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半導體的常見表征手段

中科院半導體所 ? 來源:學習那些事 ? 2025-07-07 11:19 ? 次閱讀
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文章來源:學習那些事

原文作者:小陳婆婆

半導體工藝研發(fā)與制造過程中,精確的表征技術是保障器件性能與良率的核心環(huán)節(jié)。

本文針對六類關鍵分析儀器,系統(tǒng)闡述其技術原理及在半導體工藝表征中的典型應用場景。

二次離子質譜分析儀(SIMS)

技術原理:

SIMS通過高能離子束(如Cs?、O??、Ar?)轟擊樣品表面,激發(fā)出原子、分子及二次離子。

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能量分析器與質量分析器協(xié)同工作,對二次離子進行能量與質量篩選,最終通過離子檢測器生成質譜圖。該技術可實現(xiàn)元素成分的縱向深度剖析(深度分辨率達納米級)及橫向二維成像,檢測極限可達ppm(百萬分比濃度)至ppb(十億分比濃度)級別。

應用場景:

摻雜濃度分析:監(jiān)測離子注入工藝中硼、磷等摻雜劑的濃度分布。

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例如上圖展示的氧化退火后磷摻雜濃度的高斯分布曲線,可評估退火工藝對摻雜劑擴散的影響。

界面污染檢測:分析氧化層/硅界面處的金屬雜質(如Fe、Cu)含量,判斷清洗工藝效果。

分子結構表征:識別有機光刻膠殘留或高分子鈍化層成分。

變體技術:

飛行時間SIMS(TOF-SIMS)通過測量二次離子在固定距離內的飛行時間差異實現(xiàn)元素識別。

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適用于表面極薄層(<1nm)的非破壞性分析,例如檢測柵介質層中的氫含量。

原子力顯微鏡(AFM)

技術原理:

AFM利用探針與樣品表面原子間的作用力(范德華力、靜電力等)變化,驅動懸臂梁偏轉。

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激光干涉儀精確測量懸臂梁形變,重構樣品表面形貌,縱向分辨率可達0.1nm。

應用場景:

表面粗糙度測量:評估化學機械拋光(CMP)后晶圓表面的全局平坦度,優(yōu)化拋光液配方與工藝參數。

納米結構表征:觀察光刻膠圖案的側壁形貌,檢測線條邊緣粗糙度(LER),為極紫外光刻(EUV)工藝提供反饋。

力學性能測試:通過力-距離曲線分析低介電常數(Low-k)材料的楊氏模量,評估機械穩(wěn)定性。

局限性:掃描速度較慢(通常<1Hz/像素),難以滿足大面積快速檢測需求。

俄歇電子能譜分析儀(AES)

技術原理:

AES利用高能電子束激發(fā)樣品表面原子內層電子躍遷,通過檢測俄歇電子能量實現(xiàn)元素定性分析。

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其信息深度僅限于表面1-5nm,對輕元素(如B、C、N)敏感度高。

應用場景:

薄膜成分分析:測定金屬柵極(如TiN、TaN)與高介電常數(High-k)介質界面處的氧含量,優(yōu)化原子層沉積(ALD)工藝。

氧化層厚度測量:結合俄歇電子產額隨深度的指數衰減規(guī)律,標定柵氧化層厚度(<5nm)。

失效分析:定位電遷移失效金屬互連線的表面成分變化,如Al-Cu合金中的Cu偏析現(xiàn)象。

技術特點:空間分辨率優(yōu)于10nm,但需超高真空環(huán)境(<10??Torr)。

X射線光電能譜分析儀(XPS)

技術原理:

XPS采用單色X射線(如Al Kα=1486.6eV)照射樣品,激發(fā)光電子逃逸。

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通過測量光電子動能

Ek=hν-Eb-φ

確定元素化學態(tài),其中Eb為電子結合能,φ為儀器功函數。

應用場景:

化學態(tài)分析:識別硅化物形成過程中的Si-Si、Si-Me(金屬)鍵合狀態(tài),優(yōu)化硅化工藝溫度。

界面反應研究:分析高介電常數介質(如HfO?)與硅襯底間的界面層(IL)組成,評估界面態(tài)密度。

污染控制:檢測晶圓清洗后表面碳氫化合物殘留量(C1s峰強度)。

技術優(yōu)勢:非破壞性檢測,但信息深度僅限于表面2-3nm,需配合氬離子濺射進行深度剖析。

透射電子顯微鏡(TEM)

技術原理:

TEM通過高壓加速電子束(通常100-300kV)穿透超薄樣品(<100nm),經電磁透鏡聚焦成像。

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能量損失譜儀(EELS)可同步分析電子能量損失特征,獲取元素分布與化學鍵信息。

應用場景:

缺陷表征:觀察硅淺結中的位錯環(huán)與層錯缺陷,評估離子注入損傷修復工藝。

三維結構重構:結合聚焦離子束(FIB)切片技術,分析FinFET器件的立體形貌。

金屬化分析:研究鈷硅化物(CoSi?)與硅接觸界面的晶格匹配度,優(yōu)化歐姆接觸性能。

樣品制備挑戰(zhàn):需通過機械研磨、化學拋光及離子減薄獲得電子透明區(qū)域,制備周期長達數小時。

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上述分析技術覆蓋了從納米級形貌表征(AFM)、表面化學分析(XPS/AES)到亞原子級結構解析(TEM)的完整維度,在半導體工藝開發(fā)中形成互補關系。

例如,在先進制程節(jié)點(<7nm)中,需聯(lián)合使用SIMS監(jiān)測摻雜劑擴散、AES分析界面氧化層、TEM觀察應變硅溝道結構,以系統(tǒng)性優(yōu)化工藝參數。

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原文標題:半導體的常見表征手段

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