文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

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

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

二次離子質(zhì)譜分析儀（SIMS）

技術(shù)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。

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

應(yīng)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。

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(kuò)散的影響。

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

分子結(jié)構(gòu)表征：識別有機(jī)光刻膠殘留或高分子鈍化層成分。

變體技術(shù)：

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

適用于表面極薄層（<1nm）的非破壞性分析，例如檢測柵介質(zhì)層中的氫含量。

原子力顯微鏡（AFM）

技術(shù)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(qū)動懸臂梁偏轉(zhuǎn)。

激光干涉儀精確測量懸臂梁形變，重構(gòu)樣品表面形貌，縱向分辨率可達(dá)0.1nm。

應(yīng)用場景：

表面粗糙度測量：評估化學(xué)機(jī)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(shù)。

納米結(jié)構(gòu)表征：觀察光刻膠圖案的側(cè)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(xué)性能測試：通過力-距離曲線分析低介電常數(shù)（Low-k）材料的楊氏模量，評估機(jī)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(shù)原理：

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

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(yīng)用場景：

薄膜成分分析：測定金屬柵極（如TiN、TaN）與高介電常數(shù)（High-k）介質(zhì)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(jié)合俄歇電子產(chǎn)額隨深度的指數(shù)衰減規(guī)律，標(biāo)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(shù)特點(diǎn)：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(shù)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。

通過測量光電子動能

Ek=hν-Eb-φ

確定元素化學(xué)態(tài)，其中Eb為電子結(jié)合能，φ為儀器功函數(shù)。

應(yīng)用場景：

化學(xué)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(yīng)研究：分析高介電常數(shù)介質(zhì)（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?xì)浠衔餁埩袅浚–1s峰強(qiáng)度）。

技術(shù)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(jìn)行深度剖析。

透射電子顯微鏡（TEM）

技術(shù)原理：

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

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(xué)鍵信息。

應(yīng)用場景：

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

三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)：結(jié)合聚焦離子束（FIB）切片技術(shù)，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(jī)械研磨、化學(xué)拋光及離子減薄獲得電子透明區(qū)域，制備周期長達(dá)數(shù)小時。

上述分析技術(shù)覆蓋了從納米級形貌表征（AFM）、表面化學(xué)分析（XPS/AES）到亞原子級結(jié)構(gòu)解析（TEM）的完整維度，在半導(dǎo)體工藝開發(fā)中形成互補(bǔ)關(guān)系。

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