半导体的常见表征手段

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

在半导体工艺研发与制造过程中，精确的表征技术是保障器件性能与良率的核心环节。

本文针对六类关键分析仪器，系统阐述其技术原理及在半导体工艺表征中的典型应用场景。

二次离子质谱分析仪（SIMS）

技术原理：

SIMS通过高能离子束（如Cs⁺、O₂⁻、Ar⁺）轰击样品表面，激发出原子、分子及二次离子。

能量分析器与质量分析器协同工作，对二次离子进行能量与质量筛选，最终通过离子检测器生成质谱图。该技术可实现元素成分的纵向深度剖析（深度分辨率达纳米级）及横向二维成像，检测极限可达ppm（百万分比浓度）至ppb（十亿分比浓度）级别。

应用场景：

掺杂浓度分析：监测离子注入工艺中硼、磷等掺杂剂的浓度分布。

例如上图展示的氧化退火后磷掺杂浓度的高斯分布曲线，可评估退火工艺对掺杂剂扩散的影响。

界面污染检测：分析氧化层/硅界面处的金属杂质（如Fe、Cu）含量，判断清洗工艺效果。

分子结构表征：识别有机光刻胶残留或高分子钝化层成分。

变体技术：

飞行时间SIMS（TOF-SIMS）通过测量二次离子在固定距离内的飞行时间差异实现元素识别。

适用于表面极薄层（<1nm）的非破坏性分析，例如检测栅介质层中的氢含量。

原子力显微镜（AFM）

技术原理：

AFM利用探针与样品表面原子间的作用力（范德华力、静电力等）变化，驱动悬臂梁偏转。

激光干涉仪精确测量悬臂梁形变，重构样品表面形貌，纵向分辨率可达0.1nm。

应用场景：

表面粗糙度测量：评估化学机械抛光（CMP）后晶圆表面的全局平坦度，优化抛光液配方与工艺参数。

纳米结构表征：观察光刻胶图案的侧壁形貌，检测线条边缘粗糙度（LER），为极紫外光刻（EUV）工艺提供反馈。

力学性能测试：通过力-距离曲线分析低介电常数（Low-k）材料的杨氏模量，评估机械稳定性。

局限性：扫描速度较慢（通常<1Hz/像素），难以满足大面积快速检测需求。

俄歇电子能谱分析仪（AES）

技术原理：

AES利用高能电子束激发样品表面原子内层电子跃迁，通过检测俄歇电子能量实现元素定性分析。

其信息深度仅限于表面1-5nm，对轻元素（如B、C、N）敏感度高。

应用场景：

薄膜成分分析：测定金属栅极（如TiN、TaN）与高介电常数（High-k）介质界面处的氧含量，优化原子层沉积（ALD）工艺。

氧化层厚度测量：结合俄歇电子产额随深度的指数衰减规律，标定栅氧化层厚度（<5nm）。

失效分析：定位电迁移失效金属互连线的表面成分变化，如Al-Cu合金中的Cu偏析现象。

技术特点：空间分辨率优于10nm，但需超高真空环境（<10⁻⁹Torr）。

X射线光电能谱分析仪（XPS）

技术原理：

XPS采用单色X射线（如Al Kα=1486.6eV）照射样品，激发光电子逃逸。

通过测量光电子动能

Ek=hν-Eb-φ

确定元素化学态，其中Eb为电子结合能，φ为仪器功函数。

应用场景：

化学态分析：识别硅化物形成过程中的Si-Si、Si-Me（金属）键合状态，优化硅化工艺温度。

界面反应研究：分析高介电常数介质（如HfO₂）与硅衬底间的界面层（IL）组成，评估界面态密度。

污染控制：检测晶圆清洗后表面碳氢化合物残留量（C1s峰强度）。

技术优势：非破坏性检测，但信息深度仅限于表面2-3nm，需配合氩离子溅射进行深度剖析。

透射电子显微镜（TEM）

技术原理：

TEM通过高压加速电子束（通常100-300kV）穿透超薄样品（<100nm），经电磁透镜聚焦成像。

能量损失谱仪（EELS）可同步分析电子能量损失特征，获取元素分布与化学键信息。

应用场景：

缺陷表征：观察硅浅结中的位错环与层错缺陷，评估离子注入损伤修复工艺。

三维结构重构：结合聚焦离子束（FIB）切片技术，分析FinFET器件的立体形貌。

金属化分析：研究钴硅化物（CoSi₂）与硅接触界面的晶格匹配度，优化欧姆接触性能。

样品制备挑战：需通过机械研磨、化学抛光及离子减薄获得电子透明区域，制备周期长达数小时。

上述分析技术覆盖了从纳米级形貌表征（AFM）、表面化学分析（XPS/AES）到亚原子级结构解析（TEM）的完整维度，在半导体工艺开发中形成互补关系。

例如，在先进制程节点（<7nm）中，需联合使用SIMS监测掺杂剂扩散、AES分析界面氧化层、TEM观察应变硅沟道结构，以系统性优化工艺参数。