微量摻雜元素在半導體器件的發展中起著至關重要的作用，可以精準調控半導體的電學、光學性能。對器件中微量摻雜元素的準確表征和分析是深入理解半導體器件特性、優化器件性能的關鍵步驟，然而由于微量摻雜元素含量極低，對它的檢測和表征也面臨很多挑戰。

半導體器件中微量摻雜元素表征的重要性

材料性能調控：

微量摻雜元素可以改變半導體的能帶結構。例如，在Si中摻入As元素，因為As元素是五價元素會提供額外的電子，使硅由本征半導體轉變為n型半導體。準確表征摻雜元素的種類、濃度和分布，有助于精確調控半導體的導電類型和載流子濃度，進而優化器件的電學性能，如提高晶體管的開關速度和降低功耗。

在LED中，通過摻雜微量的稀土元素可以改變其發光顏色和效率。例如，在GaN基LED中摻雜Ce元素，能夠調整其發光光譜。對這些摻雜元素的表征能夠確保LED達到預期的光學性能。

制程質量控制：

在半導體制造過程中，摻雜的均勻性和準確性直接影響器件的良率和可靠性。非均勻摻雜可能會導致局部電學性能差異，產生熱點或性能不穩定的區域。通過精確表征微量摻雜元素，可以對制造工藝流程進行監控和優化，提高產品質量。

新材料研發：

隨著半導體技術的發展，新型半導體材料像二維材料被研發出來，對新材料做微量元素摻雜可以賦予材料特殊性能，例如對二維材料進行摻雜改性打開帶隙使其在邏輯電路等應用中更具潛力。因此準確表征摻雜元素有助于深入理解新材料的性能和潛在應用。

微量元素常用的表征方法

微量元素常見的表征方法有二次離子質譜（SIMS）、X射線光電子能譜（XPS）、擴展X射線吸收精細結構（EXAFS）、原子探針斷層掃描（APT）和能量色散X射線光譜（EDS）等方法，每種方法都有各自的優勢和局限性。

隨著集成電路器件尺寸的進一步微縮，納米尺度的精準表征變得越來越重要，因其STEM-EDS連用可進行納米區域分析甚至高分辨原子分析、易操作以及低成本等優勢，EDS分析手段被廣泛應用在集成電路研發和失效分析中。

EDS表征微量摻雜元素原理、影響因素及應用

EDS元素成分分析原理：

EDS是基于電子束與樣品相互作用時產生的特征X射線來進行元素分析的。當高能電子束轟擊樣品時，樣品中的原子內層電子被激發躍遷到外層或脫離原子成為自由電子，原子處于激發態，外層電子會向內層躍遷以填補空位，在這個過程中會釋放出具有特定能量的X射線，如圖1所示。

不同元素的原子結構不同，其內層電子躍遷所釋放的特征X射線能量也不同，通過檢測X射線的能量和強度，就可以確定樣品中存在的元素種類及其相對含量。借助電子顯微鏡的高分辨能力，能譜儀-電子顯微鏡聯用可實現納米尺度微量元素的成分分析。實現的基本過程如下，能譜探測器將X射線能量轉變成與之成正比的電壓脈沖信號，脈沖處理器將電荷脈沖轉換成與之成正比的電壓信號，FET將電壓放大并與別的脈沖分離，由計算機存儲控制系統將數字化信號存儲到與X射線能量對應的信道并輸出到計算機顯示器，各個能量信道的計數即為能譜（energy spectrum），也可轉換為元素分布曲線（line scan），或者轉換為元素分布圖像（mapping）。

（a）EDS譜峰信號來源

▲圖1（b）EDS元素檢測的實現過程

影響微量元素EDS表征結果的因素：

微量一般指在所分析區域內重量百分比小于2%的元素，但是由于含量低，EDS很難探測到，若計數時間足夠長，能譜里面或許可以找到對應的小峰。

關于EDS的最小探測極限可以定義為所分析區域中可被探測到的物質的最小質量分數，但因為EDS軔致輻射的影響，EDS探測極限總在0.1%以上，對于0.1%以下的摻雜元素，需要使用探測極限更低的手段。對于半導體器件中摻雜在0.1%-2%的微量元素，EDS是一種比較好的半定量分析手段，其分析效果大致被幾種因素影響，如Table I所示。

微量元素的EDS分析受多種因素的綜合影響，實際分析的時候也要綜合考慮樣品制備以及實驗參數的選擇。

Table I 微量元素EDS表征的影響因素及結果

半導體器件中微量摻雜元素的EDS表征應用：

Wafer Acceptance Test

如圖2所示是微區Si共格缺陷中微量As元素的EDS表征實例。

圖2（a）所示是缺陷的STEM DF像，缺陷暗場襯度揭示了Si晶格應變襯度。

圖2（b）EDS結果表明在缺陷處有微量As元素富集，而在正常區域則是均勻分布。

圖2（c）所示是缺陷處Si的分布，可見其缺陷處Si的含量低于正常區域。

圖2（d）所示是缺陷處的line scan圖譜，范圍見圖2（a），清晰地揭示了STEM暗場襯度和微量As元素富集的相關性。

微區微量元素分析需要長時間的X ray的收集才能獲得可靠的計數，整個過程需要盡量避免樣品漂移、污染、以及損傷給半定量結果帶來的影響，因此充滿了挑戰。

圖2 Si晶格缺陷中微量As元素表征

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季豐電子

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