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扫描电镜在微电子技术中的应用

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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。  
  
(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Pn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Pn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。  
 
 

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