Растровая электронная микроскопия

Растровая электронная микроскопия (РЭМ) широко применяется при исследовании СБИС [23]. По сравнению с оптической микроскопией РЭМ обеспечивает более высокое пространственное разрешение и большую глубину резкости, а также возможность проведения химического анализа на основе регистрации спектра рентгеновского излучения, генерируемого при облучении поверхности образца электронным пучком. Пространственное разрешение при оптимальных условиях может достигать менее 10 нм, а типичные значения глубины резкости находятся в пределах 2—4 мкм при 10 000-кратном увеличении и 0,2—0,4 мм при 100-кратном.

На рис. 3.8 представлена схема растрового электронного микроскопа. Электроны, испускаемые электронной пушкой, нить накала которой обычно изготавливается из вольфрама или 1_аВб, ускоряются до приобретения энергии 2—40 кэВ. Набор магнитных линз и отклоняющих катушек сканирования формирует электронный пучок малого диаметра, разворачиваемый в растр на поверхности образца.

Схема растрового электронного микроскопа

Рис. 3.8. Схема растрового электронного микроскопа

В процессе облучения этой поверхности электронами возбуждаются три типа несущего полезную информацию излучения: рентгеновские лучи, вторичные электроны и отраженные (обратно рассеянные) электроны. На рис. 3.9 изображен энергетический спектр электронов, генерируемых при облучении поверхности образца первичным электронным пучком. Значительную долю спектра составляют вторичные электроны с энергией менее 50 эВ. Электроны с энергией, близкой к Е0 (энергии электронов первичного пучка), называются отраженными, или обратно рассеянными электронами.

Энергетическое распределение электронов, эмитируемых с поверхности образца, облучаемой электронным пучком энергии E

Рис. 3.9. Энергетическое распределение электронов, эмитируемых с поверхности образца, облучаемой электронным пучком энергии EQ. Пик интенсивности вторичных электронов (SE), обладающих низкой энергией, наблюдается при ~5 эВ, а отраженных электронов (BS) — при 0. Пик интенсивности Оже-электронов (на рисунке не показан) расположен между двумя вышеуказанными пиками

Ток вторичных или обратно рассеянных электронов используется для модуляции интенсивности электронного пучка в электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Поскольку развертка электронного луча в ЭЛТ синхронизирована с разверткой первичного электронного пучка растрового электронного микроскопа, на экране ЭЛТ формируется изображение поверхности образца, яркость отдельных элементов которого определяется изменениями интенсивности вторичных или отраженных электронов. Для проведения химического анализа исследуется рентгеновское вторичное излучения.

По мере продвижения в глубь образца электроны первичного пучка претерпевают многочисленные соударения и тормозятся на глубине, величину которой можно рассчитать или определить экспериментально. Примеры зависимости глубины проникновения от энергии электронов первичного пучка приведены на рис. 3.10. Глубина проникновения возрастаете уменьшением порядкового номера элемента и с повышением энергии электронов первичного пучка Е0. При каждом соударении траектория электрона меняется, поэтому узкий первичный пучок рассеивается по мере углубления в образец. На рис. 3.11 показано объемное распределение первичных электронов разной энергии, которое имеет каплеобразную форму в результате многочисленных соударений, приводящих практически к полной потере их энергии.

При нормальном падении электронного пучка на массивный образец приповерхностная область генерации отраженных электронов имеет форму диска, диаметр которого примерно равен диаметру первичного пучка. Разрешение изображения, формируемого отраженными электронами, повышается с уменьшением толщины образца. Так, разрешение изображения тонкой металлической пленки, нанесенной на поверхность кремния

Зависимость глубины проникновения электронов в кремний, алюминий и золото от энергии первичного пучка [23, 24]

Рис. 3.10. Зависимость глубины проникновения электронов в кремний, алюминий и золото от энергии первичного пучка [23, 24]

Контуры максимального проникновения первичных электронов разной энергии в приповерхностный слой образца или Si0, выше разрешения изображения поверхности массивного образца из того же металла

Рис. 3.11. Контуры максимального проникновения первичных электронов разной энергии в приповерхностный слой образца или Si02, выше разрешения изображения поверхности массивного образца из того же металла. Разрешение изображения, формируемого вторичными электронами, частично определяется площадью участка поверхности, с которого испускаются вторичные электроны. Глубина области их возбуждения меньше глубины проникновения первичного пучка. Глубина возбуждения вторичных электронов в металлах имеет минимальное значение 0,4 нм при энергии вторичных электронов 70 эВ и возрастает до 2,5 нм при уменьшении энергии до 10 эВ. В диэлектриках значение этой характеристики превышает 5 нм. Линейное разрешение изображений, формируемых вторичными электронами, равно сумме диаметров первичного электронного пучка и области размытия в плоскости (последняя величина определяется средней длиной свободного пробега электронов) [24J. Заметим, что вторичные электроны, испускаемые с глубины возбуждения в результате возбуждения отраженными электронами, генерируются на участке большей площади и поэтому приводят к ухудшению разрешения.

Контраст изображений, формируемых отраженными и вторичными электронами, зависит от вариаций потока электронов, попадающего на детектор. Выход отраженных электронов повышается с возрастанием порядкового номера ZareMeHTa-MaTepn- ала образца. (Например, для золота он в 10 раз выше, чем для углерода.) Из-за этого на изображениях, формируемых отраженными электронами, наблюдается контраст между областями материалов, состоящих из различных элементов. Контраст соседних элементов Периодической системы уменьшается по мере возрастания Zи составляет 6,7% для алюминия и кремния [24]. Следовательно, на изображении, сформированном вторичными электронами, можно различить вкрапления алюминия в кремниевой матрице.

Выход вторичных электронов зависит от Zb меньшей степени, чем выход отраженных электронов. При переходе от углерода к золоту выход вторичных электронов повышается лишь в два раза. В большей степени выход вторичных электронов определяется работой выхода электронов из конкретного вещества; для оксидов и материалов с большой шириной запрещенной зоны он существенно выше, чем для кремния. Это обстоятельство при исследовании СБИС обусловливает преимущества анализа изображений, сформированных вторичными электронами, так как области металлизации, кремния и его оксида легко различимы.

Вторым фактором, определяющим контраст изображений, формируемых вторичными электронами, является зависимость выхода электронов от кривизны анализируемой поверхности. Поток вторичных электронов от поверхности переменной кривизны пропорционален углу наклона касательной к неровности поверхности, поэтому на изображениях различаются участки с изменяющимся профилем. Кроме того, детектируемый поток вторичных электронов сильно зависит от ориентации анализируемых участков поверхности относительно детектора: участки, обращенные к детектору, существенно ярче остальных областей изображения.

Пространственное разрешение изображения зависит от размера участка поверхности образца, на котором происходит возбуждение вторичных или отраженных электронов, а также от локальных изменений фазы, состава и ориентации этой поверхности. Кроме того, разрешение определяется характеристиками самого растрового электронного микроскопа. Эти факторы действуют одновременно, и вклад каждого из них по отдельности оценить невозможно. Например, диаметр первичного электронного пучка уменьшается при уменьшении тока пучка и повышении его энергии. Так, для нити накала из LaB6 и W при энергии 10 кэВ эти значения возрастают до 6 и 13 нм соответственно. Реальное разрешение, достигаемое в РЭМ, может быть, однако, значительно хуже, чем 4—13 нм. Значение минимального тока /min пучка, необходимого для обеспечения удовлетворительного контраста С изображений соседних участков поверхности, определяется выражением

где е — эффективность детектирования сигнала; tt— время сканирования электронным пучком анализируемого участка [23]. Для некоторых образцов контраст изображения соседних участков не превышает 1—5%. В случае использования нити накала из термоионного вольфрама минимальный диаметр пучка должен составлять 230 нм для С— 1% и 46 нм для С — 5% [6].

При исследовании СБИС методом растровой электронной микроскопии возникают общие затруднения, связанные с загрязнением образца, радиационными повреждениями образца из-за воздействия электронного пучка и другими изменениями его поверхности при проведении анализа. Загрязнение поверхности возникает в основном вследствие полимеризации углеводородов при облучении поверхности электронами. Хотя современные микроскопы оборудованы мощными системами откачки, способными поддерживать в камере образца вакуум 0,133 • 10_3 Па, полностью избежать этой проблемы не удается. Радиационные повреждения оксидов также приводят к ухудшению характеристик изготовляемых приборов. Облучение электронами обуславливает появление положительных зарядов в оксиде и поверхностных ловушек на границе раздела кремния с оксидом, избежать которых можно за счет достаточно низкой энергии первичного пучка — это предотвратит его проникновение в активные зоны приборов (например, подзатворный оксид). Другие радиационные дефекты можно отжечь при температуре 400—550 °С.

Еще одна проблема, часто возникающая при применении РЭМ для изучения диэлектрических слоев, — это наведенный на поверхности заряд. Этот эффект возможен, если энергия первичных электронов обеспечивает выход вторичных электронов, превышающий единицу. Поверхность при этом становится отрицательно заряженной, что приводит к возмущению траектории первичного пучка и ухудшению изображения. Для предотвращения этого явления используют первичные пучки малой энергии. Единственный известный на сегодня источник электронов с первичным пучком низкой энергии, обеспечивающий получение изображений высокого разрешения, — это источник на основе полевой эмиссии [23J. Некоторые промышленно выпускаемые растровые электронные микроскопы оборудованы такими источниками. Другим способом предотвращения появления наведенного заряда на поверхности образца во время проведения исследования является покрытие поверхности заземленным слоем металлизации толщиной около 10 нм. Так как глубина возбуждения вторичных электронов в металлах (около 0,5 нм) намного меньше, чем в диэлектриках, нанесение тонкого металлического покрытия значительно улучшает пространственное разрешение изображений, формируемых вторичными электронами. К сожалению, нанесение покрытий не позволяет использовать исследованные образцы для последующих технологических обработок.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >