半导体工艺研究中的SEM应用实例

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半导体工艺研究中的 SEM应用实例 王嵩宇 中电第47所 摘要：根据半导体本艺的需要，本文介绍了利用 SEM 分析工艺问题的方法。在形成成品之前，特别是工艺设计及加工制造阶段的失效分析及可靠性研究，能够在隐患转变为大面积工艺问题及后期性能参数问题之前，就能够提早定位并彻底解决，更为今后产品大规模量产及产品升级换代提供客观准确的科学依据。 SEM 是其中的重要技术手段，尤其在线检测分析更是物尽其用。 关键词：解理，缀饰，微型机电系统，硅的局部氧化，关键尺寸 17世纪Lee Wenhock 发明了光学显微镜，使得人类认知、研究微观世界成为可能，不知有多少科技工作者借助于它开展了大量看似平凡且枯燥的工作，却在医学、生物学、材料科学、及我们所从事的IC制造业等方面作出了不可磨灭的贡献。目前，各种类型的显微镜在集成电路设计、工艺、测试等领域的科研生产工作中发挥着重要作用。扫描电子显微镜(SEM)自1935年由德国科学家诺尔研制成功后，特别是在60年代第一台商用 SEM 诞生后，渐已成为微米、亚微米乃至纳米局部范围内表面特征的强有力工具。在上个世纪90年代初，大规模特别是超大规模集成电路的研制及生产中， SEM 是亚微米时代关键尺寸(CD)控制的主要仪器。SEM 在获取微观失效证据方面作用突出，其报告在失效分析中不可替代。它是介于透镜和光镜之间的一种微观形貌观察手段，可直接利用样品材料表面的物理特性进行微观成像，具有较高的放大倍数，有很大的景深，成像富有立体感，可直接观察凹凸不平表面的细微结构。 1.原理 SEM 的基本工作原理是加速阴极所发射的电子束，聚焦后形成电子束流。这束高能电子束轰击到样品表面激发出各种信息，经收集、放大后，就在荧屏上得到各种相应的图像。扫描电镜主要利用二次电子像来作形貌观察，其产生数量随着原子序数的变化而变化，它主要取决于表面形貌。二次电子像可以观察芯片表面金属引线的短路、开路，剖面各层介质的台阶形貌，还可用来作为图形线条的尺寸测量等。很多电子元器件、集成电路及工艺的失效分析步骤都是首先借助 SEM 手段，对失效模式和机制作出基本的判定；即使不能立刻作出准确判断，整体失效分析思路也会以扫描电镜的分析结果为依托，并作为重要图像及基本组份数据采集平台，然后再借助于其它实验手段确定失效模式和机理，并提出相应的改进方法。 外延最大生长速度与晶向的关系 吸收电子 晶向 最大生长速度(um·min ) <111> 1.0±25% 偏离<111>0.5° 1.5±25% 偏离<111>2° 3.5±25% 表1 电子束与物质相互作用产生的信息 2.方法 扫描电镜剖面分析技术应用到集成电路的研制与生产中，必须根据不同器件的不同工艺 情况，，以确定相应科学合理的样品制备条件，否则将会大大削减成像的信息量，见照片1.首先根据要分析的位置，用金刚刀将样品划断。如果在管芯中有多个重复单元，就应该按解理方向进行解理，半导体样品的断口不仅要求准确，而且还需要进行相应的缀饰，用以暴露所需要的结构细节部分，在缀饰后要将表面或断口清洗处理干净，其主要目的就是最大限度地呈现样品的特征信息。 3.应用分析实例 3.1埋层漂移 在双极型集成电路中，为降低 NPN 管收集极的串联电阻，都需要做N十埋层，而对于有纵向结构 PNP 管的电路，还要在N+埋层上做P型埋层。但是埋层图形在形成外延后会产生漂移。另外，反应室型式、压力，外延生长温度、速率、厚度，硅源等都是影响埋层图形漂移的因素，(100)比(111)晶相图形畸变小，见表1。我们借助 SEM 剖面分析，确定埋层漂移的方向及距离，很好地解决了这个问题，从根本上提高了产品的成品率及可靠性。埋层漂移见 SEM 照片2。 SEM照片1 SEM 照片2 3.2 MEMS 器件及表面缺陷 (微型机电系统) MEMS 是在半导体技术基础上发展起来的一门新型科学技术，涉及各学科的交叉及多种工艺的应用。MEMS 电路大多数都是由复合薄膜构成，通过薄膜腐蚀及牺牲层释放实现。因为在工艺过程中产生残余应力，造成结构形状、尺寸发生变化，过大的残余应力致使 MEMS 器件发生翘曲破坏，研究 MEMS 器件残余应力是相当重要的问题。SEM 照片3上部是桥面结构，下面是电路部分，该位置同时显示了这两部分结构，并且定位了因为残余应力断裂开的悬臂梁，这在光学显微镜下是无法实现的。针对此问题的监控进行了工艺改进，大大降低了去除牺牲层过程中残余应力释放，同时使悬臂梁的强度有了质的提升。照片4为硅片缺陷在光学显微镜下的微观像，照片5为该现象的 SEM像.只看到左边光镜像时，容易误认为这是一个方型外套圆形的凹陷形貌像，其实向下凹陷的只是中间的方孔，圆形的边界是向上的光滑球拱， SEM 像澄清了事实。对于 MEMS 工艺及表面缺陷的研究， SEM 的高放大倍数和立体感极强的景深，是其它观测设备无法比拟的。 89888820KY X1.49820.1um871788 20KYX1.50k 20.0050AM SEM 照片3 SEM 照片4 SEM 照片5 4.结束语 随着集成电路工业的发展，半导体元器件的可靠性问题已越来越引起人们的重视。对于 科研生产来说，工艺及产品的失效分析具有非常重要的意义， SEM 则是其中重要的技术手段。尤其在线检测更是物尽其用。 SEM 常与其其分析技术结合使用，如 EDX、FIB。可以大胆地设想，随着 IC 加工水平向90nm、65nm 乃至量子器件的迈进，整合 SEM、TEM、FIB功能的半导体加工设备一定会在不久的将来出现。积累 SEM 技术在 IC 元器件微观结构和失效机理方面的经验，在隐患的缺陷演变为问题之前就加以解决，最大程度避免大规模的分析调查；可为产品设计、工艺控制等提供科学依据，对于提高成品率、可靠性具有重要的意义。防范于未然是不容易引起关注的工作，但却是非常行之有效的方法。 我们研究宏观世界时，巨大的星球有些时候甚至可以看做是一个点，所谓宏观研究微观化，那时我们很高大；但是在我们借助电子显微镜进入微观世界，尝试用不同的制样和成像方法、从不同角度把样品看个清楚、弄个明白时，何曾不是微观世界宏观化呢?样品上单位厘米的尺度在十万倍下，从头至尾仔细看来至少得“走”数小时，此时我们又很很小。正是有了光学显微镜及分门别类的电子显微镜，才让人类真正实现了明察秋毫、微无不至。认清事物的本质，就能更好地从根本上解决问题 ( 参考文献： ) ( 1. 2011年5月 《电子与封装》 第11卷第5期(总第92期)《塑封器件中高聚物的失效分析》郝秀云杨洁 ) ( 2. 2010年7月 《电子与封装》第7期第10卷 (总第87期) 《高速 BiCMOS外延工艺研究》吴兵薛智民王清波陈宝忠 ) ( 3. 《微电子制造科学原理与工程技术》，Stephen A. Campbell 著，《电子工业出版社》 ) ( 作者简介： ) 王嵩宇，男，42岁，本科毕业，高级工程师，主研方向为半导体工艺及 SEM 失效分析研究。