半導(dǎo)體工業(yè)

    由于半導(dǎo)體器件體積小、重量輕、壽命長、功率損耗小、機械性能好.因而適用的范閘

    極廣。然而半導(dǎo)體器件的性能和穩(wěn)定性在很大程度上受它表面的微觀狀態(tài)的影響。一般

    在半導(dǎo)體器件試制和生產(chǎn)過程巾包括了切割、研磨、拋光以及各種化學(xué)試劑處理等一系列

    工廳，~正是在這些過程巾，會造成表面的結(jié)構(gòu)發(fā)生驚人的變化，所以幾乎每一個步驟都需

    要對擴散rx-.的深度進行測繭或者直接看到擴散區(qū)的實際分布情況，而生產(chǎn)大型集成電路

    就更是如此。目前.掃捎電鏡在半導(dǎo)體中的應(yīng)用已經(jīng)深入到許多方面。

    1.質(zhì)量監(jiān)控與工藝診斷

    硅片表面站污常常是影響微電子器件生產(chǎn)質(zhì)量的嚴(yán)重問題。掃描電鏡可以檢查和鑒

    定站污的種類、來源，以清除站污，如果配備X射線能譜儀，在觀察形態(tài)的同時，可以分析這些站污物的主要元素成分。用掃描電鏡還可以檢查硅片表面殘留的涂層或均勻薄膜也能顯示其異質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

    在器件加工中，掃描電鏡可以檢查金屬化的質(zhì)量，如Si02、PSG、PBSG等鈍化層臺階的角度。臺階上金屬化的形態(tài)關(guān)系到器件的成品率和可靠性，因此國內(nèi)外早已制定了掃

    描電鏡檢查金屬化的標(biāo)準(zhǔn)并作為例行抽驗項目。

    當(dāng)IC的加工線條進入亞微米階段，為了生產(chǎn)出亞微米電路所需的精密結(jié)構(gòu)，利用掃描電鏡進行工藝檢查，控制精度在納米數(shù)量級。

    在機械加工過程中，會引起表面層的晶格發(fā)生損傷。損傷程度一方面取決于切割方法、振動與磨料選擇的情況，同時也取決于晶體本身的抗損傷能力。利用掃描電鏡中產(chǎn)生

    的特征衍射圖樣的變化，可以直觀而靈敏地看到表面的結(jié)構(gòu)狀況以及晶格結(jié)構(gòu)完整性在不同深度上的分布，從而確定表面損傷程度。

    2.器件分析

    掃描電鏡可以對器件的尺寸和一些重要的物理參數(shù)進行分析，如結(jié)深、耗盡層寬度少子壽命、擴散長度等等，也就是對器件的設(shè)計、工藝進行修改和調(diào)整。掃描電鏡二次電

    子像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。

    利用掃描電鏡束感生電流工作模式，可以得到器件結(jié)深、耗盡層寬度、MOS管溝道長度，還能測量擴散長度、少子壽命等物理參數(shù)。

    對于1nm以下的短溝道器件檢測，可用類似于測量耗盡層寬度的方法，電子束對

    MOS場效應(yīng)管進行掃描，得到二條柬感生電流曲線，就可得知此場效應(yīng)管的溝道長度。

    3.失效分析和可靠性研究

    相當(dāng)多器件的失效與金屬化有關(guān)，對于超大規(guī)模電路來說，金屬化的問題更多，如出

    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。掃描電鏡是失效分析和可靠性研究中zui重要的分析儀器，可觀察研究金屬化層的機械損傷、臺階上金屬化裂縫和化學(xué)腐蝕等問題。

    用掃描電鏡的電壓襯度和柬感生電流可以觀察PN結(jié)中存在的位錯等缺陷，如漏電流大、軟擊穿、溝道、管道等電性能。正常PN結(jié)的束感生電流因是均勻的;而當(dāng)PN結(jié)中

    存在位錯或其他缺陸時，這些缺陷成為復(fù)合中心，電子束產(chǎn)生的電子、空穴在缺陷處迅速復(fù)合，因此，在PN結(jié)的束感生電流圖中，缺陷位錯處出現(xiàn)黑點、線條或網(wǎng)絡(luò)。

    CMOS器件的問鎖效應(yīng)（latch-up）是嚴(yán)重影響CMOS電路安全使用的失效機理。

    在掃描電鏡中的靜態(tài)電壓襯度和閃頻電壓襯度可以觀察分析整個電路中哪些部分發(fā)生了

    |習(xí)鎖現(xiàn)象。發(fā)生問鎖效應(yīng)時，有關(guān)寄生晶體管呈導(dǎo)通狀，大電流流過寄生PN通道中的阱與襯底，造成在P阱里有較大的電位升高，同時N襯底的電位降低。這種電位變化在SEM

    的電壓襯度和閃頻電壓襯度工作模式中，發(fā)生變化處圖像的亮度也隨之發(fā)生變化，因而可以較方便地分辨出來。

    4.電子材料研制分析

    隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，對電子材料的性能及環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求。應(yīng)用

    掃描電鏡研究消磁用熱敏電阻的顯微形貌，結(jié)果顯示，利用以擰穰酸鹽凝膠包裹法制備的納米粉體燒結(jié)而成的PTC熱敏電阻，粒徑在5μm左右，而且分布較均勻，沒有影響材料孔的直徑，這對檢測和研制真空微電子二極管是極其有用的。這種真空微

    性能的粗大顆粒存在;此外，材料中的晶粒幾乎全部發(fā)育成棒狀（或針狀）晶體，表明擰攘酸鹽凝膠包裹法及適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝可以研制無鉛的環(huán)保型高性能熱敏電阻。

    5.利用掃描電鏡觀察真空微電子二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，可準(zhǔn)確測量出發(fā)射尖錐的頂角和門極小

    電子二極管、三極管可以在大氣壓下正常工作，不必對它們實行排氣即可獲得"真空"工作的條件（胡問國等，1993）。

    6.利用掃描電鏡的柬感應(yīng)電流（EBIC）像和吸收電流像（AEI）分別觀察NTD硅單晶

    和區(qū)熔硅單晶高壓整流元件PN結(jié)的平整度、結(jié)深、耗盡區(qū)內(nèi)的缺陸特征及其分布和少子擴散長度的變化，直觀地顯示NTD硅單晶材料的徑向和軸向電阻率均勻，制得的PN結(jié)

    比較平坦，以及熱中子輻射損傷在晶體中造成大量缺陷，這些缺陷使少子擴散長度和平均壽命縮短。因此，可控制中子輻射損傷和選用合適的退火工藝消除內(nèi)部缺陷，提高NTD硅單晶質(zhì)量。

    7.半導(dǎo)體材料中的動力學(xué)現(xiàn)象如擴散和相變具有很重要的意義用掃描電鏡跟蹤鋁薄膜條在大電流密度下的電遷移行為，便可以得到有關(guān)空洞移動

    和熔化解潤失效的細(xì)節(jié)。此外，利用能譜儀顯微分析技術(shù)也可以對半導(dǎo)體材料進行各種成分分析。

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