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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(Technology Developement)、制程监控(Process Monitoring)、故障分析(Failure Analysis)、和进行产品功能异常侦错(Products Debug) 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(Optical Microscope, OM),扫描式电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM),X光能谱分析仪(X-ray Spectrometry),穿透式电子显微镜(Transmission Electron Microscope, TEM),聚焦式离子束显微镜(Focused Ion beam, FIB),X光绕射分析仪(X-ray Diffractometer, XRD),扫描式欧杰电子显微镜(Scanning Auger Microscope, SAM),二次离子质谱仪(Secondary ion Mass Spectrometry, SIMS),展阻量测分析仪(Spreading Resistance Profiling, SRP),拉塞福背向散射质谱仪(Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS),和全反射式 X-光萤光分析仪(Total Reflection X-ray Fluorescence, 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(Device Miniaturization) 的趋势已步入深次微米(Deep 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(Focused Ion Beam, 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(Precisional Cutting)、自动导航定位系统(Auto Navigation System)、和立即蒸镀和蚀刻(In-Situ Deposition and Etching) 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(Circuit Repair)、布局验证(Layout Verification) 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 um 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(Depth Profiling) 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(Crystalline Materials) 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(Electron Diffraction Pattern)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11-1-5
 11-2 材