材料分析技术在集成电路制程中的应用

材料分析技术在集成电路制程中的应用谢咏芬、何快容11-1简介在现今的微电子材料研究中，各式各样的分析仪器通常被用来协助技术开发(TechnologyDevelopement)、制程监控(ProcessMonitoring)、故障分析(FailureAnalysis)、和进行产品功能异常侦错(ProductsDebug)等研究(请见图11-1-1)；本章将简要叙述各种分析仪器的工作原理、分辨率、和侦测极限，并以典型的实例来说明这些分析技术在半导体组件制造中的应用。图11-1-1有关微电子材料的分析技术可以概分为结构分析(物性)与成份分析(化性)两大类，常见的仪器计有光学显微镜(OpticalMicroscope,OM)，扫描式电子显微镜(ScanningElectronMicroscope,SEM)，X光能谱分析仪(X-raySpectrometry)，穿透式电子显微镜(TransmissionElectronMicroscope,TEM)，聚焦式离子束显微镜(FocusedIonbeam,FIB)，X光绕射分析仪(X-rayDiffractometer,XRD)，扫描式欧杰电子显微镜(ScanningAugerMicroscope,SAM)，二次离子质谱仪(SecondaryionMassSpectrometry,SIMS)，展阻量测分析仪(SpreadingResistanceProfiling,SRP)，拉塞福背向散射质谱仪(RutherfordBackscatteringSpectrometry,RBS)，和全反射式X-光萤光分析仪(TotalReflectionX-rayFluorescence,TXRF)等十几种之多，请见图11-1-2。目前在IC工业中，无论是生产线或一般的分析实验室中，几乎随处可见到光学显微镜，然而对各类的IC组件结构观察或日常的制程监控，最普遍的分析工具仍是扫描式电子显微镜；近几年来，由于组件尺寸微小化(DeviceMiniaturization)的趋势已步入深次微米(DeepSub-Micron)的世代，许多材料微细结构的观察都需要高分辨率(Resolution)的影像品质，穿透式电子显微镜的重要度自然日益提高；但是在进行组件故障或制程异常分析时，往往需要定点观察或切割局部横截面结构，以便确认异常发生的时机或探讨故障的真因，因此聚焦式离子束显微镜(FocusedIonBeam,FIB)应运而生，这项分析技术近五年来蓬勃发展，提供了定点切割技术(PrecisionalCutting)、自动导航定位系统(AutoNavigationSystem)、和立即蒸镀和蚀刻(In-SituDepositionandEtching)等功能，大大的满足了各类定点观察的需求，同时也带来了其它像线路修补(CircuitRepair)、布局验证(LayoutVerification)等多样化的功能，使得各类分析的进行减少了试片制备的困扰，同时对定点分析的能力可提升到0.1um以下的水准。图11-1-2在成份分析方面，附加在扫描式电子显微镜上的X光能谱分析仪，当然是最简便的化学元素分析仪器，其使用率一直也是所有元素分析仪器当中最高的；然而因为有限的侦测浓度和可侦测的元素范围，对微量的成份或表面污染，需借重二次离子质谱仪或全反射式X光萤光分析仪，而对纵深方向(DepthProfiling)的元素分布，则需利用拉塞福背向散射质谱仪、扫描式欧杰电子显微镜或二次离子质谱仪才能完成；此外，若是要对结晶材料(CrystallineMaterials)的晶体结构或原子排列方向作深入的分析，则可以利用X光绕射分析仪或穿透式电子显微镜的电子绕射图样(ElectronDiffractionPattern)作进一步的研究。对于各种分析仪器的基本原理，简要来说，一般显微镜的系统，多是利用光学镜片或电磁场来偏折或聚焦带能量的粒子束（例如：可见光、电子、离子、X光），借着粒子束与物质的作用，激发出各类二次粒子（例如：可见光、二次电子、背向散射电子、穿透式电子、绕射电子、二次离子、特性X光、绕射X光、欧杰电子、光电子、背向散射离子、萤光等），侦测其二次粒子的能谱、质谱、光谱、或成像，即可分析材料的结构和特性。在各类仪器中可以依入射粒子束的不同，概分为三大类：一、电子(请见图11-1-3)，二、离子(请见图11-1-4)，三、X光(请见图11-1-5)；图11-1-3图11-1-4图11-1-511-2材料分析技术11-2-1光学显微镜(OpticalMicroscopy,OM)光学显微镜的仪器装置简便(请见图11-2-1)，其成像原理是利用可见光照射在试片表面造成局部散射或反射来形成不同的对比，然而因为可见光的波长高达~4000-7000埃，在分辨率(或谓鉴别率、解像能，系指两点能被分辨的最近距离)的考量上自然是最差的。根据瑞莱的准则(Raleigh'scriterion)，分辨率(s)可以用以下的公式来表示：(1)n是介质的折射率θ是物镜与试片间的半夹角NA(NumericalAperature)表示透镜系统的分辨率和所形成的影像亮度的一组数值图11-2-1当NA越大时，表示透镜系统的品质越高，s越小，也就是分辨率越好；在实际的限制上，NA的最大值为0.95，所以假设可见光的波长为0.5um，s大约为0.61x0.5um/0.95=0.32um；而为了要提高分辨率，也可以将试片浸泡在折射率较高的介质中，例如：油类(n=1.52)、水(n=1.33)，让s值变小。在一般的操作下，由于肉眼的鉴别率仅有~0.2mm，当光学显微镜的最佳分辨率只有~0.2um时，理论上的最高放大倍率只有1000X，在这个数值以上是所谓空的放大倍率(EmptyMagnification)，并无法提供更多的资料，所以是没有意义的，然而也因为放大倍率有限，所以在同一次的观察区域中，视野却反而是各种成像系统中最大的，这说明了光学显微镜的观察事实上仍能提供许多初步的结构资料。在实际应用上，光学显微镜的优点为仪器购置成本低、操作简便、几乎没有试片制备的需要，通常在观察时，直接将试片放置在基座上即可观察，若为了加强影像的对比，可以变化光源的照射方向，或取部份折射的光线作成暗视野成像，凸显某种材质的对比，或以偏极化光源(PolarizingIllumination)作为入射粒子束，都有加强对比的效果，此外，亦可以用化学溶液选择性的蚀刻试片表面，造成高低不平的形象来加强对比，甚至以特殊配方的溶液来凸显某种特定的结构缺陷；表11-2-1列出在半导体材料研究中，对于芯片缺陷的观察时常用的几种化学溶液，可观察叠差(StackingFaults,SF)、差排(Dislocation)、或析出物(Precipitates)；图11-2-2是在硅芯片中的各种缺陷经过化学溶液的蚀刻后所突显的凹痕特征，以下将列举数例说明个各种应用。表11-2-1图11-2-211-2-1-1组件横截面结构观察图11-2-3图11-2-3(a)和(b)是一个静态随机内存(StaticRandomAccessMemory,SRAM)产品的横截面结构观察，比较图11-2-3(a)的光学显微镜照片和图11-2-3(b)的扫描式电子显微镜照片可以发现虽然光学显微镜的分辨率较差，但是因为光线对各种材料的反射率不同，仍能能清楚的分辨金属和复晶层。图11-2-4是一个动态随机内存(DynamicRandomAccessMemory,DRAM)产品的横截面结构观察，从图11-2-4(a)的光学显微镜照片，我们已可以得知是壕沟式电容(TrenchCapacitors)的结构，整体的制程技术一览无遗，已充分显示这是一个两层金属层三层复晶层(2-levelMetal,3-levelPoly,2M3P)的组件结构，虽然图11-2-4(b)的穿透式电子显微镜照片更能显现材料的细部结构，但是要得到500um2以上均匀蚀薄的穿透式电子显微镜试片并非容易，若从时效性的考量着眼，包括试片制备的时间，当然是光学显微镜最快，扫描式电子显微镜次之，穿透式电子显微镜最慢，而从结构资料的丰富性来比较的话，那当然完全相反了。图11-2-411-2-1-2平面式去层次(Delayer)结构分析图11-2-5.(a)和(b)是对一个静态随机内存作产品结构分析时，先用化学溶液选择性的除去上层金属和氧化层后，裸露出下层复晶负载(Poly-SiLoad)和复晶闸极(Poly-SiGate)，两者虽是同材质的复晶硅，但是因为厚度不同，所以在图11-2-5(a)的光学显微镜照片里呈现不同的颜色，已可以看出两者在布局上的相对位置，图11-2-5(b)的扫描式电子显微镜照片分辨率较高，影像景深(DepthofFocus,DOF)较长，在视觉上较有立体感，但是对于布局上的观察似乎提供了类似的讯息。图11-2-511-2-1-3析出物空乏区(DenudedZone)的观察图11-2-6是对一个逻辑产品芯片下方空乏区的观察，该芯片用微小角度倾斜研磨(AngleLapping)后，经过Sirtl侵蚀的酸液蚀刻，将(Gettering)后集积在芯片下半部的析出物凸显出来，显现出高密度的轨迹，而在靠芯片表面附近出现一段空乏区，经过角度换算，推断出空乏区的宽度约为20um。图11-2-611-2-1-4氧化叠差(OxidationEnhancedStackingFaults,OSF)的研究图11-2-7(a)-(c)是一个因场区氧化(FieldOxidation)制程异常以致于在井区(Well)植入区域中生成氧化叠差，图11-2-7(a)的光学显微镜照片是所有组件材料全部去除后裸露的硅芯片表面，经Wright侵蚀后，将芯片中叠差所在的位置蚀刻成线段式的凹痕，箭头所示是垂直交错的叠差只出现在井区；图11-2-7(b)是同一芯片去除层次后，未作Wright侵蚀的穿透式电子显微镜照片，同样的，垂直交错的叠差只出现在井区，但是叠差显现出清晰的条状干涉条纹，若是在较厚的试片区观察，可以得到完整的叠差影像，如图11-2-7(c)中箭头所示，周围被部份差排(PartialDislocation)所包围；从材料特性，我们知道硅芯片的叠差座落在四组斜倚(Inclined)的{111}平面上，因为{111}平面与(001)平面的交接方向即为四组[110]方向，因此光学显微镜和穿透式电子显微镜观察皆发现叠差沿着[110]方向垂直交错，而图11-2-7(c)的影像即是座落在{111}平面上的叠差在(001)平面上的投影量，利用简易的几何运算，我们可以得知叠差的长宽与面积，同时了解叠差位于芯片表面以下的深度。虽然两种观察法都可以确认叠差的分布位置、走向、密度，所得到的结果类似，但是穿透式电子显微镜在分析上更能提供准确的尺寸量测，进一步了解叠差在三度空间的相对位置，推断可能的影响程度。图11-2-711-2-1-5差排的观察图11-2-8(a)-(c)是对硅芯片内的线缺陷－差排作观察，经Wright侵蚀后，差排终止于芯片表面的端点被蚀刻成凹痕，图11-2-8(a)的光学显微镜照片显示有4条差排线的端点，图11-2-8(b)的扫描式电子显微镜照片是凹痕的放大照片，外观与图11-2-3的图样雷同，图11-2-8(c)的穿透式电子显微镜照片显示这种十字交错差排的原始影像，谨提供各式观察结果的比较，希望能有助于读者的联想。图11-2-811-2-1-6过蚀刻(Overetch)的凹痕图11-2-9(a)和(b)是在比较组件闸极两侧的间隔层(Spacer)蚀刻制程中，正常与异常的蚀刻所导致的凹痕对比，通常间隔层蚀刻仅在S/D区域造成非常轻微的损失，因此在除去闸极上的复晶材料后，闸极下的信道区(ChannelRegion)与S/D区域的硅芯片在光学显微镜下仅会有些许的对比差异(如图11-2-9(a))；然而若发生严重的过蚀刻现象时，在闸极的两侧将出现某种程度的凹痕，这种凹痕在光学显微镜下会呈现宽带状的暗色对比(如图11-