多层半导体材料内部缺陷电声显微成像.pdfVIP

堑生堑垄量堡厦坌婴 塑 多层半导体材料内部缺陷的电声显微成像+ 方健文”江向平。 惠森兴。殷庆瑞。 ①科学院上海硅酸盐研究所无机功能村料开放实验室 上海200050；②￡lNi范大学物理系，浙江会华321004) 摘要 本文利用扫描电声显微镜对多层半导体材料进行了无损的分层成像 研究，并从理论上研究了多层半导体材料的电声成像分层检测机 理。研究结果表明，利用电声显微分层成像，不仅可以观察到样品 亚表面的缺陷分布，而且可以直观地区分缺陷的类型。研究结果显 示了扫描电声成像技术在半导体领域中的应用前景。j 关键词 扫描电声显微镜分层成像半导体 扫描电声显微镜(SEAM)是利用光声光热效应，在传统扫描电子显微镜(SEM)基础上 发展起来的一种新型检测设备。SEAM采用一束强度周期性变化(即周期性调制)的电子 束入射试样，使入射电子与试样相互作用并在试样内产生周期性变化的温度场(热波)， 由于试样的热胀冷缩，试样将产生供扫描成像的声信号。SEAM具有很高的检测灵敏度和 空间分辨率，试样无需复杂的预处理，尤其是SEAM所具有的非破坏性亚表面分层显微成 像能力，是普通扫描电镜等传统成像技术所不能比拟的。SEAM在金属、半导体、陶瓷、 聚合物等材料以及半导体集成电路等器件的无损检测和评价方面得NT广泛的”“，但由 于电声信号的产生机制较为复杂，相应的机理研究还不完善，尤其是电声分层检测的理论 研究还未见报道，机理研究的不足已在一定程度上影响了SEAM技术的进一步应用与发 展。 的器件具有低功耗、抗辐照及环境适应性强等许多优异性能。SOI材料所具有的极其广阔 的应用和市场前景引起世界各发达国家的普遍重视，纷纷竞相研究与开发相关技术，并已 成功地研制出微处理器等高性能产品15J。然而，S01材料的制备仍存在一些有待解决的问 题，如工艺条件、过程和原始硅片质量等对SOI材料性能的影响，注入离子在硅晶体中 的作用及对材料的损伤等。在相关的探索研究中，传统的检测方法不仅需对试样进行复杂 的预处理，而且必须破坏试样，不易找到特征区域进行深入研究。与其它材料研究一样， S01材料的无损检测与评价(尤其是材料亚表面的无损检测)问题越来越受到人们的重视。 本文利用SEAM对SOI材料进行无损的分层成像，并提出分层检测的理论模型，探索 SEAM在多层半导体材料中的应用。 +论文丁怍得到国家“863”高技术和中国博士后科学基金资助 38 11塑±主圄监圭生茔查盘金迨塞墨 1成像实验 SOl材料用智能剥离技术(Smartcut)制备”J，氢注入剂量lxl0”cm2，注入能量140 keV，注入时靶温为室温。注氢后的硅片经改进的RCAl、RCA2清洗后，与另一有0．6 lamSi02膜的硅片进行键合，键合后的片子在500。C温度下处理并开裂。成像是在自行研 制的具有计算机控制、采集系统的扫描电声显微镜(SEAM-U)七进行的，该设备可同时获 得试样的一次电子像和SEAM像．便于分析两种图像的差异和扫描区域的定位。成像 时，电子束加速电压20 kv。用于成像的试样大小约lc秆，顶层si膜厚度约0．6pm，中 间Si02层厚约0．6I．tm，Si基底厚350um。试样放入样品台并与电声信号检测器有良好的 声耦合，试样表面溅有薄金膜并接地，以防止入射电子在试样表面积累产生放电现象。 罔】是试样表面同一区域的SEM和SEAM像。其中，图lA是试样的二次电子像， 图中的“a’’区是试样顶层si膜己脱落的部分，其它仅能看出表面有部分区域凸起。图1B 是所有成像实验完成后，从图lA所示的x．X’处切开所得到的试样横截面的二次电子像， 从巾可推断该凸起区域的一些内部情况。从图IA和1B可以看出，二次电子像只能反映 成像区域的表面形貌。图lc—lF分别是入射电子束不同调制频率时的SEAM像，由图 可发现，不仅SEAM像与二次电子像存在很大的差异，各SEAM像之间也有差别。二次 电子像中同样是凸起的区域在SEAM像中的表现却截然不同(图lc中的“1”区与‘2’、‘‘3” 区)，一些在二次电子像中不能反映的情况在SEAM像中明显地显现出来(如图lc中的 ‘‘4’区域以及图1D中箭头所指区域k通过切割