微量摻雜元素在半導(dǎo)體器件的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，可以精準(zhǔn)調(diào)控半導(dǎo)體的電學(xué)、光學(xué)性能。對器件中微量摻雜元素的準(zhǔn)確表征和分析是深入理解半導(dǎo)體器件特性、優(yōu)化器件性能的關(guān)鍵步驟，然而由于微量摻雜元素含量極低，對它的檢測和表征也面臨很多挑戰(zhàn)。

半導(dǎo)體器件中微量摻雜元素表征的重要性

材料性能調(diào)控：

微量摻雜元素可以改變半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。例如，在Si中摻入As元素，因?yàn)锳s元素是五價元素會提供額外的電子，使硅由本征半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)閚型半導(dǎo)體。準(zhǔn)確表征摻雜元素的種類、濃度和分布，有助于精確調(diào)控半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型和載流子濃度，進(jìn)而優(yōu)化器件的電學(xué)性能，如提高晶體管的開關(guān)速度和降低功耗。

在LED中，通過摻雜微量的稀土元素可以改變其發(fā)光顏色和效率。例如，在GaN基LED中摻雜Ce元素，能夠調(diào)整其發(fā)光光譜。對這些摻雜元素的表征能夠確保LED達(dá)到預(yù)期的光學(xué)性能。

制程質(zhì)量控制：

在半導(dǎo)體制造過程中，摻雜的均勻性和準(zhǔn)確性直接影響器件的良率和可靠性。非均勻摻雜可能會導(dǎo)致局部電學(xué)性能差異，產(chǎn)生熱點(diǎn)或性能不穩(wěn)定的區(qū)域。通過精確表征微量摻雜元素，可以對制造工藝流程進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

新材料研發(fā)：

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，新型半導(dǎo)體材料像二維材料被研發(fā)出來，對新材料做微量元素?fù)诫s可以賦予材料特殊性能，例如對二維材料進(jìn)行摻雜改性打開帶隙使其在邏輯電路等應(yīng)用中更具潛力。因此準(zhǔn)確表征摻雜元素有助于深入理解新材料的性能和潛在應(yīng)用。

微量元素常用的表征方法

微量元素常見的表征方法有二次離子質(zhì)譜（SIMS）、X射線光電子能譜（XPS）、擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）、原子探針斷層掃描（APT）和能量色散X射線光譜（EDS）等方法，每種方法都有各自的優(yōu)勢和局限性。

隨著集成電路器件尺寸的進(jìn)一步微縮，納米尺度的精準(zhǔn)表征變得越來越重要，因其STEM-EDS連用可進(jìn)行納米區(qū)域分析甚至高分辨原子分析、易操作以及低成本等優(yōu)勢，EDS分析手段被廣泛應(yīng)用在集成電路研發(fā)和失效分析中。

EDS表征微量摻雜元素原理、影響因素及應(yīng)用

EDS元素成分分析原理：

EDS是基于電子束與樣品相互作用時產(chǎn)生的特征X射線來進(jìn)行元素分析的。當(dāng)高能電子束轟擊樣品時，樣品中的原子內(nèi)層電子被激發(fā)躍遷到外層或脫離原子成為自由電子，原子處于激發(fā)態(tài)，外層電子會向內(nèi)層躍遷以填補(bǔ)空位，在這個過程中會釋放出具有特定能量的X射線，如圖1所示。

不同元素的原子結(jié)構(gòu)不同，其內(nèi)層電子躍遷所釋放的特征X射線能量也不同，通過檢測X射線的能量和強(qiáng)度，就可以確定樣品中存在的元素種類及其相對含量。借助電子顯微鏡的高分辨能力，能譜儀-電子顯微鏡聯(lián)用可實(shí)現(xiàn)納米尺度微量元素的成分分析。實(shí)現(xiàn)的基本過程如下，能譜探測器將X射線能量轉(zhuǎn)變成與之成正比的電壓脈沖信號，脈沖處理器將電荷脈沖轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號，F(xiàn)ET將電壓放大并與別的脈沖分離，由計(jì)算機(jī)存儲控制系統(tǒng)將數(shù)字化信號存儲到與X射線能量對應(yīng)的信道并輸出到計(jì)算機(jī)顯示器，各個能量信道的計(jì)數(shù)即為能譜（energy spectrum），也可轉(zhuǎn)換為元素分布曲線（line scan），或者轉(zhuǎn)換為元素分布圖像（mapping）。

（a）EDS譜峰信號來源

▲圖1（b）EDS元素檢測的實(shí)現(xiàn)過程

影響微量元素EDS表征結(jié)果的因素：

微量一般指在所分析區(qū)域內(nèi)重量百分比小于2%的元素，但是由于含量低，EDS很難探測到，若計(jì)數(shù)時間足夠長，能譜里面或許可以找到對應(yīng)的小峰。

關(guān)于EDS的最小探測極限可以定義為所分析區(qū)域中可被探測到的物質(zhì)的最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但因?yàn)镋DS軔致輻射的影響，EDS探測極限總在0.1%以上，對于0.1%以下的摻雜元素，需要使用探測極限更低的手段。對于半導(dǎo)體器件中摻雜在0.1%-2%的微量元素，EDS是一種比較好的半定量分析手段，其分析效果大致被幾種因素影響，如Table I所示。

微量元素的EDS分析受多種因素的綜合影響，實(shí)際分析的時候也要綜合考慮樣品制備以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇。

Table I 微量元素EDS表征的影響因素及結(jié)果

半導(dǎo)體器件中微量摻雜元素的EDS表征應(yīng)用：

Wafer Acceptance Test

如圖2所示是微區(qū)Si共格缺陷中微量As元素的EDS表征實(shí)例。

圖2（a）所示是缺陷的STEM DF像，缺陷暗場襯度揭示了Si晶格應(yīng)變襯度。

圖2（b）EDS結(jié)果表明在缺陷處有微量As元素富集，而在正常區(qū)域則是均勻分布。

圖2（c）所示是缺陷處Si的分布，可見其缺陷處Si的含量低于正常區(qū)域。

圖2（d）所示是缺陷處的line scan圖譜，范圍見圖2（a），清晰地揭示了STEM暗場襯度和微量As元素富集的相關(guān)性。

微區(qū)微量元素分析需要長時間的X ray的收集才能獲得可靠的計(jì)數(shù)，整個過程需要盡量避免樣品漂移、污染、以及損傷給半定量結(jié)果帶來的影響，因此充滿了挑戰(zhàn)。

圖2 Si晶格缺陷中微量As元素表征

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季豐電子

季豐電子成立于2008年，是一家聚焦半導(dǎo)體領(lǐng)域，深耕集成電路檢測相關(guān)的軟硬件研發(fā)及技術(shù)服務(wù)的賦能型平臺科技公司。公司業(yè)務(wù)分為四大板塊，分別為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、軟硬件開發(fā)、測試封裝和儀器設(shè)備，可為芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測試、材料裝備等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈和新能源領(lǐng)域公司提供一站式的檢測分析解決方案。

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