材料分析技术在集成电路制程中的应用

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1、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

2、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

3、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(Deep

4、Sub-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

5、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

6、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

7、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11-1-5 11-2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