TEM破解半導體差排軌跡 找出晶片漏電真因(1)

作者: 鮑忠興
2024 年 05 月 03 日

差排這個微小缺陷可能會引發半導體元件的漏電流,進而嚴重影響元件的可靠性。穿透式電子顯微鏡(TEM)是目前唯一能觀察到微小差排的分析工具。TEM可以分析差排的型貌、密度和種類,以及差排在矽基板內的延伸軌跡。

在晶片製造過程中,差排是一個相當棘手的問題。這個微小缺陷可能會引發半導體元件的漏電流,進而嚴重影響元件的可靠性。穿透式電子顯微鏡(TEM)是目前唯一能觀察到微小差排的分析工具。但要充分發揮其威力,需要相當的技術與知識。

第一類半導體材料為矽和鍺,由於晶圓提煉技術成熟,單晶晶片中的缺陷密度非常低,通常只有零度空間型的空缺(Vacancy)缺陷,而一度空間型的差排(Dislocation)缺陷濃度近乎零。然而,在離子布植的製程中,如果熱處理程序不當,就會在半導體元件的主動區殘留一些差排晶體缺陷。主動區內的差排如果穿過p-n接面,就會變成漏電流的通道,降低元件的可靠性。

TEM/掃描穿透式電子顯微鏡(STEM)是目前唯一看得到差排的奈米材料分析技術。透過特定的繞射條件,TEM/STEM影像可以推算差排密度和差排類型[1 ~ 3],而TEM三維立體成像技術,則可以分析差排在三度空間的延伸軌跡[4 ~ 6]

本文將探討如何以TEM三維立體成像技術,分析半導體元件矽基板內差排的延伸軌跡。對於漏電型失效的半導體元件,分析差排的延伸軌跡是TEM分析的重要工作。

TEM三維立體成像技術

近代TEM/STEM的功能強大,擁有超過十種微奈米材料分析的技術。其中,可以用來分析差排在晶體內部三度空間延伸軌跡的技術有三種,包含:TEM斷層掃描術(TEM Tomography)[5、6]、3D TEM和TEM立體影像(TEM Stereo)[1、3]

TEM斷層掃描術

TEM斷層掃描術最先進也最精確,但是操作過程過於複雜繁瑣和耗時。主要用於學研界的TEM實驗室,不適於產業界的一般工程師操作,而且試片包含的範圍也通常過於狹小。

3D TEM

3D TEM通常是先用平面型試片做第一次TEM觀察,看到差排後對該區塗布適當的保護層後,再進行一次聚焦離子束(FIB)切割,容易損傷試片,也可能切掉部分差排,導致資料錯誤。

TEM立體影像技術

TEM立體影像技術相對上述兩者,只需要做一次TEM試片,從二個角度保持同樣的繞射條件觀察,藉由基本的幾何量測與運算,即可描繪出差排的延伸軌跡。此法的試片製備相對簡單許多,成功率較高。

遠距觀察影像案例

以在遠離海岸的海上有二艘相距不遠的帆船為例, 如圖1所示,由於距離過遠,無法判斷哪艘在前,哪艘在後。此時,如果海岸上有一足夠大的平坦區域,則可以用簡單的幾何公式,推算二艘帆船的距離。圖2是圖1 俯視圖示意圖,LA和LB分別是帆船A與帆船B和海岸上觀察者的距離,L是觀察者平行海岸移動的直線距離,θA和θB分別為帆船A和帆船B和L二端點的夾角。當LA和LB的長度遠大於L時,LA等於(L/θA),而LB等於(L/θB)。所以只要有一精確度足夠的量角器和量尺,就可以計算出LA和LB到某

圖1 遠方海上的二艘帆船,遠近難分 (圖片來源:宜特科技)
圖2 圖1的俯視圖示意圖 (圖片來源:宜特科技)

 

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