扫描电镜在半导体行业的应用分析

• 由于半导体器件体积小、重量轻、寿命长、功率损耗小、机械性能好. 因而适用的范闸极广。然而半导体器件的性能和稳定性在很大程度上受它表面的微观状态的影响。一般在半导体器件试制和生产过程巾包括了切割、研磨、抛光以及各种化学试剂处理等一系列工厅， 正是在这些过程巾，会造成表面的结构发生惊人的变化，所以几乎每一个步骤都需要对扩散rx-. 的深度进行测茧或者直接看到扩散区的实际分布情况，而生产大型集成电路就更是如此。目前. 扫捎电镜在半导体中的应用已经深入到许多方面。

• 1.质量监控与工艺诊断

• 硅片表面站污常常是影响微电子器件生产质量的严重问题。扫描电镜可以检查和鉴定站污的种类、来源，以清除站污，如果配备 X 射线能谱仪，在观察形态的同时，可以分析 这些站污物的主要元素成分。用扫描电镜还可以检查硅片表面残留的涂层或均匀薄膜 也能显示其异质的结构。

• 在器件加工中，扫描电镜可以检查金属化的质量，如 Si02 、PSG、PBSG 等钝化层台阶 的角度。台阶上金属化的形态关系到器件的成品率和可靠性，因此国内外早已制定了扫描电镜检查金属化的标准并作为例行抽验项目。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，利用扫 描电镜进行工艺检查，控制精度在纳米数量级。

• 在机械加工过程中，会引起表面层的晶格发生损伤。损伤程度一方面取决于切割方法、振动与磨料选择的情况，同时也取决于晶体本身的抗损伤能力。利用扫描电镜中产生的特征衍射图样的变化，可以直观而灵敏地看到表面的结构状况以及晶格结构完整性在 不同深度上的分布，从而确定表面损伤程度。

• 2. 器件分析

• 扫描电镜可以对器件的尺寸和一些重要的物理参数进行分析，如结深、耗尽层宽度 少子寿命、扩散长度等等，也就是对器件的设计、工艺进行修改和调整。扫描电镜二次电子像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。

• 利用扫描电镜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。对于 1 nm 以下的短沟道器件检测，可用类似于测量耗尽层宽度的方法，电子束对MOS 场效应管进行扫描，得到二条柬感生电流曲线，就可得知此场效应管的沟道长度。

• 3.失效分析和可靠性研究

• 相当多器件的失效与金属化有关，对于超大规模电路来说，金属化的问题更多，如出现电迁移，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。扫描电镜 是失效分析和可靠性研究中最重要的分析仪器，可观察研究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。

• 用扫描电镜的电压衬度和柬感生电流可以观察 PN 结中存在的位错等缺陷，如漏电 流大、软击穿、沟道、管道等电性能。正常 PN 结的束感生电流因是均匀的;而当 PN 结中存在位错或其他缺陆时，这些缺陷成为复合中心，电子束产生的电子、空穴在缺陷处迅速 复合，因此，在 PN 结的束感生电流图中，缺陷位错处出现黑点、线条或网络。

• CMOS 器件的问锁效应（ latch-up） 是严重影响 CMOS 电路安全使用的失效机理。

• 在扫描电镜中的静态电压衬度和闪频电压衬度可以观察分析整个电路中哪些部分发生了习锁现象。发生问锁效应时，有关寄生晶体管呈导通状，大电流流过寄生 PN 通道中的阱 与衬底，造成在 P 阱里有较大的电位升高，同时 N 衬底的电位降低。这种电位变化在 SEM的电压衬度和闪频电压衬度工作模式中，发生变化处图像的亮度也随之发生变化， 因而可以较方便地分辨出来。

• 4.电子材料研制分析

• 随着电子技术的迅速发展，对电子材料的性能及环保标准提出了更高的要求。应用扫描电镜研究消磁用热敏电阻的显微形貌，结果显示，利用以拧穰酸盐凝胶包裹法制备的 纳米粉体烧结而成的 PTC 热敏电阻，粒径在 5μm 左右，且分布较均匀，没有影响材料性能的粗大颗粒存在;此外，材料中的晶粒几乎全部发育成棒状（或针状）晶体，表明拧攘 酸盐凝胶包裹法及适当的烧结工艺可以研制无铅的环保型高性能热敏电阻。

• 5. 利用扫描电镜观察真空微电子二极管的内部结构图像，可准确测量出发射的 顶角和门极小孔的直径，这对检测和研制真空微电子二极管是极其有用的。这种真空微电子二极管、三极管可以在大气压下正常工作，不必对它们实行排气即可获得"真空"工作 的条件（胡问国等，1993）。

• 6. 利用扫描电镜的柬感应电流（EBIC）像和吸收电流像 （AEI）分别观察 NTD 硅单晶

• 和区熔硅单晶高压整流元件 PN 结的平整度、结深、耗尽区内的缺陆特征及其分布和少子 扩散长度的变化，直观地显示 NTD 硅单晶材料的径向和轴向电阻率均匀，制得的 PN 结比较平坦，以及热中子辐射损伤在晶体中造成大量缺陷，这些缺陷使少子扩散长度和平均 寿命缩短。因此，可控制中子辐射损伤和选用合适的退火工艺消除内部缺陷，提高 NTD 硅单晶质量。

• 7. 半导体材料中的动力学现象如扩散和相变具有很重要的意义 用扫描电镜跟踪铝薄膜条在大电流密度下的电迁移行为，便可以得到有关空洞移动和熔化解润失效的细节。此外，利用能谱仪显微分析技术也可以对半导体材料进行各种成分分析。