掃描電鏡與一般光學顯微鏡相比，具有以下特點： 焦深大， 視場調(diào)節(jié)范圍寬、圖象立體感強，分辨率高以及通過收集電子束與樣品作用而得到樣品材料結(jié)構和物理特性的信息。這些特點對于分析微電子材料和器件來說具有更為突出的效用，因而它在微電子材料和器件分析中的應用越來越廣泛。本文主要介紹掃描電鏡在微電子技術中應用。
SEM的工作原理和操作模式
SEM的原理結(jié)構如圖1所示。陰極發(fā)射的電子經(jīng)陽極加速， 通過ju焦形成電子柬，掃描系統(tǒng)使電子束在樣品上作光柵式掃描樣品受電子束轟擊后產(chǎn)生二次電子、背散射電子、俄歇電子、x射線， 光(可見光、紅外光或紫外光)及樣品上感應的電勢、電流等信號。通過相應的檢測器收集這些信號，經(jīng)放大，監(jiān)以電子束同樣掃描方式在陰授射線管上掃描， 就可在陰極射線管的熒光屏上得到樣晶各種信號的圖象。
在電子槍附近電子束斑的直徑zui小為10~50gm (熱陰授)， 或10~100nm (場發(fā)射陰極)， 經(jīng)ju焦到達樣品表面時， 電子束斑直徑為1～10nm。一般工作時電子束束流為10I1。～ 1O A， 加速電壓為I～50key。
利用樣品上得到的不同信號，可以有不同的工作模式， 表一列出了SEM 的操作模式。二次電子工作模式是SEM 常用的模式，它是用100ev以下的低能非彈性散射電子成象。二次電子象富有立體感， 非常直觀， 易于理解， 所以在形貌研究中特別有價值。
從樣品表面發(fā)射的二次電子的數(shù)量與能 量分布對表面電勢(電荷)非常敏感。當表面帶正電荷， 發(fā)射的二次電子數(shù)量減少j而帶負電處， 發(fā)射的二次電子數(shù)量相應增加。這樣對于不同的表面電勢處， 二次電子象的亮度不同。利用此原理， 在樣品上加上一定電壓后，觀察其二次電子象， 稱為電壓襯度。在標準的SEM上附加一個電子能 量分析器， 就可測到毫伏級的電壓， 同時用脈沖電子束照明，便能以小于lns時間分辨率研究器件工作狀態(tài)， 這種方法稱為岡頻技術。
二次電子發(fā)射的強度也依賴于樣品相對電子束的取向，因而可產(chǎn)生電子通道圖(類似于TEM中的菊池圖) 。
背散射電子是彈性散射電子，它的能 量接近于入射電子， 能反映樣品表面較深處情況， 因而可顯示樣品凹凸不平的形貌。背散射電子的發(fā)射幾率依賴于樣品平均原子序數(shù)， 因而就能顯示原子序數(shù)的襯度，粗略地反映元素組份分布。從樣品發(fā)射的x射線和俄歇電子的能 量， 涉及列樣品原子中軌道電子能級， 對它們進行能 量分析便可鑒定元素在SEM中，配上x射線能 量色散分析儀， 就可進行樣品表面元素分析，這就是EDXS]~作模式。SEM中EDX一般能檢測原子序數(shù)大于10的元素，雖然這種方法本身可擴展到硼。EDX的空間分辨率在1 m左右。
電子束感生電流(EBIC) 和陰極熒光，這兩種工作模式均依賴于電子束向半導體注入的電子一空穴對。在外加電場下，P n結(jié)區(qū)域的電子一空穴對發(fā)生分離并向相反的電極漂移， 將這些電流引出并與電子束作同步掃描， 就能看到P—n結(jié)區(qū)的圖象， 這就稱EBICSE作模式。EBIC工作模式中， 到達結(jié)的載流子數(shù)量還取決子材料的少子壽命和擴散長度， 因此也可作為擴散長度的一種測量方法。
二、SEM在微電子中的應用
(1)質(zhì)量監(jiān)控與工藝診斷
硅片表面沾污常常是影響微電子器件生產(chǎn)質(zhì)量的嚴重問題，為了查清沾污的種類、來源， 以清除沾污， 就必須對沾污物進行檢查和鑒定。硅片沾污物種類繁多， 有太氣中灰塵、加工硅屑、水中鈣鹽、人的毛發(fā)、皮屑、各種纖維、金屬屑等。按照沾污物的形態(tài)，結(jié)構和成份， 對它們分類和鑒定。掃描電鏡分辨率高， 可以清晰地顯示沾污物的形態(tài)和結(jié)構， 而且可以用EDX在觀察形態(tài)時，分析這些沾污物的主要元素成份。因而SEM 已成為檢查表面沾污的標準工具。在硅片表面殘留的涂層或薄膜用光學顯微鏡很難檢查清楚，用SEM檢查， 即使它是均勻薄膜， 也能顯示其異質(zhì)的結(jié)構。
器件加工中，SiO 、PSG、PBSG等鈍化層臺階的角度，臺階上金屬化的形態(tài)是關系到器件的成品率和可靠性 光學顯微鏡早已不能滿足檢查所需的分辨率、SEM才是有效的檢查手段。我國江南無線電器材廠已將SEM檢查金屬化的質(zhì)量作為例行抽驗項目。美國早在1975年已制訂了SEM檢查金屬化的標準。
當IC的加工線條進入亞微米階段， 為了生產(chǎn)出亞微米電路所需的精密結(jié)構， 許多設備工作在誤差為5％或l0 的水平上。若線寬為7500^，控制lO％誤差的范圍為750A，控制5 誤差范圍為375^。相應的線寬不確定度要求為375A和188置。這表明工藝控制精度必須在nm數(shù)量級。而光學的顯微鏡線寬測量誤差為0．311m。根本不能滿足要求，因而必須采用SEM進行檢查。表二為1985年美國不同線寬器件制造時所用的線寬測量儀器。
(2)器件分析
對器件進行分析是對器件的設計，工藝進行修改和調(diào)整的基礎。器件分析包括器件的尺寸和一些重要的物理參數(shù)，如結(jié)深、耗盡層寬度、少子壽命、擴散長度等。利用SEM可以完成許多工作， 分析時使用最多的是二次電子圖象和束感生電流象。通過二次電子象可以分析器件的表面形貌，結(jié)合縱向剖面解剖和腐蝕， 可以確定P n結(jié)的位置，結(jié)的shen度。
利用束感生電流工作模式，可以得到器件結(jié)深， 耗盡層寬度，MOS管溝道長度， 還能測量擴散長度， 少子壽命等物理參數(shù)。用類似于測量耗盡層寬度方法，對MOS場效應管， 分別在源、漏加電壓(另一端接襯底)的情況下， 電子束對場效應管進行掃描， 從得到的二條束感生電流隨線， 就可得到此場效應管的溝道長度。這種方法特別適用于lP-m以下的短溝道器件，因為常用的金相法已不再適用。
束感生電流法測量擴散長度時，對P—Il結(jié)加上脈沖電子束， 那么，P—n結(jié)附近某點的束感生電流I和該點與電子束注入點內(nèi)距離x， 有著以下的關系：
I（x） =Imexp[-x／L]
式中L為擴散長度，I 為束感生電流的zui大值。如得到I 和x的關系隨線， 就可得到擴散長度L。而通過L= 還能相應得到其少子壽命T。
(3)失效分析和可靠性研究
SEM是失效分析和可靠性研究中重要的分折儀器， 它的各種工作模式都在失效分析和可靠性研究中發(fā)揮了巨大作用。
相當多的器件的失效與金屬化有關。通常存在金屬化層的機械損 傷，臺階上金屬化裂縫， 和化學腐蝕等問題。對于超太規(guī)模電路來說， 金屬化的問題更多， 出現(xiàn)電遷移，金屬化與硅的接觸電阻， 鋁中硅粒子， 鋁因鈍化層引起應力空洞等。SEM的二次電子象有分辨率高， 景深遠， 有明顯立體感等特點， 是觀察研究金屬化的理想手段。
有時，失效器件的電測量結(jié)果說明內(nèi)部開路， 但一般檢查中找不到開路的位置， 這時可采用電壓襯度， 找到失效點再用其他方法作進一步分析。
對于有漏電流大、軟擊穿，溝道、管道等電性能方面問題的器件， 一般不能從表面形貌上找到失效點。SEM中的電壓襯度和泉感生電流為我們觀察與P n結(jié)有關的缺陷提供了有效的分析方法。
正常P— n的束感生電流圖是均勻的。而當P— n結(jié)中存在位錯或其他缺陷時，這些缺陷成為復合中心。電子束產(chǎn)生的電子、空穴，在這此缺陷處迅速復合，因此P—n結(jié)的束感生電流圖中， 在缺陷位錯處出現(xiàn)黑點、線條或網(wǎng)絡。這樣， 束感生電流圖可用于分析P—n結(jié)中存在的位錯等缺陷。
CMOS器件的閂鎖效應(1atch—up)，是嚴重影響CMOS電路安全使用的失效機理。在分析研究閂鎖效應時， 需要知道在整個電路中， 哪些部分發(fā)生了閂鎖現(xiàn)象，需要有一種能指出閂鎖發(fā)生處的方法。SEM中的靜態(tài)電壓襯度和閑頻電壓襯度是=種適用的方法。發(fā)生閂鎖效應時，有關寄生晶體管呈導通狀，大電流流過寄生pnpn通道中的阱與襯底， 造成在P阱里有較大的電位升高，同時11襯底的電位降低。這種電位變化在SEM的靜態(tài)電壓襯度和閑頻電壓襯度工作模式中，發(fā)生變化處圖象的亮度也隨之發(fā)生變化， 因而可以較方便地分辨出來。
(4)光電材料器件的分析
近年來，作為信息傳輸中重要一環(huán)的信息顯示設備得到很大的發(fā)展。顯示設備中大量采用小巧的固態(tài)顯示器代替CRT類老式顯示器。固態(tài)顯示器中發(fā)光二極管是重要的一環(huán)。發(fā)光二極管的失效往往是表面發(fā)光區(qū)上有一些黑點、黑線， 使得發(fā)光=極管的亮度下降或不發(fā)光。由于發(fā)光二極管往往用于大型高分辨列陣中， 單個器件很低的失效率也是不可接受的。為此要對這類器件和有關材料進行分析。掃描電鏡的束感生電流和陰段熒光兩個工作模式非常適用于這類分析，前者可用于分析發(fā)光二極管， 后者可用于分析半成品及其初始材料。對一些發(fā)光=極管的分析表明， 發(fā)光二極管光區(qū)中的黑點和黑線是因為
在這個區(qū)域存在位錯，這些位錯成為非輻射復合中心。位于N區(qū)的復合中心， 減少了注入到P—n結(jié)的電子， 使得發(fā)光= 極管的亮度下降或不發(fā)光。
測量光電材料的陰陂熒光頻譜及其強度，可對材料的成份及其隨工藝的變化進行研究， 通過熒光亦可觀察材料中的缺陷。
三、徽電子對掃描電鏡的要求
針對微電子部門大量使用SEM的狀況，SEM分為一般生l立分析用的通用型和供研究用的特殊類型。對于通用的SEM， 有以下要求：
(1)低加速電壓。由于MOS器件的發(fā)展，加速電壓過高會導致器件發(fā)生退化 并且較高加速電壓下，電子容易在絕緣層中積累，而往往不允許在器件表面淀積金層， 使得觀察工作非常困難。試驗結(jié)果表明在lkcv的加速電下，能避免電荷積累且不至對器件造成sun傷。
SEM的分辨率指標往往是指高加速電壓下的情況。為此微電子要求在較低加速電壓下有足夠分辨率的SEM。
(2)小束流。這也是由避免對器件造成sun傷而提出的。同時大束流會在樣品表面帶來碳沾污。小束流往往造成接受到的信號比較徽弱，信號噪聲大，這與高分辨率相矛盾。因此對所用的SEM要在加速電壓、束流與分辨率之間進行平衡， 選擇適當?shù)臈l件。
(3)樣品臺的控制要精確。徽電子器件要分析的區(qū)域往往很小， 又要作多維移動，包括大角度轉(zhuǎn)動，樣品臺如不能精確控制，會使分析工作非常麻煩。
(4)樣品室大， 安裝樣品方便。現(xiàn)在硅片尺寸已達200ram，要對整個樣品表面都能觀察到， 樣品室要有相當大的容積。
(5)操作方便。生產(chǎn)線上的SEM要對大量硅片作例行檢查，往往工作量非常大，為此要求操作方便。在控制系統(tǒng)中對 ju 焦、色散， 亮度可采用自動控制。在生產(chǎn)線用的SEM可以用片盤自動裝片。
