半導體應用方案

       1. 研究半導體硅和砷化鎵材料的晶體缺陷。

        我們用SEM的二次電子象(SE)研究了化學腐蝕顯示的半導體表面的晶體缺陷形貌。用這種方法可研究半導體材料中晶體缺陷應變場的形狀和尺寸、缺陷的走向、表面層內的密度、單個缺陷的顯微形態、缺陷間的相對取向以及相互作用的跡象等等。FESEM可給出半導體表面晶體缺陷的高分辨形貌象,為上述研究提供方便,例如雜質綴飾的位錯和堆垛層錯成核中心的揭示是CSEM不易作到的。照片1是直拉硅單晶(100)面上化學腐蝕顯示的位錯和氧化層錯的二次電子形貌象,其中有一位錯穿過層錯使層錯的應力場形狀受到影響。照片2是摻Te砷化鎵(111)晶面上的位錯,位錯網絡和微缺陷??梢灾搅切挝诲e網絡的形狀受到周圍位錯應變場的影響以及微缺陷和位錯網絡相互作用的痕跡(在接近位錯網絡區域微缺陷的淺坑消失)。

        我們還利用半導體肖脫基勢壘的EBIC象揭示半導體的原生缺陷,用PN結(或肖脫基結)的EBIC象揭示因擴散引入的二次缺陷。這種方法對研究晶體缺陷的電活性有很重要的意義。照片3是硅單晶表面肖脫基勢壘的ERIC象,說明硅晶體中氧沉淀物的聚集。

        2. 用FESEM檢驗拋光硅表面的沾污

       寬帶隙的氧化物和碳化物具有較高的二次電子產額(因它們的二次電子平均自由程大)。我們用δm代表zui大的二次電子產額δmSiO2=2.1-4,δmMgO=15-20而δmS1有1.1,可見半導體材料和氧化物材料的二次電子產額可差20倍。根據δm的差別,并利用FESEM的低壓工作模式(加速電壓≤1千伏),有效地揭示了硅片表面(經拋光和清潔處理之后的表面)的氧、碳沾污。照片4中看到的是用酒精棉擦過的硅片表面上殘留的不規則圖形,它們呈亮襯度,說明這些區城的二次電子產額比襯底Si高,俄歇表面分析表明這些亮區是氧化物薄層。

         3. 在研究半導體激光器中的應用

       半導體激光器的制造工藝一般都是用液相外延的方法來生長多層異質結構,一般有源層的厚度都較小。在異質結激光器的制造工藝中,重要的問題是由于摻雜不當和雜質沾污使器件失去了異質結器件的優點。我們利用雙異質結激光器剖面的二次電子形貌象和EBIC訊息重疊記錄的方式,清楚地揭示了PN結在多層外延結構中的位置(照片5中EBIC線分布的峰值位置),指出PN結距有源層偏位的距離。這個工作的關鍵是準確測定有源層的位置及厚度,對薄有源層激光器,有源層厚度有0.1--0.3微米,由于構成異質結的兩種半導體材料的二次電子產額差并不大,給檢側帶來一定的困難。然而用PESEM選擇適當的加速電壓,在零偏壓下也易得到清晰的多層結構形貌象,對研究異質結激光器PN結偏位的向題十分有利(照片6)。

         4. 在研究集成電路中的應用

        1)電子束、X射線曝光技術是制造近代半導體集成電路的先進工藝,大大提高了集成度和成品率。我們用HPS-50B型FESEM在沒有表面噴涂金屬膜的份情況下(表面噴涂往往會使表面形貌失真),直接觀測用電子束曝光A刻蝕的二氧化硅、氮化硅的亞微米光柵,測定其間距、刻蝕 shen 度及邊緣角度。這特別有利于對電子束和熱敏感的光刻膠刻蝕圖形的直接觀察(照片7)。

        2)我們利用FESEM的高分辨率和低充電效應,直接檢測電路中氧化層的質量、多晶硅表面的粒度、光刻工藝中的局部缺陷、金屬連線的隧道形缺陷等。此外,我們還可用EBIC模式確定集成電路中單個PN結的位置及PN結附近的晶體缺陷。

        3)電壓襯度是試樣的表面電位分布對二次電子發射和檢測的調制效應。試樣加1~10伏的正電位產生負襯度(暗襯度),試樣加負電位產生正襯度(亮襯度)。對一PN結加反偏壓時,P區是負電位,電壓襯度為亮區,N區為正電位,電壓襯度為暗區,這是用SEM顯示PN結的一種方法。SEM的電壓襯度功能多用于分析工作狀態下的集成電路,檢驗集成電路失效的原因。FESEM在低加速電壓下的電壓襯度象可揭示表面層中電位分布,而在較高加速電壓下的電壓襯度象可揭示襯底與表面層之間的電位分布,并且在1KV加速電壓下可檢測0.1伏偏壓下的電壓襯度差別。這種功能對多層布線集成電路的分析很有用,這也是FESEM應用于研究半導體集成電路的特殊功能。

        4)藍寶石(或尖晶石)絕絕緣襯底上外延硅單晶是制造高速度、高耐輻照性能的半導體集成電路的重要工藝。由于襯底是良好的絕緣材料,在硅單晶外延生長的初始階段,硅單晶小島還沒有連為一體時,外延層的電阻率相當高,電子束充電效應也相當嚴重。為得到高質量的SEM二次電子形貌象往往需要在表面上噴涂一導電膜,但這會使外延層表面原來的形貌發生畸變。我們用FESEM在表面不噴涂的條件下拍攝了藍寶石上外延硅單晶初始生長狀態的二次電子形貌象(如照片9所示),若對不同生長時間的外廷層作系列觀察,便可研究藍寶石上硅外延生長的成核過程。

  • 上述的舉例是很有限的,隨著各種附件的應用,必將進一步發揮FESEM的特性并擴大其在半導體技術領域中的應用范圍。
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