251

стабильности тока пучка. Малый разброс энергий электронов из катода полевой эмиссии уменьшает хроматическую аберрацию, и это позволяет получить очень хорошие характеристики при низком напряжении пучка.

Катод Шоттки - это источник электронов с полевой эмиссией, в котором используется небольшой подогрев катода. Это немного ухудшает характеристики катода, но позволяет получить более стабильный пучок. Большинство микроскопов с высокими характеристиками имеют в настоящее время катод Шоттки. В таблице 68 приведено сравнение характеристик различных источников электронов.

Таблица 68. Сравнительные характеристики источника электронов.

9.2.2 Электронная оптика

Электронно-оптическая колонна состоит из набора линз и диафрагм, которые сконструированы (расположены) таким образом, чтобы создавать на образце маленькое электронное пятно с малым углом схождения при максимальном токе пучка (рис. 66). Источник электронов (катод) находится под высоким отрицательным потенциалом V0, который называется ускоряющим напряжением системы. Металлический электрод, называемый цилиндром Венельта, находится под более отрицательным напряжением, которое отталкивает электроны, формируя пучок.

9.3ПРОСВЕЧИВАЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

В просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ или TEM от

Transmission Electron Microscopy) электронный пучок большой энергии (100-300

кэВ) пропускается сверху сквозь тонкий образец, формируя изображение под образцом. В отличие от изображения, полученного в РЭМ, рисунок в ПЭМ содержит пространственную информацию об образце. Контраст изображения - результат совокупности взаимодействия луча и образца, которое уникально для

252

ПЭМ. Контраст также чувствителен даже к небольшим изменениям в химическом составе, структуре и рельефе образца. Эти свойства часто используются для тонких эффектов кристаллических дефектов и граничных слоев. Кроме того, разрешающая способность ПЭМ намного лучше, чем РЭМ, потому что длина волны высоко энергетического электронного пучка меньше (0,0025 нм на

200кэВ).

Вопреки вышеупомянутому преимуществу, применение ПЭМ в анализе отказов были ограниченны, потому что трудно сопоставить дефект с местоположением образца подготовленного для анализа дефектов (трудности подготовки образца). В последние годы роль ПЭМ в анализе отказов увеличивается в связи с развитием специфических областей ПЭМ: например, подготовкой образцов с использованием фокусированного ионного пучка (FIB). В частности, возможность точно локализовать тонкую секцию, субмикронного размера, продвинула ПЭМ в современном файловом анализе интегральных схем [].

Основы ПЭМ В ПЭМ электронный пучок, пропускаемый через тонкий образец, вызыва-

ет множество взаимодействий: испускание образцом упруго и не упруго рассеянных электронов, ренгеновских фотонов и Оже-электронов. Пропущенные упруго рассеянные электроны и часть не упруго рассеянных электронов формируют изображение. Ренгеновские фотоны и часть не упруго рассеянных электронов определяют химический состав в рассеивающем объёме. С их помощью проводят элементный анализ по характеристическому рентгеновскому излучению (EDS) и определяют спектр энергетических потерь электронов (EELS). Схематически это показано на рис.46.

253

Рис. 46 Схема получения изображения в просвечивающем микроскопе.

В кристаллическом образце падающий параллельный электронный пучок разделяется на прошедший пучок и преломленный. Изображение, сформированное этим пучком, записывается в ПЭМ снятием дифракционной картинки. Дифракционная картинка монокристалла, полученная в электронном пучке параллельном оси кристаллической решетки <110>, показана на рис.47, для поликремния на рис.48. Каждое пятно или кольцо соответствует кристаллографическим плоскостям. Расположение пятен и колец относительно центрального пятна обратно пропорционально межплоскостным кристаллографическим интервалам. Пятна и кольца часто используются для определения кристаллической структуры частей образца. Для улучшения изображения дифракционной решетки в ПЭМ, пучок выборочно отсекают апертурой диафрагмой за фокальной плоскостью объективной линзы для повышения контраста.

254

Рис. 47. Дифракция в одиночном кристалле кремния, электронный пучок ориентирован параллельно <110>

Рис. 48 Дифракционная картинка в поликристаллическом образце.

В полупроводниковом анализе отказов микросхем исследования дифракции с помощью ПЭМ обычно используют для получения дополнительной информации об образце:

255

Рис. 49 Схема ориентирования кристаллографических плоскостей в стандартной кремниевой пластине ориентированной [001]

Центральная область рисунка обычно используется для отображения состояния пространственной решетки образцов, использующихся в полупроводниковом производстве. В центральной области рисунка отображается ориентировка кристалла относительно электронного пучка, вдоль направления параллельного основным осям кристалла, т.е. направлению с высокой симметрией. Два основных кристаллических направления в кремнии - это [110] и [001]. Большинство полупроводниковых приборов производятся на монокристаллических кремниевых пластинах с ориентированием [001]. В такой пластине направление [110] параллельно базовому срезу и лежит в плоскости (111) перпендикулярной направлению [001], перпендикулярному поверхности пластины. Схематическое изображение кристаллографических плоскостей показано на рис. 49. Изображение поперечного среза, зарегистрированное электронным пучком параллельным оси [110] подложки, помогает обеспечить перпендикулярность топологических элементов и исключает перекрытие различных деталей приборов в проецируемом изображении. По этой причине поперечный срез в Si приборах записывается вдоль оси [110]. Схематическая диаграмма ПЭМ в режиме изображения вдоль оси показана на рис.50. Обычные светлопольные ПЭМ-изображения записываются с использованием прошедшего и отсечением преломленного пучка и небольшой апертурной диафрагмой повышающей контраст как показано на рис.51. На контраст полученного изображения (помимо других факторов) влияет размер

256

апертурной диафрагмы. Изображения фазового контраста решетки с высоким разрешением записываются с использованием как прошедшего так и части дифрагированных пучков, при помощи большой апертурной диафрагмы рис.52.

Рис. 50. Схематическое изображение осевой зоны в ПЭМ.

257

Рис. 51. Схематическое изображение апертуры для обыкновеного светлопольного изображения с использованием просвечивающего пучка.

Рис. 52. Схематическое изображение апертуры для получения высокого разрешения фазового контраста изображения с использованием просвечивающего и преломленного пучков.

258

Двух лучевое темнопольное и светлопольное изображение используется для получения кристаллографической информации о дефектах в кристаллической структуре. Кремниевая подложка образца ориентируется так, чтобы в дифракционной картине присутствовало только два сильных пучка, а именно прошедший и один из дифрагированных лучей. Схематически различия темнопольного и светлопольного изображения показаны на рис. 53. В полупроводниковых приборах кремниевая подложка ориентирована вдоль оси [110] для достижения максимума интенсивности в прошедшем и дифрагированном пучке (обычно (004)). Аппертурная диафрагма используется для выборки светлопольногополя или темнопольного изображения. Темнопольное изображение, сформированное таким образом, называется обычным темнопольным изображением, что бы отличить его от темнопольного изображения в слабом пучке WBDF (weak-beam dark-field). Например имплантационный дефект дислокации записанный в светлом и темном поле показан на рис.54.

259

Рис. 53. Схематическое представление темнопольного и светлопольного режима в ПЭМ

Рис. 54. Изображение дислокаций в кремнии, полученное в 2-лучевом светлом поле а) и в темном поле б)

260

Контраст изображения

Контраст в изображений ПЭМ создается в основном тремя различными механизмами, а именно дифракционным контрастом, контрастом толщины и массы и фазовым контрастом. Вклад различных механизмов формирования контраста может быть оптимизирован только опытным аналитиком ПЭМ с целью выделения тех или иных особенностей дефектов. Для этого важно понимание принципов и свойств различных механизмов контраста.

Дифракционный контраст

Дифракционный контраст получается отсечением дифракционным максимумов с помощью аппертурной диафрагмы в фокальной плоскости линзы объектива и формированием изображения только с помощью прошедшего луча. Изображение показывает изменение интенсивности электронного пучка после прохождения образца. Дифракционный контраст сильно чувствителен к ориентации кристаллографических плоскостей и к изменению толщины образца. В кристаллическом материале в области вокруг дефект кристалла пучок преломляется иначе, чем в «чистой» области из-за напряжений деформация возникающих вокруг дефекта, что приводит к изменению контраста изображения. Поэтому дислокации, внедрения и другие кристаллические дефекты ясно видны на изображении. Изображение дислокации в монокристаллическом кремнии показано ни рис. 55.

В поликристаллическом материале, таком как поликремний или нитрид титана, область дифракционного контраста создается на границе зерен. Дифракционный контраст полезен для для понимания микроструктуры различных компонентов элементов микросхем, таких как поликремниевые слои или стык элементов, которые могут вызывать электрические разрывы или закоротки. На рис. 56 показан дифракционный контраст при перектистализации области в кремниевой подложке и разрушение подзатворного окисла.

Другая полезная возможность ПЭМ - это комбинирование прошедшего и дифрагированного пучка. Это возможно благодаря легкости изменения фокальной плоскости электронной линзы.

261

Рис. 55. Контраст дифракционного изображения дислокаций а активной области кремниевой подложки

Рис. 56. Дифракционный контраст перекристаллизации кремниевой подложки с образованием поликристаллической области и разрушением подзатворного окисла

Контраст толщины и массы

По существу все образцы для ПЭМ имеют вариации толщины. Электроны могут рассеиваться, преломляться и поглощаться во всем объеме образца в зависимости от толщины образца, что называется контрастом толщины. В случае массового контраста интенсивность определяется рассеивающей способностью элементов представленных в образце. Массовый контраст в электронной микроскопии может обеспечивать получение изображения с атомарным разрешением, и чувствителен к составу. Массовый контраст не зависит от кристаллической

262

структуры и полезен для составных тонких аморфных слоев, таких как оксид кремния, нитрид кремния и окси-нитрид кремния. Пример массового контраста представлен на рис.57. Легко различаются аморфные слои диэлектрика оксида кремния и оксинитрида кремния. Темная область соответствует вольфраму, имеющего большой атомный вес.

Рис. 57. Пример массового контраста аморфные слои оксида кремния и оскинитрида кремния имеют различный оттенок серого благодаря различной рассеивающей способности элементов.

Цвет вольфрама совсем темный благодаря высокой рассеивающей способности вольфрама. Он хорошо виден темным т.к. состоит из тяжелых элементов.

Фазовый контраст

Фазовый контраст используется для получения изображений с высоким разрешением, которые можно использовать для измерения критических размеров, таких как толщина тонких подзатворного окисла (см. рис.58). Изображение кристаллической решетки получается как результат интерференции нескольких преломленных и прошедших пучков. Если три и более неколлинеарных сильных дифрагированных луча вместе с прошедшим симметрично попадают на апертуру объектива (см. рис. 52), то будут наблюдаться два и более пересекающихся набора параллельных интерференционных полос. Такое изображение даст двух-

263

мерное периодическое изображение, соответствующее межплоскостным интервалам, связанным с дифрагированными лучами, которое может в некоторых случаях напоминать изображение структуры очень тонкого кристалла, спроектированного вдоль оси его ориентации. Фурье преобразование двухмерного изображения даст дифракционную картину. Фурье–образ изображения может использоваться для идентификации материала путем сравнения его дифракционной картины с дифракционными картинами известных веществ и измерения межплоскостного интервала. Например, на рис. 59 показано изображение закоротки, обнаруженной на рис. 57, с высокой разрешающей способностью. Фурье-образ изображения показан во вставке на рис.59. Если сравнить межплоскостные интервалы, получившиеся путем анализа этого Фурье образа (см. табл. 69), с данными полученными методом XRD, то можно обнаружить, что это вещество - CoSi2 (по данным JCPDS, запись # 38-1449).

Большинство современных ПЭМ приборов с полевой эмиссией способны получать изображения с пространственным разрешением меньше 2.5 А, а в специализированных ПЭМ может быть достигнуто разрешение меньше 1 А. В интегральных схемах изображения среза высокого разрешения обычно регистрируются электронным пучком параллельным плоскости <110> с использованием пятен дифракции от оси {111}. Периодический интервал на таком изображении равен интервалу оси {111} в кремнии (3,14 А). Этот интервал используется как внутренняя калибровка увеличения для того, чтобы измерять детали размеров атомного уровня.

264

Рис. 58. Высокое разрешение фазового контраста затвора с толщиной 18-21 А.

Рис. 59. Высокая разрешающая способность фазового контраста, показывает края решетки в закоротке.

Образец быстрого Фурье преобразования расплющенной области, показан

в верхней вставке.

265

Таблица 69. Калиброванные значения межплоскостного интервала между значениями FFT изображения []. Интервалы решетки соответствуют фазе CoSi2 (JCPDS # 38-1449).

Элементный анализ

ПЭМ, оборудованный источником с полевой эмиссией, позволяет проводить элементный анализ с высоким пространственным решением (<1 нм) областей меньше, чем несколько сотен ангстремов. Основанный на ПЭМ анализ использует неупругое рассеяние (с потерей энергии), которое происходит при пропускании электронного пучка через образец. Обычно используется два метода: энергодисперсионная спектроскопия (EDS), и спектроскопия энергетических потерь электронов (EELS). Методика EDS будет рассмотрена в последующем разделе. Поэтому в данной главе рассмотрим методику EELS.

Как отмечено ранее, электронный пучок (100 - 300 кэВ.) претерпевает неупругое рассеяние, проходя через образец. Во время неупругого рассеяния пропущенные электроны теряют энергию. Потери энергии характеризуют химический элемент, присутствующий в образце. В результате прошедший луч состоит из электронов с различной энергией. В EELS под колонку ПЭМ помещают спектрометр для определения спектра поглощения электронов, который определяет детектируемые элементы. Спектрометр состоит из магнитного сектора и системы детектирования. Магнитный сектор (рис. 61) отклоняет переданный электронный пучок на 90 градусов. При этом электроны с различными энергиями отклоняются магнитным полем на разные углы. Это приводит к разворачиванию энергетического спектра в линию. Пример EELS спектра, для образца титана и кислорода, показан на рис. 61. EELS обладает более высоким пространственным разрешением (1 нм) по сравнению с EDS и способен обнаруживать легкие элементы (такие как С, О и N). Для получения лучших результатов рекомендуется исследовать очень тонкий образец (толщиной порядка 50 нм) и использовать бездрейфовый когерентный источник электронов, такой как пушка с полевой эмиссией.

266

Рис. 60. Схематическое описание EELS в ТЕМ. Eo - энергия после взаимодействия, E - потеря энергии.

Рис. 61 Энергетический спектр для образца состоящего из титана и кислорода.

STEM

Сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (ПРЭМ или STEM) [] является очень полезным дополнением к стандартным методам ПЭМ. В STEM электронный пучок фокусируется в маленькое пятно на образце. И сканирует всю поверхность. Детектор под образцом собирает пропущенные электроны. Изображение проецируется на электронно-лучевой трубке (CRT). Увеличение определяется отношением сканированной области к размеру CRT. Операция подобна операции на сканирующем электронном микроскопе (SEM) и обла-

267

дает большими преимуществами перед стандартным ПЭМ, такими как более легкая интерпретация результатов и возможность использования более толстых образцов.

В STEM режиме ПЭМ может использоваться для создания основного изображения образца. Информация о составе извлекается с использованием энергии ренгеновских лучей или потерь электронов в образце (STEM-EDS, STEM-EELS).

Дополнительные методики Электронная томография [] использует серии двумерных изображений по-

лученных в STEM при различных углах наклона образца для построения трехмерного изображения. Применяется для анализа микроэлектронных структур, характеристического барьера Ta/Cu.

Дефекты в кремнии

Дифракционный контраст играет ключевую роль при отображении дефектов в кремнии. Дефекты нарушают кристаллическую решетку и на несовершенных областях электроны дифрагируют иначе, чем в окружающих дефект областях. Это позволяет сделать дефект отчелвео видным. Наиболее часто наблюдаемый кристаллический дефект в кремнии это дислокации. Примеры дислокаций вызванных внедрениями, полученные на сколе, показаны на рис.54, а вид сверху на рис.62. Также на рис. 62 можно заметить один из распространенных дефектов, дефект спейсера.

Рис. 62. Дефекты внедрения, вызвавшие образование дислокаций, изображение получено при помощи контрастной дифракции.

268

Классический пример отказов, вызываемых дефектом дислокации, случайные однобитовые отказы в быстрой статической памяти. Электрические характеристики показывают утечку в одной из ячеек хранения информации. Дислокация в изоляции металлизации активной области битой ячейки показано на рис. 63. В изображении преобладает дифракционный контраст в области дефекта и в монокремнии. Темные участки в области плохого контакта получаются контрастом массы из-за присутствия вольфрама, обладающего большим атомным весом.

269

Рис. 63. Дислокация в изоляционной канавке контакта, b) в ошибке виновато эпитаксиально выращенное кремниевое основание.

Дефекты подзатворного окисла

Дефекты подзатворного окисла локализованные и поэтому трудно обнаружимы. Для наблюдения тонких эффектов (небольших дефектов кремния) в подзатворном окисле может использоваться ПЭМ в режиме дифракционного контраста. Дефект изображенный на рис. 64. расположен на одном из затворов в

270

ячейке 4Т быстрой статической памяти. Эта процедура потребовала очень осторожного стравливания во время заключительных этапов утонения с остановкой в пределах 70 А. В области затвора также может быть замечен остаточный поликремний.

Рис. 64. Изображение дефекта затвора, образец утончался с использованием FIB.

Взаимодействие границ раздела

В первом примере ТЕМ исследование проводилось я целью исследования возможных причин утечки в контакте ячейки быстрой статической памяти. На рис. 65 показано изображение в ПЭМ области, в которой граничная реакция между силицидом титана и нитридом кремния привела к образованию смеси Ti+Si+N. Аморфный нитрид кремния спейсера более контрастный, чем центральная аморфная область оксида кремния, т.к. у них различные массы.

271

Рис. 65. Граница раздела между силицидом титана и нитридом титана.

Краткое описание Детектируемый сигнал: прошедшие электроны, рассеянные электроны,

рентгеновские лучи (EDS)

Детектируемые элементы: с использованием EDS B-U Пределы детектирования: с использованием EDS 0.1-1 ат% Изображение: есть Горизонтальное разрешение: <2 Å Области применения

¾Идентификация дефектов нано размеров на микросхемах

¾Определение кристаллографических фаз

¾Элементный состав сверхмалых областей Достоинства

¾Определение элементного состава с высоким разрешением

¾Разрешение < 5 Å

¾Кристаллографическая информация малых областей Ограничения

¾Большое время подготовки образца

272

¾Обычно толщина образца не превышает 100 нм

¾Некоторые материалы не стойкие под воздействием электронного пучка

Рис. 66. Схематичное изображение электронно-оптической колонны.

Электроны далее притягиваются к аноду через цилиндр Венельта, так как анод находится под потенциалом земли. Маленькие отверстия в цилиндре Венельта и аноде позволяют электронам проходить через них. Общее воздействие электрических полей создает систему электростатических линз, которая фокусируют электроны в точку, называемую первым кроссовером.

Как обсуждалось выше, яркость на катоде, это максимальная яркость, которая может быть достигнута в колонне. Линзы и диафрагмы могут только перераспределять ток, размер пятна и угол схождения, но яркость при этом остается постоянной. Магнитная линза может уменьшить размер пятна, но при этом увеличится угол схождения. Апертурная диафрагма уменьшает угол схождения, но при этом уменьшается ток пучка. Если необходимо иметь малый размер пятна и малый угол схождения, расплатой за это будет большая потеря тока пучка. Обычно, катод эмитирует ток порядка 100 микроампер, тогда как ток в пятне на образце составляет 10 пикоампер. Таким образом, менее чем один электрон из миллиона успешно проходит от катода до образца, а остальные попадают на анод и диафрагмы.

273

Магнитная линза собирает электронный пучок в новом кроссовере, где размер пятна будет меньше. Растровый электронный микроскоп обычно имеет две или более магнитные линзы, каждая из которых может использоваться для уменьшения диаметра пятна. Первую линзу обычно называют конденсорной линзой. Ее главная задача - управление током, который проходит через первую диафрагму.

Важно помнить, что при регулировке конденсорной линзы меняется и ток пучка и размер пятна, то есть, настройка линзы на максимальное магнитное поле уменьшит размер пятна и, также, уменьшит ток пучка на образце. Таким образом, потери тока на диафрагме возрастут. Конденсорная линза может, к тому же, сдвигать точку фокусировки, поэтому некоторые модели микроскопов могут иметь две или более конденсорных линз.

Последнюю линзу всегда называют объективом. Эта линза фокусирует пучок в точку, известную как финальный кроссовер. Для того, чтобы изображение было сфокусировано, эта точка должна находиться на поверхности образца. Так как небольшая регулировка объективной линзы будет вызывать фокусировку изображения, процесс управления объективной линзой иногда называется «фокусировкой». Однако необходимо понимать, что конечный размер пятна и, следовательно, разрешение изображения будут зависеть от напряженности поля в объективной линзе.

При наибольшем напряжении объективной линзы точка фокусировки находится ближе к линзе, то есть «рабочий отрезок» мал. Однако нельзя произвольно устанавливать режим малого пятна, так как образец должен быть в фокусе. Следовательно, очень важно помещать образец близко к объективной линзе для того, чтобы получить малый размер пятна и иметь хорошее изображение при очень высоком увеличении. У некоторых микроскопов для оптимального разрешения необходим рабочий отрезок от 3 до 5 мм, что необходимо учитывать для избегания столкновения линзы с держателем образцов.

Внутри объективной линзы расположены две пары катушек отклонения, необходимых для создания растра по осям X и Y по поверхности образца. Две пары используются для того, чтобы создать двойное отклонение таким образом,

274

чтобы пучок проходил через объективную линзу недалеко от оптической оси. Это необходимо для минимизации сферической аберрации.

Взаимодействие электронного пучка с образцом:

Когда электронный пучок достигает образца, электроны рассеиваются и теряют энергию из-за соударения с атомами образца, формируя область возбуждения (область рассеяния). Сигналы, которые могут быть собраны из этой области, включают в себя вторичные электроны, отраженные электроны и характеристическое рентгеновское излучение.

Вторичные электроны имеют низкую энергию и очень малую длину пробега. Таким образом, те вторичные электроны, которые могут выйти из образца, должны образовываться очень близко к поверхности образца. Так как область возбуждения, это очень узкая часть у поверхности образца, вторичные электроны выходят из области, близко расположенной к входной точке первичного пучка и, следовательно, способны формировать изображения с высоким разрешением. Вторичные электроны очень чувствительны к топографии поверхности.

На рис. 67 показано, что при изменении угла падения первичного пучка изменяется количество вторичных электронов. Таким образом, при сканировании электронного пучка по неровной поверхности, локальный угол поверхности будет меняться и можно увидеть контраст изображения во вторичных электронах, который соответствует топографии поверхности. Так как электроны, эмитируемые по направлению к детектору, будут собираться эффективнее, поверхность будет иметь тени, отображающие топографию поверхности на изображении. Этот эффект подобен рассеянию света на поверхности, и это помогает человеческому глазу легко интерпретировать РЭМ изображения.

275

Рис. 67. Зависимость эмиссии вторичных электронов, приводящая к топографическому контрасту.

Значительная часть падающего пучка может отразиться и покинуть образец с высокой энергией. В некоторых случаях эта энергия близка к энергии первичного пучка. Эти отраженные электроны образуются глубже в образце, и, следовательно, менее чувствительны к топографии поверхности, чем вторичные электроны. Как результат, они могут испытывать существенное боковое рассеяние и, обычно, не очень полезны для изображения с высоким разрешением.

Тем не менее, изображение в отраженных электронах позволяет выявить наличие в образце областей, содержащих элементы с большим атомным номером, так как сигнал отраженных электронов сильно зависит от атомного номера образца.

Отличие между Si и Al невелико, но для Ti, Cu и особенно W отличия очень резкие и они могут хорошо различаться друг от друга на изображении в отраженных электронах, см. рис. 68(а) и 69(б). Хотя для сбора отраженных электронов используется специальный твердотельный детектор, размещенный непосредственно под объективом, необходимо отметить, что когда отраженные электроны достигают поверхности образца, они порождают некоторое количество вторичных электронов, которые собираются детектором вторичных электронов. Таким образом, контраст во вторичных электронах может на 50 процентов формироваться за счет отраженных электронов.

276

Рис. 68а. Изображение во вторичных электронах алюминиевого проводника с вольфрамовым покрытием, поврежденным вследствие электромиграции.

Рис. 68б. Изображение в отраженных электронах той же самой области, что и на рис. 68а. Мелкие детали не видны, но очень легко идентифицировать вольфрам (яркие области).

Искажения изображения