整理微电子材料与制程材料分析技术在积体电路制程中的应用.docx

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整理微电子材料与制程材料分析技术在积体电路制程中的应用

微電子材料與制程【第十一章材料分析技術在積體電路製程中的應用】

11-1簡介芯片,设计,版图,晶圆制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,fabrication,process,layout,package,test,FA,RA,QA_g_fk!

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_H    _（p）R|J_f_S      在現今的微電子材料研究中，各式各樣的分析儀器通常被用來協助技術開發（TechnologyDevelopement）、製程監控（ProcessMonitoring）、故障分析（FailureAnalysis）、和進行產品功能異常偵錯（ProductsDebug）等研究（請見圖11-1-1）；本章將簡要敘述各種分析儀器的工作原理、解析度、和偵測極限，並以典型的實例來說明這些分析技術在半導體元件製造中的應用。

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]_r6B      有關微電子材料的分析技術可以概分為結構分析（物性）與成份分析（化性）兩大類，常見的儀器計有光學顯微鏡（OpticalMicroscope,OM），掃描式電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope,SEM），X光能譜分析儀（X-raySpectrometry），穿透式電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscope,TEM），聚焦式離子束顯微鏡（FocusedIonbeam,FIB），X光繞射分析儀（X-rayDiffractometer,XRD），掃描式歐傑電子顯微鏡（ScanningAugerMicroscope,SAM），二次離子質譜儀（SecondaryionMassSpectrometry,SIMS），展阻量測分析儀（SpreadingResistanceProfiling,SRP），拉塞福背向散射質譜儀（RutherfordBackscatteringSpectrometry,RBS），和全反射式X-光螢光分析儀（TotalReflectionX-rayFluorescence,TXRF）等十幾種之多，請見圖11-1-2。

[attach]208763[/attach]芯片,设计,版图,晶圆制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,fabrication,process,layout,package,test,FA,RA,QA/@.[Q7G[

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Yk9T）c      目前在IC工業中，無論是生產線或一般的分析實驗室中，幾乎隨處可見到光學顯微鏡，然而對各類的IC元件結構觀察或日常的製程監控，最普遍的分析工具仍是掃描式電子顯微鏡；近幾年來，由於元件尺寸微小化（DeviceMiniaturization）的趨勢已步入深次微米（DeepSub-Micron）的世代，許多材料微細結構的觀察都需要高解析度（Resolution）的影像品質，穿透式電子顯微鏡的重要度自然日益提高；但是在進行元件故障或製程異常分析時，往往需要定點觀察或切割局部橫截面結構，以便確認異常發生的時機或探討故障的真因，因此聚焦式離子束顯微鏡（FocusedIonBeam,FIB）應運而生，這項分析技術近五年來蓬勃發展，提供了定點切割技術（PrecisionalCutting）、自動導航定位系統（AutoNavigationSystem）、和立即蒸鍍和蝕刻（In-SituDepositionandEtching）等功能，大大的滿足了各類定點觀察的需求，同時也帶來了其它像線路修補（CircuitRepair）、佈局驗證（LayoutVerification）等多樣化的功能，使得各類分析的進行減少了試片製備的困擾，同時對定點分析的能力可提升到0.1um以下的水準。

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      在成份分析方面，附加在掃描式電子顯微鏡上的X光能譜分析儀，當然是最簡便的化學元素分析儀器，其使用率一直也是所有元素分析儀器當中最高的；然而因為有限的偵測濃度和可偵測的元素範圍，對微量的成份或表面污染，需借重二次離子質譜儀或全反射式X光螢光分析儀，而對縱深方向（DepthProfiling）的元素分布，則需利用拉塞福背向散射質譜儀、掃描式歐傑電子顯微鏡或二次離子質譜儀才能完成；此外，若是要對結晶材料（CrystallineMaterials）的晶體結構或原子排列方向作深入的分析，則可以利用X光繞射分析儀或穿透式電子顯微鏡的電子繞射圖樣（ElectronDiffractionPattern）作進一步的研究。

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      對於各種分析儀器的基本原理，簡要來說，一般顯微鏡的系統，多是利用光學鏡片或電磁場來偏折或聚焦帶能量的粒子束（例如：

可見光、電子、離子、X光），藉著粒子束與物質的作用，激發出各類二次粒子（例如：

可見光、二次電子、背向散射電子、穿透式電子、繞射電子、二次離子、特性X光、繞射X光、歐傑電子、光電子、背向散射離子、螢光等），偵測其二次粒子的能譜、質譜、光譜、或成像，即可分析材料的結構和特性。

在各類儀器中可以依入射粒子束的不同，概分為三大類：

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_t4mz'j%J,j芯片,设计,版图,芯片制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,process,layout,package,FA,QA          一、電子（請見圖11-1-3），[attach]208764[/attach]

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4M_U          二、離子（請見圖11-1-4），[attach]208765[/attach]_r"Y_A"t

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          三、X光  （請見圖11-1-5）；[attach]208766[/attach]芯片,设计,版图,晶圆制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,fabrication,process,layout,package,test,FA,RA,QA_A_M_p7f1O+m

5EP,F_U1^_}      關於試片被穿透的深度，多決定於入射粒子束的能量及入射的角度，而各種儀器所偵測得到的訊號強度則必須決定於二次粒子所產出的效率和偵測器的敏銳度；一般來說，結構分析儀器的影像解析度與帶電粒子束的加速電壓（或稱波長）和透鏡系統的設計，息息相關，而成份分析儀器的化學濃度偵測極限則多與粒子束的大小（或分析區域的尺寸）和偵測的方式有關；表11-1-1中概略列出在各類分析技術的儀器性能-解析度、偵測極限、和適用範圍，下文中將先敘述各類分析儀器的基本原理，再將各類應用實例一一說明，來強調各項分析技術的特色。

5mi'e%w_W_h）u*q_e_u芯片,设计,版图,晶圆制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,fabrication,process,layout,package,test,FA,RA,QA  $G%M_o$JQ_n!

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11-2材料分析技術

_p5`3`"i_E_r5LI_Pi_L芯片,设计,版图,芯片制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,process,layout,package,FA,QA  芯片,设计,版图,晶圆制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,fabrication,process,layout,package,test,FA,RA,QA"_

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11-2-1光學顯微鏡（OpticalMicroscopy,OM）_?

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O0i芯片,设计,版图,晶圆制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,fabrication,process,layout,package,test,FA,RA,QA      光學顯微鏡的儀器裝置簡便（請見圖11-2-1），其成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的對比，然而因為可見光的波長高達~4000-7000埃，在解析度（或謂鑑別率、解像能，係指兩點能被分辨的最近距離）的考量上自然是最差的。

[attach]208767[/attach]根據瑞萊的準則（Raleigh'scriterion），解析度（s）可以用以下的公式來表示：

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7R9G]_v;FU芯片,设计,版图,芯片制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,process,layout,package,FA,QA

_r.m_Y_XF_[6d;m芯片,设计,版图,芯片制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,process,layout,package,FA,QAn是介質的折射率

_Z_Y}    }    b8E半导体技术天地[SemiconductorTechnologyWorld]是物鏡與試片間的半夾角

_B8Q7i+C_\_PNA（NumericalAperature）表示透鏡系統的解析度和所形成的影像亮度的一組數值芯片,设计,版图,芯片制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,process,layout,package,FA,QA5?

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;B_T5a.P*h_~）E_b芯片,设计,版图,晶圆制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,fabrication,process,layout,package,test,FA,RA,QA      當NA越大時，表示透鏡系統的品質越高，s越小，也就是解析度越好；在實際的限制上，NA的最大值為0.95，所以假設可見光的波長為0.5um，s大約為0.61x0.5um/0.95=0.32um；而為了要提高解析度，也可以將試片浸泡在折射率較高的介質中，例如：

油類（n=1.52）、水（n=1.33），讓s值變小。

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h_O）p      在一般的操作下，由於肉眼的鑑別率僅有~0.2mm，當光學顯微鏡的最佳解析度只有~0.2um時，理論上的最高放大倍率只有1000X，在這個數值以上是所謂空的放大倍率（EmptyMagnification），並無法提供更多的資料，所以是沒有意義的，然而也因為放大倍率有限，所以在同一次的觀察區域中，視野卻反而是各種成像系統中最大的，這說明了光學顯微鏡的觀察事實上仍能提供許多初步的結構資料。

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J_xf（C-d6K半导体技术天地[SemiconductorTechnologyWorld]芯片,设计,版图,芯片制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,process,layout,package,FA,QA;V

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      在實際應用上，光學顯微鏡的優點為儀器購置成本低、操作簡便、幾乎沒有試片製備的需要，通常在觀察時，直接將試片放置在基座上即可觀察，若為了加強影像的對比，可以變化光源的照射方向，或取部份折射的光線作成暗視野成像，凸顯某種材質的對比，或以偏極化光源（PolarizingIllumination）作為入射粒子束，都有加強對比的效果，此外，亦可以用化學溶液選擇性的蝕刻試片表面，造成高低不平的形象來加強對比，甚至以特殊配方的溶液來凸顯某種特定的結構缺陷；表11-2-1列出在半導體材料研究中，對於晶片缺陷的觀察時常用的幾種化學溶液，可觀察疊差（StackingFaults,SF）、差排（Dislocation）、或析出物（Precipitates）；圖11-2-2是在矽晶片中的各種缺陷經過化學溶液的蝕刻後所突顯的凹痕特徵，以下將列舉數例說明個各種應用。

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/__H_W_my8H_u'b_F5}半导体技术天地[SemiconductorTechnologyWorld]11-2-1-1元件橫截面結構觀察

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      圖11-2-3（a）和（b）是一個靜態隨機記憶體（StaticRandomAccessMemory,SRAM）產品的橫截面結構觀察，比較圖11-2-3（a）的光學顯微鏡照片和圖11-2-3（b）的掃描式電子顯微鏡照片可以發現雖然光學顯微鏡的解析度較差，但是因為光線對各種材料的反射率不同，仍能能清楚的分辨金屬和複晶層。

圖11-2-4是一個動態隨機記憶體（DynamicRandomAccessMemory,DRAM）產品的橫截面結構觀察，從圖11-2-4（a）的光學顯微鏡照片，我們已可以得知是壕溝式電容（Trench  Capacitors）的結構，整體的製程技術一覽無遺，已充分顯示這是一個兩層金屬層三層複晶層（2-levelMetal,3-levelPoly,2M3P）的元件結構，雖然圖11-2-4（b）的穿透式電子顯微鏡照片更能顯現材料的細部結構，但是要得到500um2以上均勻蝕薄的穿透式電子顯微鏡試片並非容易，若從時效性的考量著眼，包括試片製備的時間，當然是光學顯微鏡最快，掃描式電子顯微鏡次之，穿透式電子顯微鏡最慢，而從結構資料的豐富性來比較的話，那當然完全相反了。

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m,d"WE&c8s,N_}（U3_芯片,设计,版图,晶圆制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,fabrication,process,layout,package,test,FA,RA,QA-s_U_z_G_N_J_F_A（p*@2r

11-2-1-2平面式去層次（Delayer）結構分析

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b    Uh）m芯片,设计,版图,晶圆制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,fabrication,process,layout,package,test,FA,RA,QA

|___m7J9y_|,h_L_      圖11-2-5.（a）和（b）是對一個靜態隨機記憶體作產品結構分析時，先用化學溶液選擇性的除去上層金屬和氧化層後，裸露出下層複晶負載（Poly-SiLoad）和複晶閘極（Poly-SiGate），兩者雖是同材質的複晶矽，但是因為厚度不同，所以在圖11-2-5（a）的光學顯微鏡照片裡呈現不同的顏色，已可以看出兩者在佈局上的相對位置，圖11-2-5（b）的掃描式電子顯微鏡照片解析度較高，影像景深（DepthofFocus,DOF）較長，在視覺上較有立體感，但是對於佈局上的觀察似乎提供了類似的訊息。

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wt2G+11-2-1-3析出物空乏區（DenudedZone）的觀察

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&a$N_p'D2sY7I_}芯片,设计,版图,晶圆制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,fabrication,process,layout,package,test,FA,RA,QA      圖11-2-6是對一個邏輯產品晶片下方空乏區的觀察，該晶片用微小角度傾斜研磨（AngleLapping）後，經過Sirtl侵蝕的酸液蝕刻，將（Gettering）後集積在晶片下半部的析出物凸顯出來，顯現出高密度的軌跡，而在靠晶片表面附近出現一段空乏區，經過角度換算，推斷出空乏區的寬度約為20um。

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_c#neG_w,R11-2-1-4氧化疊差（OxidationEnhancedStackingFaults,OSF）的研究芯片,设计,版图,晶圆制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,design,fabrication,process,layout,package,test,FA,RA,QA5^'`）x_G_MAM

_|8p_o_{_x6b_v_q'W.N半导体技术天地[SemiconductorTechnologyWorld]      圖11-2-7（a）-（c）是一個因場區氧化（FieldOxidation）製程異常以致於在井區（Well）植入區域中生成氧化疊差，圖11-2-7（a）的光學顯微鏡照片是所有元件材料全部去除後裸露的矽晶片表面，經Wright侵蝕後，將晶片中疊差所在的位置蝕刻成線段式的凹痕，箭頭所示是垂直交錯的疊差只出現在井區；圖11-2-7（b）是同一晶片去除層次後，未作Wright侵蝕的穿透式電子顯微鏡照片，同樣的，垂直交錯的疊差只出現在井區，但是疊差顯現出清晰的條狀干涉條紋，若是在較厚的試片區觀察，可以得到完整的疊差影像，如圖11-2-7（c）中箭頭所示，周圍被部份差排（PartialDislocation）所包圍；從材料特性，我們知道矽晶片的疊差座落在四組斜倚（Inclined）的{111}平面上，因為{111}平面與（001）平面的交接方向即為四組[110]方向，因此光學顯微鏡和穿透式電子顯微鏡觀察皆發現疊差沿著[110]方向垂直交錯，而圖11-2-7（c）的影像即是座落在{111}平面上的疊差在（001）平面上的投影量，利用簡易的幾何運算，我們可以得知疊差的長寬與面積，同時了解疊差位於晶片表面以下的深度。

雖然兩種觀察法都可以確認疊差的分布位置、走向、密度，所得到的結果類似，但是穿透式電子顯微鏡在分析上更能提供準確的尺寸量測，進一步了解疊差在三度空間的相對位置，推斷可能的影響程度。

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i_G&C9f_f"M_f半导体技术天地[SemiconductorTechnologyWorld]11-2-1-5差排的觀察

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'O,[_r_wg_B_k9]0\8C芯片,设计,版图,芯片制造,工艺,制程,封装,测试,wafer,chip,ic,process,layout,package,FA,QA      圖11-2-8（a）-（c）是對矽晶片內的線缺陷－差排作觀察，經Wright侵蝕後，差排終止於晶片表面的端點被蝕刻成凹痕，圖11-2-8（a）的光學顯微鏡照片顯示有4條差排線的端點，圖11-2-8（b）的掃描式電子顯微鏡照片是凹痕的放大照片，外觀與圖11-2-3的圖樣雷同，圖11-2-8（c）的穿透式電子顯微鏡照片顯示這種十字交錯差排的原始影像，謹提供各式觀察結果的比較，希望能有助於讀者的聯想。

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x7@I11-2-1-6過蝕刻（Overetch）的凹痕

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_g_j_C&k_P    j_S.j      圖11-2-9（a）和（b）是在比較元件閘極兩側的間隔層（Spacer）蝕刻製程中，正常與異常的蝕刻所導致的凹痕對比，通常間隔層蝕刻僅在S/D區域造成非常輕微的損失，因此在除去閘極上的複晶材料後，閘極下的通道區（ChannelRegion）與S/D區域的矽晶片在光學顯微鏡下僅會有些許的對比差異（如圖11-2-9（a））；然而若發生嚴重的過蝕刻現象時，在閘極的兩側將出現某種程度的凹痕，這種凹痕在光學顯微鏡下會呈現寬帶狀的暗色對比（如圖11-2-9（b）），所以試比較圖11-2-9（a）&（b）的結果，這類過蝕刻的凹痕亦常發生在場氧化（FieldOxidation）前的氮化矽蝕刻製程中，在剛蝕刻完時，如果能熟諳在光學顯微鏡下的觀察將會有助於早期發現問題，不需要破片作掃描式電子顯微鏡或穿透式電子顯微鏡觀察。

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11-2-2掃描式電子顯微鏡（ScanningElectron