导体制造中的失效分析工具原理及应用(SEM,TEM,FIB)

1、图1:Si/SiO多晶Si的高分辨像图2.STEN半导体工业中的*缺陷表征和失努信息技术是当今世界发展最为迅速的技术之一，支是日新月异。目前最先进的半导体工厂已经使用300mr采用200mm晶圆和小于0.25微米线宽的生产线也已有制造技术的进步对半导体工业中的分析检测技术和析技术在半导体工业中已经成为日常的、普通的分析手周期，提高了分析的精度和准确度，显著地推动了生产刁目前200mm晶圆工厂实验室使用的物理分析仪器住光学显微镜(OM)扫描电子显微镜(SEM)透射电子显微镜(TEM)和扫描透射电子显微镜(聚焦离子束设备(FIB)原子力显微镜(AFM)俄歇电子谱仪(AES)-X射线光电子谱仪(ES

2、CA)二次离子质谱仪(SIMS)-X射线设备，等等。本文结合扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜要阐述“结构诊断”概念在半导体工业缺陷表征和失效分1.扫描电子显微镜扫描电镜是半导体分析实验室最广泛使用的表面分2.透射电子显微镜在透射电镜中，穿透样品的电子束信号可以提供样品内部小于可见光，所以透射电镜的分辨率要高的多,200kV的透射E透射电镜要求样品必须足够薄(约lOOnm),因此制备透身镜制样设备主要有离子减薄仪、电解双喷仪等。在半导体工乱透射电镜最近几年的主要发展是全数字化和附件的一体化构复杂，操作困难，对用户要求非常高，客观上阻碍了透射电(射电镜已经成熟。全数字化的透射电镜采用标准计

3、算机和Wii了多用户环境管理；同时，透射电镜的各种附件与主机系统实实现了多种信号的自动同步采集。透射电镜的主要附件包括：扫描透射附件(STEM)、能谱量损失谱仪(EELS)和能量过滤成像(GIF)、洛伦兹透镜和电子7透射电镜可在纳米和原子尺度对样品进行微分析。根据电/能也有所不同。目前一台场发射透射电镜可同时安装多种附件高分辨电子显微术，STEM分析，高分辨STEM分析,HAADF(子衍射，会聚束衍射，能谱分析，电子能量损失谱分析和能量i导体工业应用的实例。Si-C3.聚焦离子束(FIB)和“双束”技术聚焦离子束(FIB)设备与扌描电子显微镜相似，只足电子枪更换为镣离子源更换为离了锐筒。与扫描

4、电镜相比，聚焦离子束有其特姝的“加丄计生能。由丁离电子束，离子束对样品表面会形成“切割作用。图4表不了电子束和离子束与扌图1:Si/SiO多晶Si的高分辨像图2.STEN图4.离子束和电了束与样品的相互作用和产生的倍号对比从图4可以看出，离了束能够从样品表面轰击出离了、原了和原了团，从用离子束也从样品表面激发出次电子、X射线等信号。使用适当的探测器，就像观察或元素分析了。先进的FIB设备有三种功能：样品衣面成像、样品切割和材料沉积。3.1样品表面成像与扌描电镜次电子等信号成像相似,FIB中可采用次电子，可进行能谱以釆用二次离了成像，采用二次离f质谱进行元索分析。FIB中成像原理包括：彫貌衬度成

5、像，电位衬度成像和离子通道衬度成像。图7.FIB切割截面图6.FIB切割截面33材料沉积功能在FIB中通过气体注入系统(GIS)向样品表面通入特定的/解，在样品表面可形成材料的沉积。图9表示了这个沉积过程|目前GIS常用的沉积材料有以下几种：钳(Pt):硬度高，耐热疲劳，导电性能好。沉积气体操作温度3842Co磚(W):导电性能优于韦白。但沉积速度比钳低。操作温度约50Co绝缘体(SiO2):半导体器件内SiO2连接点阻抗约1GQ,击穿电压20Vo沉积操作温度为室温。34增强蚀刻和选择性蚀刻图9.FIBGIS在FIB中，对样品进行切割是一个离子溅射的过程，从产品中轰击出来的离子、原子(团)可能会重新在样品表面重新沉积，影响切割的速度，有时甚至影响切割的效果。使用CoppeRx蚀刻技术图10.CoppeRx技术和标准FIB过程蚀刻铜日35离子束和电子束“双束”系统在单束的聚焦离子束设备中，样品表面观察、分析:为激发源。由于离子束对样品表面的“加工”作用，表面备聚焦离子束和电子束的“双束系统成为目前主要的夕微镜的组合（图11）,除了具有单束FIB和扫描电镜的功设备上，使用离子束切割截面，使用电子束进