掃描電鏡在半導體行業的應用分析

1.質量監控與工藝診斷
硅片表面站污常常是影響微電子器件生產質量的嚴重問題。掃描電鏡可以檢查和鑒
定站污的種類、來源，以清除站污，如果配備 X 射線能譜儀，在觀察形態的同時，可以分析 這些站污物的主要元素成分。用掃描電鏡還可以檢查硅片表面殘留的涂層或均勻薄膜 也能顯示其異質的結構。
在器件加工中，掃描電鏡可以檢查金屬化的質量，如 Si02  、PSG、PBSG 等鈍化層臺階 的角度。臺階上金屬化的形態關系到器件的成品率和可靠性，因此國內外早已制定了掃 
描電鏡檢查金屬化的標準并作為例行抽驗項目。
當 IC 的加工線條進入亞微米階段，為了生產出亞微米電路所需的精密結構，利用掃 描電鏡進行工藝檢查，控制精度在納米數量級。
在機械加工過程中，會引起表面層的晶格發生損傷。損傷程度一方面取決于切割方 法、振動與磨料選擇的情況，同時也取決于晶體本身的抗損傷能力。利用掃描電鏡中產生 
的特征衍射圖樣的變化，可以直觀而靈敏地看到表面的結構狀況以及晶格結構完整性在 不同深度上的分布，從而確定表面損傷程度。

2. 器件分析
掃描電鏡可以對器件的尺寸和一些重要的物理參數進行分析，如結深、耗盡層寬度 少子壽命、擴散長度等等，也就是對器件的設計、工藝進行修改和調整。掃描電鏡二次電 
子像可以分析器件的表面形貌，結合縱向剖面解剖和腐蝕，可以確定 PN 結的位置、結的 深度。
利用掃描電鏡束感生電流工作模式，可以得到器件結深、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。
對于 1 nm 以下的短溝道器件檢測，可用類似于測量耗盡層寬度的方法，電子束對
MOS 場效應管進行掃描，得到二條柬感生電流曲線，就可得知此場效應管的溝道長度。
3.失效分析和可靠性研究
相當多器件的失效與金屬化有關，對于超大規模電路來說，金屬化的問題更多，如出
現電遷移，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。掃描電鏡 是失效分析和可靠性研究中zui重要的分析儀器，可觀察研究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。
用掃描電鏡的電壓襯度和柬感生電流可以觀察 PN 結中存在的位錯等缺陷，如漏電 流大、軟擊穿、溝道、管道等電性能。正常 PN 結的束感生電流因是均勻的;而當 PN 結中 
存在位錯或其他缺陸時，這些缺陷成為復合中心，電子束產生的電子、空穴在缺陷處迅速 復合，因此，在 PN 結的束感生電流圖中，缺陷位錯處出現黑點、線條或網絡。
CMOS 器件的問鎖效應（ latch-up） 是嚴重影響 CMOS 電路安全使用的失效機理。
在掃描電鏡中的靜態電壓襯度和閃頻電壓襯度可以觀察分析整個電路中哪些部分發生了
|習鎖現象。發生問鎖效應時，有關寄生晶體管呈導通狀，大電流流過寄生 PN 通道中的阱 與襯底，造成在 P 阱里有較大的電位升高，同時 N 襯底的電位降低。這種電位變化在 SEM 
的電壓襯度和閃頻電壓襯度工作模式中，發生變化處圖像的亮度也隨之發生變化， 因而可以較方便地分辨出來。
4.電子材料研制分析
隨著電子技術的迅速發展，對電子材料的性能及環保標準提出了更高的要求。應用
掃描電鏡研究消磁用熱敏電阻的顯微形貌，結果顯示，利用以擰穰酸鹽凝膠包裹法制備的 納米粉體燒結而成的 PTC 熱敏電阻，粒徑在 5μm 左右，而且分布較均勻，沒有影響材料 
性能的粗大顆粒存在;此外，材料中的晶粒幾乎全部發育成棒狀（或針狀）晶體，表明擰攘 酸鹽凝膠包裹法及適當的燒結工藝可以研制無鉛的環保型高性能熱敏電阻。
5. 利用掃描電鏡觀察真空微電子二極管的內部結構圖像，可準確測量出發射尖錐的 頂角和門極小孔的直徑，這對檢測和研制真空微電子二極管是極其有用的。這種真空微 
電子二極管、三極管可以在大氣壓下正常工作，不必對它們實行排氣即可獲得"真空"工作 的條件（胡問國等，1993）。
6. 利用掃描電鏡的柬感應電流（EBIC）像和吸收電流像 （AEI）分別觀察 NTD 硅單晶
和區熔硅單晶高壓整流元件 PN 結的平整度、結深、耗盡區內的缺陸特征及其分布和少子 擴散長度的變化，直觀地顯示 NTD 硅單晶材料的徑向和軸向電阻率均勻，制得的 PN 結
比較平坦，以及熱中子輻射損傷在晶體中造成大量缺陷，這些缺陷使少子擴散長度和平均 壽命縮短。因此，可控制中子輻射損傷和選用合適的退火工藝消除內部缺陷，提高 NTD 硅單晶質量。
7. 半導體材料中的動力學現象如擴散和相變具有很重要的意義 用掃描電鏡跟蹤鋁薄膜條在大電流密度下的電遷移行為，便可以得到有關空洞移動
和熔化解潤失效的細節。此外，利用能譜儀顯微分析技術也可以對半導體材料進行各種成分分析。