掃描電鏡與一般光學(xué)顯微鏡相比，具有以下特點(diǎn)：焦深大，視場(chǎng)調(diào)節(jié)范圍寬、圖象立體感強(qiáng)，分辨率高以及通過(guò)收集電子束與樣品作用而得到樣品材料結(jié)構(gòu)和物理特性的信息。這些特點(diǎn)對(duì)于分析微電子材料和器件來(lái)說(shuō)具有更為突出的效用，因而它在微電子材料和器件分析中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文主要介紹掃描電鏡在微電子技術(shù)中應(yīng)用。
(1)質(zhì)量監(jiān)控與工藝診斷
硅片表面沾污常常是影響微電子器件生產(chǎn)質(zhì)量的嚴(yán)重問(wèn)題，為了查清沾污的種類(lèi)、來(lái)源，以清除沾污，就必須對(duì)沾污物進(jìn)行檢查和鑒定。硅片沾污物種類(lèi)繁多，有太氣中灰塵、加工硅屑、水中鈣鹽、人的毛發(fā)、皮屑、各種纖維、金屬屑等。按照沾污物的形態(tài)，結(jié)構(gòu)和成份，對(duì)它們分類(lèi)和鑒定。掃描電鏡不僅分辨率高，可以清晰地顯示沾污物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，而且可以用EDX在觀(guān)察形態(tài)時(shí)，分析這些沾污物的主要元素成份。因而SEM已成為檢查表面沾污的標(biāo)準(zhǔn)工具。在硅片表面殘留的涂層或薄膜用光學(xué)顯微鏡很難檢查清楚，用SEM檢查，即使它是均勻薄膜，也能顯示其異質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
器件加工中，SiO、PSG、PBSG等鈍化層臺(tái)階的角度，臺(tái)階上金屬化的形態(tài)是關(guān)系到器件的成品率和可靠性光學(xué)顯微鏡早已不能滿(mǎn)足檢查所需的分辨率、只有SEM才是有效的檢查手段。我國(guó)江南無(wú)線(xiàn)電器材廠(chǎng)已將SEM檢查金屬化的質(zhì)量作為例行抽驗(yàn)項(xiàng)目。美國(guó)早在1975年已制訂了SEM檢查金屬化的標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)IC的加工線(xiàn)條進(jìn)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)，許多設(shè)備工作在誤差為5％或l0的水平上。若線(xiàn)寬為7500^，控制lO％誤差的范圍為750A，控制5誤差范圍為375^。相應(yīng)的線(xiàn)寬不確定度要求為375A和188置。這表明工藝控制精度必須在nm數(shù)量級(jí)。而光學(xué)的顯微鏡線(xiàn)寬測(cè)量誤差極限為0．311m。根本不能滿(mǎn)足要求，因而必須采用SEM進(jìn)行檢查。表二為1985年美國(guó)不同線(xiàn)寬器件制造時(shí)所用的線(xiàn)寬測(cè)量?jī)x器。
(2)器件分析
對(duì)器件進(jìn)行分析是對(duì)器件的設(shè)計(jì)，工藝進(jìn)行修改和調(diào)整的基礎(chǔ)。器件分析包括器件的尺寸和一些重要的物理參數(shù)，如結(jié)深、耗盡層寬度、少子壽命、擴(kuò)散長(zhǎng)度等。利用SEM可以完成許多工作，分析時(shí)使用最多的是二次電子圖象和束感生電流象。通過(guò)二次電子象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(zhǎng)度，還能測(cè)量擴(kuò)散長(zhǎng)度，少子壽命等物理參數(shù)。用類(lèi)似于測(cè)量耗盡層寬度方法，對(duì)MOS場(chǎng)效應(yīng)管，分別在源、漏加電壓(另一端接襯底)的情況下，電子束對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行掃描，從得到的二條束感生電流隨線(xiàn)，就可得到此場(chǎng)效應(yīng)管的溝道長(zhǎng)度。這種方法特別適用于lP-m以下的短溝道器件，因?yàn)槌Ｓ玫慕鹣喾ㄒ巡辉龠m用。
束感生電流法測(cè)量擴(kuò)散長(zhǎng)度時(shí)，對(duì)P—Il結(jié)加上脈沖電子束，那么，P—n結(jié)附近某點(diǎn)的束感生電流I和該點(diǎn)與電子束注入點(diǎn)內(nèi)距離x，有著以下的關(guān)系：
I（x）=Imexp[-x／L]
式中L為擴(kuò)散長(zhǎng)度，I為束感生電流的最大值。如得到I和x的關(guān)系隨線(xiàn)，就可得到擴(kuò)散長(zhǎng)度L。而通過(guò)L=還能相應(yīng)得到其少子壽命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儀器，它的各種工作模式都在失效分析和可靠性研究中發(fā)揮了巨大作用。
相當(dāng)多的器件的失效與金屬化有關(guān)。通常存在金屬化層的機(jī)械損傷，臺(tái)階上金屬化裂縫，和化學(xué)腐蝕等問(wèn)題。對(duì)于超太規(guī)模電路來(lái)說(shuō)，金屬化的問(wèn)題更多，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。SEM的二次電子象有分辨率高，景深遠(yuǎn)，有明顯立體感等特點(diǎn)，是觀(guān)察研究金屬化的理想手段。
有時(shí)，失效器件的電測(cè)量結(jié)果說(shuō)明內(nèi)部開(kāi)路，但一般檢查中找不到開(kāi)路的位置，這時(shí)可采用電壓襯度，找到失效點(diǎn)再用其他方法作進(jìn)一步分析。
對(duì)于有漏電流大、軟擊穿，溝道、管道等電性能方面問(wèn)題的器件，一般不能從表面形貌上找到失效點(diǎn)。SEM中的電壓襯度和泉感生電流為我們觀(guān)察與Pn結(jié)有關(guān)的缺陷提供了有效的分析方法。
正常P—n的束感生電流圖是均勻的。而當(dāng)P—n結(jié)中存在位錯(cuò)或其他缺陷時(shí)，這些缺陷成為復(fù)合中心。電子束產(chǎn)生的電子、空穴，在這此缺陷處迅速?gòu)?fù)合，因此P—n結(jié)的束感生電流圖中，在缺陷位錯(cuò)處出現(xiàn)黑點(diǎn)、線(xiàn)條或網(wǎng)絡(luò)。這樣，束感生電流圖可用于分析P—n結(jié)中存在的位錯(cuò)等缺陷。
CMOS器件的閂鎖效應(yīng)(1atch—up)，是嚴(yán)重影響CMOS電路安全使用的失效機(jī)理。在分析研究閂鎖效應(yīng)時(shí)，需要知道在整個(gè)電路中，哪些部分發(fā)生了閂鎖現(xiàn)象，需要有一種能指出閂鎖發(fā)生處的方法。SEM中的靜態(tài)電壓襯度和閑頻電壓襯度是=種適用的方法。發(fā)生閂鎖效應(yīng)時(shí)，有關(guān)寄生晶體管呈導(dǎo)通狀，大電流流過(guò)寄生pnpn通道中的阱與襯底，造成在P阱里有較大的電位升高，同時(shí)11襯底的電位降低。這種電位變化在SEM的靜態(tài)電壓襯度和閑頻電壓襯度工作模式中，發(fā)生變化處圖象的亮度也隨之發(fā)生變化，因而可以較方便地分辨出來(lái)。
(4)光電材料器件的分析
近年來(lái)，作為信息傳輸中重要一環(huán)的信息顯示設(shè)備得到很大的發(fā)展。顯示設(shè)備中大量采用小巧的固態(tài)顯示器代替CRT類(lèi)老式顯示器。固態(tài)顯示器中發(fā)光二極管是重要的一環(huán)。發(fā)光二極管的失效往往是表面發(fā)光區(qū)上有一些黑點(diǎn)、黑線(xiàn)，使得發(fā)光=極管的亮度下降或不發(fā)光。由于發(fā)光二極管往往用于大型高分辨列陣中，單個(gè)器件很低的失效率也是不可接受的。為此要對(duì)這類(lèi)器件和有關(guān)材料進(jìn)行分析。掃描電鏡的束感生電流和陰段熒光兩個(gè)工作模式非常適用于這類(lèi)分析，前者可用于分析發(fā)光二極管，后者可用于分析半成品及其初始材料。對(duì)一些發(fā)光=極管的分析表明，發(fā)光二極管光區(qū)中的黑點(diǎn)和黑線(xiàn)是因?yàn)?nbsp;
在這個(gè)區(qū)域存在位錯(cuò)，這些位錯(cuò)成為非輻射復(fù)合中心。位于N區(qū)的復(fù)合中心，減少了注入到P—n結(jié)的電子，使得發(fā)光=極管的亮度下降或不發(fā)光。
測(cè)量光電材料的陰陂熒光頻譜及其強(qiáng)度，可對(duì)材料的成份及其隨工藝的變化進(jìn)行研究，通過(guò)熒光亦可觀(guān)察材料中的缺陷。
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