天游线路检测中心 使用 4D-STEM 和 STEM-EELS 进行 FinFET 的平面图观察

简介

4D-STEM（4维扫描透射电子显微镜）是一种使用放置在样品下方的二维探测器（相机）与样品上方的电子束探针进行二维扫描同步，记录每个像素对应的衍射图案，并对样品进行分析的方法（图1）。 4D-STEM方法中，每个扫描位置对应的衍射图被完整保存，因此可以通过后处理确认和分析样品上任意位置的电子衍射图。此外，通过后处理设置并应用任意形状的 ROI（感兴趣区域），可以回放各种 STEM 图像，而无需重新获取它们。例如，可以创建伪暗场图像和明场图像，并可以使用各种相位恢复技术。
本应用笔记介绍了制造和分析 FinFET（鳍式场效应晶体管）样品的示例，FinFET 具有高度集成的三维结构，用于许多半导体器件。如今，构成FinFET的鳍片宽度已达到10 nm或更小，使用高空间分辨率的TEM（透射电子显微镜）进行分析对于过程控制、故障分析等至关重要。此外，由于鳍片结构是三维的，因此还需要使用FIB（聚焦离子束）装置（图3）指定三维位置和观察方向来制备薄膜样品。
在本报告中，我们通过使用 4D-STEM 方法观察图像并使用 EELS 方法获取元素信息，对作为大规模集成电路组件的 FinFET 进行了全面的样品分析。使用STEM-X模块（Gatan Inc，美国）和OneView CMOS相机（Gatan Inc，美国）来获取4D-STEM数据。

图。 1 4D-STEM示意图（a）4D-STEM数据采集和（b）获取的4D-Data示意图

图。图 2 FinFET 的平面图 (a) 和横截面 (b、c) 方向的 TEM 明场图像。

图(a)中所示的红线和黄线表示每个截面(b、c)的观察方向。 (b、c)所示的蓝线表示a的俯视观察位置。使用 JEM-ARM200F、200 kV、UHR 极片进行 TEM 图像采集。

图。 3 聚焦离子束加工及观察设备示例 (a) JIB-4000PLUS, (b) JIB-4700F

通过 FinFET 和 EELS 的平面 STEM 观察实现元素分布的可视化

图。 4 Fin FET 的 STEM HAADF 图像 (a)，STEM-EELS 的元素分布图像 N (b)、O (c)、Al (d)、Si (e)、Ti (f)、Co (g)、Ge (h)、Hf(i)。

JEM-ARM200F，加速电压 200 kV，使用 Gatan GIF-Quantum-ER 获取。

对于FinFET平面样品，显示了通过HAADF（高角环形暗场）-STEM方法获得的形态观察图像，其中图像对比度取决于原子序数，以及通过STEM-EELS（电子能量损失光谱）方法获得的元素分布。使用EELS的元素分布图像可视化从轻元素到重元素的宽原子序数范围内的元素信息，并且可以清楚地确认绝缘层、Si沟道、插头布线、Ge/Si应力源等的位置。

4D-STEM 采集期间的会聚角

图。图5 改变会聚角时实际电子衍射图样示意图及示例

(a, c) 正常STEM观察期间（会聚角α：大）
(b,d)接近平行照射且角分辨率高的条件（会聚角α：小）
在实际的电子衍射图（c，d）中，外角处的高次反射强度较弱，因此在圆周上将外围部分和中心分为两部分，以调整图像的亮度。

图。图5示出了用于普通STEM观察的电子探针(会聚半角α～30mrad)和用于近平行照射的电子探针(半角α～μrad)的示意图(a、b)以及在各条件下获得的电子衍射图案的示例(c、d)。样品是Si单晶[110]事件。
在通常用于观察的大会聚角(c)下，相邻衍射盘重叠，使得难以分析衍射角。另一方面，在接近平行照射条件的小会聚角(d)下，获得接近选区电子衍射的衍射图案，并且每个衍射斑清晰分离。
本报告中下文所示的 4D-STEM 数据是在（b、d）所示的小会聚角条件下获得的。

Fin-FET 4D-STEM 采集和分析示例 1

图6 获取FinFET 4D-STEM 数据的示例。 HAADF-STEM 图像 (a) 和使用 4D-STEM 数据重建的电子衍射图案 (b-g)。

(b)示出了从获取4D-STEM数据的整个区域积分的电子衍射图案，(c-g)示出了与HAADF-STEM图像中所示的每个点相对应的电子衍射图案。

在4D-STEM方法中，获取并保存每个像素的电子衍射图，因此可以通过后处理提取和分析任何像素的电子衍射图。

Fin-FET 4D-STEM 采集和分析示例 2

图。图 7 使用 FinFET 4D-STEM 数据重建的 STEM 图像示例。

4D-STEM 允许您在电子衍射图案的任何范围内设置 ROI 并重建 STEM 图像。
(a) 显示在电子衍射图案上设置的 ROI。
右图的上半部分显示了仅根据特定衍射点的强度重建的STEM明场图像（b）和暗场图像（c，d），右图的下半部分显示了根据环形ROI重建的ADF-STEM图像（e，f）。

通过使用4D-STEM方法，通过后处理的数据分析，可以重建BF、DF和ADF等各种STEM图像，如图7所示。可以选择性地可视化Si通道（d，DF02）和非晶绝缘层（f，ADF02），并分离和观察多晶部分中的晶体分布、晶粒尺寸（c，DF01）、以及原子序数较大的金属零件。

摘要

本应用笔记介绍了使用 4D-STEM 方法的材料分析方法。该方法的一个特点是，一旦数据经过后处理，就可以对其进行各种分析。当与其他方法结合时，它将成为材料分析中非常强大的工具。