天游ty8线路检测中心 通过电子断层扫描分析半导体材料

简介

许多工业产品现在都由计算机控制，而在电子设备中发挥核心作用的半导体器件预计将变得更快、更节能。通过半导体元件的小型化和集成化，CPU和存储器变得更小、更快、功耗更低，近年来，已经报道了14nm间距的半导体器件。这些最新的半导体器件采用三维排列设计，可有效集成元件[1, 2]。因此，传统的基于二维图像观察的结构分析不足以用于半导体开发和失效分析，有必要进行纳米级空间分辨率的三维结构分析。电子断层扫描（ET）是一种结合透射电子显微镜（TEM）和计算机断层扫描（CT）来观察三维微观结构的方法。倾斜样品台时获取 TEM 图像，通过对连续倾斜图像应用反投影并重建它们来获得三维结构 [3]。 ET能够进行亚纳米三维分辨率的结构分析，对于最新的三维结构半导体材料的结构分析是有效的[4, 5]。此外，人们正在尝试应用 EDS 断层扫描，它将 ET 和能量色散 X 射线光谱 (EDS) 结合起来以获得 3D 元素图 [6-9]。 EDS断层扫描是一种连续倾斜样品，在每个倾斜角度获得元素图，并根据获得的顺序倾斜元素图重建3D元素图的方法[10, 11]。 EDS断层扫描在2000年代就已有报道，但当时的EDS探测器为Si(Li)EDS探测器，其尺寸有限、探测灵敏度低、信号处理速度慢，因此需要用电子束长时间照射样品才能获得连续倾斜的EDS图。因此，电子束损伤和污染的影响严重，结构分析的样品数量有限。然而，近年来，随着硅漂移探测器（SDD）的发展，信号处理速度显着提高，现在可以制造大面积探测器，并且可以在TEM中安装多个EDS探测器，使得获得EDS图谱的速度比使用Si（Li）EDS探测器时快13至16倍[12, 13]。因此，使用 EDS 断层扫描获取金属和半导体材料的 3D 元素图变得很流行。然而，将EDS断层扫描分析应用于对电子束辐照敏感的生物样品和软材料仍然很困难。
虽然EDS断层扫描作为三维结构分析方法是有效的，但它仅用于定性分析以确定元素位置，很少进行三维定量分析。 EDS断层扫描存在两个阻碍三维定量分析的问题：样品本身对X射线的吸收以及在某些倾斜角度下探测器对X射线的屏蔽[14]。图1(a)是X射线吸收的影响示意图，X射线吸收是EDS分析中阻碍三维定量分析的因素之一。黑色箭头表示电子束照射 SDD 产生的特征 X 射线的路径。如果样品具有对称结构，则靠近 SDD 的一侧和远离 SDD 的一侧产生的 X 射线量将相等。但由于远离SDD的一侧在穿过样品时会被样品本身吸收，因此SDD检测到的X射线量会减少，远侧会产生浓度较低的定量结果。在传统的二维EDS分析中，可以通过使样品足够薄来减少吸收效应，但在EDS断层扫描中，样品越薄，丢失的三维信息就越多，因此即使样品很厚，也需要三维定量分析的准确性。最近的研究试图通过数据采集后的计算处理来消除 EDS 断层扫描中的吸收效应 [15]。图1(b)是屏蔽效应的示意图，屏蔽效应是阻碍三维定量分析的另一个因素。通常情况下，TEM样品支撑在3 mmφ网格上，网格固定在样品架上，但在传统的EDS检测系统中，SDD放置在倾斜轴的两侧（图2（a）），当样品台倾斜以获得EDS断层图时，在一定的倾斜角度下，SDD会遮挡网格条或样品架，阻挡X射线并降低EDS的强度 地图。结果，三维结构中会出现伪影。为了消除这种屏蔽效应，需要估计每个倾斜角度的屏蔽效应并校正 EDS 图的强度。为了利用EDS断层扫描进行高精度的三维结构分析和三维定量分析，有必要消除这些吸收和屏蔽效应。
在这项研究中，我们试图通过改进 TEM 及其附件以及构建新的 EDS 检测系统来减少屏蔽效应。图2（b）显示了本研究提出的新型EDS检测系统。两个 SDD 分别放置在倾斜轴 (SDD2) 和倾斜轴右侧 (SDD1)。当样品台倾斜时，放置在倾斜轴右侧的 SDD 1 仍然具有屏蔽作用，但放置在倾斜轴上的 SDD 2 应提供恒定的灵敏度，无论倾斜角度如何。因此，本研究的目的是将一种新的EDS检测系统（将SDD放置在倾斜轴上）引入TEM中，以确认不存在屏蔽效应，并通过将该EDS检测系统应用于半导体样品来获得EDS断层图。

图1 示意图，显示了EDS断层扫描中阻碍定量分析的两种现象

• 电子束照射样品时产生的特征X射线穿过箭头所示的射线路径，并被SDD检测到。此时，远离SDD一侧产生的部分X射线被样品本身吸收。
• EDS 断层扫描涉及连续倾斜样品以获得 EDS 图。在一定角度下，SDD隐藏在样品架或栅条的阴影中，减少检测到的X射线量。这些吸收和屏蔽效应会导致 EDS 断层扫描生成的 3D 元素图中出现伪影。

图2

• 传统 EDS 断层扫描系统的 SDD 放置。 SDD 放置在样品台倾斜轴的左侧和右侧。
• 本研究中采用的新型 EDS 断层扫描系统的 SDD 布置。 SDD1与传统布置相同，但SDD2布置在倾斜轴上。使用SDD2，立体角相对于样品的倾斜角变化很小，从而可以在没有屏蔽影响的情况下获得EDS断层图。

实验

本研究使用的设备是TEM（JEM-ARM300F，天游线路检测中心制造），加速电压为300 kV，配备冷阴极场发射电子枪、球差校正器和两个SDD（图3）。如上所述，两个SDD分别放置在倾斜轴上和倾斜轴右侧（图2（b））。为了消除屏蔽效应，我们试图在倾斜轴上仅使用SDD2来获得EDS断层图，因此我们采用了元件面积为158 mm2的大面积SDD，以保证用一个SDD就有足够的立体角。此外，由于X射线的衰减与距离的平方成反比，因此将作为X射线源的TEM样品靠近SDD可以有效提高EDS图的获取速度并防止因电子束损伤而损坏样品。在本实验中，我们采用了比传统物镜更窄的上下极点以及更宽的上下极点间隙的物镜（Wide Gap Pole Piece：WGP），使得SDD比以前更接近样品架，提高了EDS图的获取效率。使用的样品支架是新开发的用于 EDS 断层扫描的高倾斜分析支架。虽然这种支架可以以超过±70°的大角度倾斜，但尖端设计得又薄又薄，很难阻挡样品产生的X射线。通过这三项改进，在本研究[13]中使用的EDS检测系统中，SDD1和SDD2的立体角分别达到了1106 sr和1108 sr，可以说，即使仅使用放置在倾斜轴上的SDD2，也可以足够快速地获取EDS断层图像的系统。
实验中使用了两种类型的 TEM 样品：涂层样品和半导体样品。油漆样品用于测量屏蔽的有效性。将固化后的涂膜包埋在环氧树脂中，用切片机切成300 nm厚的切片，然后转移到3 mmφ的普通铜网上，形成TEM样品。 EDS图是在加速电压300kV、电流值300pA的条件下获得的。使用自动断层扫描采集软件(TEMography，由SYSTEM IN FRONTIER制造)自动采集EDS倾斜系列。倾斜角度范围为±60°，角度步长为5°，EDS图尺寸为256×256像素。总采集时间为 190 分钟。使用EDS分析软件（Analysis Station TM，天游线路检测中心制造）将所有获取的EDS图通过批量处理转换为净计数图（*净计数图是通过去除背景、解卷积重叠的X射线峰并分离每个元素的峰而计算出的每个元素的计数图。）与EDS同时获取的连续倾斜系列的HAADF-STEM图像 首先在三个维度上重建倾斜系列，并将对齐和重建条件应用于 EDS 倾斜系列以获得每个元素的 3D 元素图。因此，每个 3D 元素图从采集到重建都在相同的条件下进行处理。所使用的三维重建算法是SIRT(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique)，它是一种顺序重建方法。
FinFET，一种典型的三维结构的三栅半导体器件，被用作接下来的实验对象。用金刚石刀具将晶片加工成小片，通过机械抛光减薄，然后使用氩离子溅射装置（Ion Slicer TM，天游线路检测中心制造）加工成薄膜，形成TEM样品[16]。将 5 nmφ 的胶体金颗粒撒在 TEM 样品上，以对齐倾斜系列。 EDS倾斜系列在200 kV的加速电压下获得，总共获得33张EDS图，倾斜角度范围为±64°，角度步长为4°。仅当 SDD2 放置在倾斜轴上时才获取 EDS 图。总采集时间为 120 分钟。三维重建过程与上一段中描述的涂层样品相同。

图3 本研究中使用的EDS断层扫描系统配置的外部照片

• 配备有球面像差校正装置的300kV型TEM(JEM-ARM300F，JEOL制造)。
• 大面积SDD。检测面积为158毫米²，其中两个连接到 TEM。
• 用于 EDS 断层扫描的高倾斜分析支架。它可以以±70°或更大的大角度倾斜，并且尖端很细，很难阻挡从样品射向SDD2的X射线。

结果与讨论

本研究中使用的漆膜样品的HAADF-STEM图像如图4(a)所示。直径为100-500 nm的氧化钛颗粒和氧化铁小片分散在二氧化硅颗粒的聚集体中。 EDS图是在±60°的倾斜角度范围内以5°的步长从该视场获取的，三维重建的结果如图4(b)所示。黄色颗粒对应于氧化钛，绿色颗粒对应于二氧化硅颗粒的聚集体，洋红色片对应于氧化铁。为了测量X射线屏蔽的效果，我们聚焦于Ti氧化物颗粒，得到图5。图5中，横轴是样品台的倾斜角度，纵轴是Ti图的总计数。由于无论从哪个角度拍摄 EDS 图，Ti 氧化物颗粒的体积都保持不变，因此，无论样品台的倾斜角度如何，理想的无屏蔽效应的 EDS 检测系统都应始终具有恒定的计数。在位于倾斜轴右侧的SDD1中，Ti计数在-20°附近减少了约40%，表明X射线屏蔽的效果。另一方面，放置在倾斜轴上的SDD2在±60°的范围内几乎恒定。这证实了可以通过使用放置在倾斜轴上的一个 SDD 来消除屏蔽的影响。当样品台倾斜到大角度时，总计数略有下降，但这似乎是由于样品因倾斜而变厚，样品本身吸收的影响不再可以忽略。
接下来，为了将新的EDS检测系统应用于实际样品，我们获取了半导体样品的EDS断层图。仅使用放置在倾斜轴上的 SDD2 来获取 EDS 图。样品为FinFET，从截面方向观察到的HAADF-STEM图像如图6(a)所示。 HAADF-STEM 图像中的白色颗粒是为了排列而分散的胶体金颗粒。在该视场中获得连续倾斜的EDS图，通过三维重建获得的3D元素图如图6(b)-图6所示。 6(h)。虽然作为绝缘膜的氮图谱由于是轻元素而具有较低的信噪比，但对于Ge、Ti和W图谱已经获得了具有高信噪比的3D元素图谱，使得可以清晰地捕捉结构。图 7 显示了从多个方向截取的图 6(h) 所示 FinFET 3D 元素图的横截面。图7(a)是垂直于沟道的Y切剖面，切开位置是Si/Ge应力源所在的位置，如下图Z切剖面中的黄线所示。可以捕获应力源（Ge：黄色）和通道（Si：深蓝色）的元素分布。图7(b)是流路大致中央处的剖面图。可以确认沟道和栅电极（W：绿色）、氮化膜（N：品红色）和氧化物膜（O：青色）之间的元素分布。
在这项研究中，我们通过改进 TEM 和 EDS 检测系统成功消除了 X 射线屏蔽的影响。然而，为了高精度地进行三维定量分析，还必须消除样品本身吸收X射线的影响。图 8 显示了 X 射线吸收效果的结果。使用通用TEM(JEM-F200：由天游线路检测中心制造)获取漆膜样品的连续梯度EDS图，以获得3D元素图。我们分别提取直径为 115 nm、190 nm 和 315 nm 的 Ti 颗粒，并对获得的每个体素的 3D 元素图应用 Cliff-Lorimer 方法进行三维定量分析。当粒径为115 nm时，Ti与氧的元素比为1：2，表明是TiO2，但随着粒径增大，氧的比例减少。这被认为是因为氧K线被Ti颗粒本身吸收。 EDS断层扫描对于阐明三维结构是有效的，但为了进行三维定量分析，必须建立一种精确校正吸收效应的方法。

图4

• 漆膜样品的 HAADF-STEM 图像。
• 涂层样品的 3D 元素图。黄色颗粒对应于氧化钛，绿色颗粒对应于二氧化硅颗粒的聚集体，洋红色片对应于氧化铁。

图5 新EDS检测系统中屏蔽影响的调查结果

横轴为样品台的倾斜角度，纵轴为漆膜样品Ti图的总计数。 SDD1位于倾斜轴右侧，由于屏蔽的影响，在–20°左右时计数下降了约40%。可以看出，放置在倾斜轴上的SDD2的计数在±60°的角度范围内几乎恒定，且屏蔽的影响较小。

图6

• FinFET 样品的 HAADF-STEM 图像。整个图像中的白色颗粒是为了排列而分散的胶体金颗粒。
• Ge 地图
• Ti地图
• W地图
• 氧气图
• 氮图
• Si地图
• 3D 元素图叠加（Ge、Ti、W、O、N、Si）。

图7 FinFET样品的3D元素图

令(a')和(b')为从垂直于Si衬底表面的Z方向观察到的重构截面。令(a)和(b)分别为通过观察沿(a’)和(b’)中的黄色直线切割的横截面获得的3D元素图。

图8

• 使用200 kV TEM（JEM-F200，天游线路检测中心制造）从漆膜样品获得的3D元素图。
• 3D 元素图中拾取的 Ti 颗粒的 3D 定量分析结果 (a)。粒径越大，氧定量结果越低，认为吸收效果有所贡献。

结论

将 SDD 放置在倾斜轴上的新型 EDS 检测系统引入 300 kV TEM。 EDS探测器元件面积为158 mm²的大面积SDD以及新开发的用于 EDS 断层扫描的高倾斜分析支架，每个单独的探测器可以获得 11 sr 或更大的立体角，并且构建了一个可以使用单个 SDD 快速获取 EDS 断层图像的系统。当仅将SDD放置在倾斜轴上时获取漆膜样品的EDS断层图并测量Ti图的总计数时，发现无论倾斜角度如何，其几乎恒定，证实不存在屏蔽效应。我们还将新的 EDS 检测系统应用于 FinFET 样品，并成功获得了 EDS 断层图。 W、Ge、Ti等已获得清晰的3D元素图。氮作为轻元素，信噪比较低，需要较高的X射线采集率才能清晰分析其三维结构。当我们将新型EDS检测系统应用到通用200 kV TEM上获取漆膜样品的EDS断层图并对Ti颗粒进行三维定量分析时，我们发现Ti氧化物颗粒的粒径越大，氧的元素比越低，这被认为是由于吸收效应所致。尽管我们在本研究中成功地消除了屏蔽效应，但为了利用 EDS 断层扫描进行高精度的三维定量分析，有必要建立一种校正吸收效应的方法。

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