文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

在半導體工藝研發與制造過程中，精確的表征技術是保障器件性能與良率的核心環節。

本文針對六類關鍵分析儀器，系統闡述其技術原理及在半導體工藝表征中的典型應用場景。

二次離子質譜分析儀（SIMS）

技術原理：

SIMS通過高能離子束（如Cs?、O??、Ar?）轟擊樣品表面，激發出原子、分子及二次離子。

能量分析器與質量分析器協同工作，對二次離子進行能量與質量篩選，最終通過離子檢測器生成質譜圖。該技術可實現元素成分的縱向深度剖析（深度分辨率達納米級）及橫向二維成像，檢測極限可達ppm（百萬分比濃度）至ppb（十億分比濃度）級別。

應用場景：

摻雜濃度分析：監測離子注入工藝中硼、磷等摻雜劑的濃度分布。

例如上圖展示的氧化退火后磷摻雜濃度的高斯分布曲線，可評估退火工藝對摻雜劑擴散的影響。

界面污染檢測：分析氧化層/硅界面處的金屬雜質（如Fe、Cu）含量，判斷清洗工藝效果。

分子結構表征：識別有機光刻膠殘留或高分子鈍化層成分。

變體技術：

飛行時間SIMS（TOF-SIMS）通過測量二次離子在固定距離內的飛行時間差異實現元素識別。

適用于表面極薄層（<1nm）的非破壞性分析，例如檢測柵介質層中的氫含量。

原子力顯微鏡（AFM）

技術原理：

AFM利用探針與樣品表面原子間的作用力（范德華力、靜電力等）變化，驅動懸臂梁偏轉。

激光干涉儀精確測量懸臂梁形變，重構樣品表面形貌，縱向分辨率可達0.1nm。

應用場景：

表面粗糙度測量：評估化學機械拋光（CMP）后晶圓表面的全局平坦度，優化拋光液配方與工藝參數。

納米結構表征：觀察光刻膠圖案的側壁形貌，檢測線條邊緣粗糙度（LER），為極紫外光刻（EUV）工藝提供反饋。

力學性能測試：通過力-距離曲線分析低介電常數（Low-k）材料的楊氏模量，評估機械穩定性。

局限性：掃描速度較慢（通常<1Hz/像素），難以滿足大面積快速檢測需求。

俄歇電子能譜分析儀（AES）

技術原理：

AES利用高能電子束激發樣品表面原子內層電子躍遷，通過檢測俄歇電子能量實現元素定性分析。

其信息深度僅限于表面1-5nm，對輕元素（如B、C、N）敏感度高。

應用場景：

薄膜成分分析：測定金屬柵極（如TiN、TaN）與高介電常數（High-k）介質界面處的氧含量，優化原子層沉積（ALD）工藝。

氧化層厚度測量：結合俄歇電子產額隨深度的指數衰減規律，標定柵氧化層厚度（<5nm）。

失效分析：定位電遷移失效金屬互連線的表面成分變化，如Al-Cu合金中的Cu偏析現象。

技術特點：空間分辨率優于10nm，但需超高真空環境（<10??Torr）。

X射線光電能譜分析儀（XPS）

技術原理：

XPS采用單色X射線（如Al Kα=1486.6eV）照射樣品，激發光電子逃逸。

通過測量光電子動能

Ek=hν-Eb-φ

確定元素化學態，其中Eb為電子結合能，φ為儀器功函數。

應用場景：

化學態分析：識別硅化物形成過程中的Si-Si、Si-Me（金屬）鍵合狀態，優化硅化工藝溫度。

界面反應研究：分析高介電常數介質（如HfO?）與硅襯底間的界面層（IL）組成，評估界面態密度。

污染控制：檢測晶圓清洗后表面碳氫化合物殘留量（C1s峰強度）。

技術優勢：非破壞性檢測，但信息深度僅限于表面2-3nm，需配合氬離子濺射進行深度剖析。

透射電子顯微鏡（TEM）

技術原理：

TEM通過高壓加速電子束（通常100-300kV）穿透超薄樣品（<100nm），經電磁透鏡聚焦成像。

能量損失譜儀（EELS）可同步分析電子能量損失特征，獲取元素分布與化學鍵信息。

應用場景：

缺陷表征：觀察硅淺結中的位錯環與層錯缺陷，評估離子注入損傷修復工藝。

三維結構重構：結合聚焦離子束（FIB）切片技術，分析FinFET器件的立體形貌。

金屬化分析：研究鈷硅化物（CoSi?）與硅接觸界面的晶格匹配度，優化歐姆接觸性能。

樣品制備挑戰：需通過機械研磨、化學拋光及離子減薄獲得電子透明區域，制備周期長達數小時。

上述分析技術覆蓋了從納米級形貌表征（AFM）、表面化學分析（XPS/AES）到亞原子級結構解析（TEM）的完整維度，在半導體工藝開發中形成互補關系。

例如，在先進制程節點（<7nm）中，需聯合使用SIMS監測摻雜劑擴散、AES分析界面氧化層、TEM觀察應變硅溝道結構，以系統性優化工藝參數。