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应用分享 | 能谱技术如何助力半导体器件的微区分析?

发布日期:2021-11-24 00:00

      摩尔定律指出集成电路板可容纳的晶体管数量每两年会增加一倍。这一“定律”在过去50年间持续推动半导体行业向器件小型化趋势发展,人们也有幸见证了一项伟大的技术飞跃——MOSFET节点尺寸从1970年代的10µm减小到如今的5nm。种类丰富的半导体材料决定了器件的电学性能,因此获得各元素的准确定量结果和空间分布至关重要。

NAND闪存芯片的元素面分布图,数据由Extreme探测器在3 kV 下采集。

      能谱 (EDS) 技术在半导体微区分析中有广泛应用,例如定量成分,测量膜厚及异物检测。扫描电子显微镜 (SEM) 或透射电子显微镜 (TEM) 与能谱仪构成的技术解决方案适用于不同尺度下的显微分析工作。根据待测样品特点,能谱技术可被细分为SEM-EDS、STEM-SEM-EDS和S/TEM-EDS。

SEM-EDS

      SEM-EDS适用于表面或截面分析,其空间分辨能力受X射线激发深度限制,降低加速电压是提升SEM和EDS空间分辨率的方式之一。为了更好地表征器件中的微纳结构,半导体行业对低电压能谱分析的需求不断增加。拥有多项优化设计的Ultim® Extreme探测器在低电压和小工作距离条件下仍能获得较高的X射线计数率,是实现10 nm分辨率SEM-EDS分析的不二之选。


NAND闪存芯片的元素面分布图,其中20 nm左右的结构清晰可见。数据由Extreme探测器在3 kV下采集并对Si Kα (1.740 keV) W Mα (1.774 keV) 进行了去卷积处理。

STEM-SEM

      STEM-SEM是一项介于SEM和TEM之间的技术,它的再度兴起得益于 SEM的高分辨率、高效率和操作简便等特点。STEM样品通常是由双束电镜定点制备的电子透明薄片,其厚度小于100 nm,也适用于TEM分析。由于消除了电子-物质交互作用体积的影响,30 kV下SEM-STEM-EDS的空间分辨率可达5 nm左右。Ultim® Extreme 和 Ultim® Max 170探测器在该模式下均能提供一流的元素成像解决方案。

TEM下某半导体器件截面的元素定量面分布图 (QuantMap)。此样品包含多层结构和11种元素,且存在谱峰重叠,充分提现了半导体器件的复杂性。 

TEM

      TEM是一项可在原子尺度对元素成像的终极显微表征手段,在半导体研发中发挥着重要作用,例如获得器件中微纳结构的准确化学成分和关键尺寸。与其它技术相比,TEM分析通常耗时最长、过程最复杂且依赖先进制样技术。TEM薄片样品的最大直径为3 mm,厚度须小于100 nm。为释放TEM下能谱技术的全部潜能,牛津仪器对Ultim Max TLE系统进行了多项优化,包括增大有效固体角、取消窗口设计和增加质厚测量选项,这些措施分别提升了X射线计数率、轻元素检测灵敏度和定量结果准确性。质厚测量也被称为M2T (measure mass thickness),允许用户在定量时矫正X射线吸收效应并获得样品厚度。

TEM下某半导体器件截面的元素定量面分布图 (QuantMap)。此样品包含多层结构和11种元素,且存在谱峰重叠,充分提现了半导体器件的复杂性。

      随着半导体工业向5 nm 以下的制程迈进,器件的缺陷尺寸和容错率不断下降,因此对电子显微镜和能谱技术的空间分辨能力提出了更高要求。本文介绍了三种主流EDS 技术间的基本区别,如需了解更多相关信息,请访问我们的网站。



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