TEM破解半導體差排軌跡　找出晶片漏電真因(1)

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，L_A和L_B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，θ_A和θ_B分別為帆船A和帆船B和L二端點的夾角。當L_A和L_B的長度遠大於L時，L_A等於(L/θ_A)，而LB等於(L/θ_B)。所以只要有一精確度足夠的量角器和量尺，就可以計算出L_A和L_B到某

TEM破解半導體差排軌跡　找出晶片漏電真因(1)

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