應力分布於半導體元件特性中占有相當重要的地位,但國內目前缺乏此項檢測的標準化服務模式。4D-STEM有別於傳統應力檢測方法,可提供更高靈敏偵測能力與空間解析能力,國內目前正逐步發展其對應的分析能量。工研院材化所電鏡技術開發與應用研究室持續深化此部分的檢測技術能量,以利於產業發展重要研發項目,包括高階先進元件前瞻材料結構鑑定,協助製程研發、IC載板用極薄銅箔製程優化、高強度合金鑑定技術,以加速國內先進元件製程與5G/6G產業技術深耕與自主化能力。本文將介紹四維掃描穿透影像系統之原理及其於高階元件應力之檢測分析技術應用。
【內文精選】
應力檢測對應於半導體材料發展的重要性
近期面對美中貿易戰及嚴重特殊傳染性肺炎疫情導致的全球經濟劇烈變動,台灣材料產業也產生結構性變化,包括:全球供應鏈重組與台商回流,台灣期望憑藉著半導體製造技術優勢,以成為亞洲高階製造中心作為國家主要發展目標。全球半導體材料市場預計在2027年達到584.3億美元,複合年增長率(CAGR)預估5.52%,尤其以亞洲市場成長幅度最大,特別是中國、韓國與台灣。
2022年後整體台灣半導體產業將進入到5 nm後摩爾時代,半導體材料產業從原物料入料、晶圓與元件製造、產品封裝驗證及材料回收等都面臨重大之材料檢測挑戰。半導體高階元件將逐漸朝向材料三維堆疊方式進行,如:鰭式場效電晶體(Fin Field-Effect Transistor; FinFET)、環繞式閘極電晶體(GAA-FET)與互補式場效電晶體(Complementary Field Effect Transistor; CFET) ,如圖一所示。
圖一、奈米節點與三維堆疊元件關係圖
隨著微縮推進至5 nm以下,三維堆疊的特殊結構已經逐步被實現,除了空間堆疊的工藝技術提升,材料本質應力上的調整仍為元件效能重要的決定因素。載子的傳輸能力是決定元件在訊號傳遞上的重要指標,如何透過結構與元素的調整,在載子高傳輸效能區域達到低缺陷密度與應力調變,其為高階電子產品生產的重要製程研發參數。
應力檢測方法說明
在電子顯微鏡中,我們主要檢視磊晶或元件內部應力的方法為透過量測晶格長度的變化量,因此只要在實(影像)空間或倒置(繞射)空間中可以直接或間接計算晶格長度變化即可。目前常見的量測方法分別有Geometric Phase Analysis (GPA)、 Peak Intensity Analysis (PPA)、Nano-beam Electron Diffraction (NBD)、Precession Electron Diffraction (PED)以及Scanning Transmission Electron Microscopy Moiré Fringe Imaging (STEM Moiré)。前兩種為以高解析影像模式,分析其重複週期點的原子間距;後面兩種為以繞射圖譜布拉格建設干涉點的變化偵測為主,分別計算其與未受應力變化區之繞射差異,藉此反推計算實晶格空間中原子間距之變化量。這些方法中,PED為近年來繞射所發展的特殊檢測技術……此為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
4D-STEM於半導體晶相分析的應用發展
除了應力分析外,4D-STEM也可運用在半導體元件中前瞻材料的晶相分析上。其概念跟SEM的EBSD類似,都是利用掃描電子束所產生的繞射圖案來達到晶體分析的目的,只是STEM影像本身的聚焦電子束比SEM小很多,且因為樣品薄化效應,所以4D-STEM相較於SEM-EBSD有著更加細微的空間解析度,更適合於奈米尺寸的晶粒分析,如圖十二所示。對於電子產品走向高密度細線化、積層製造多層化,提供目前產業缺乏之奈米尺度晶粒分析的標準化驗證方法,將有助於達到客製化高階電子元件奈米晶粒分析。此外,在高強度合金分析上……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
圖十二、4D-STEM於奈米晶體分析上的檢測案例
★本文節錄自《工業材料雜誌》422期,更多資料請見下方附檔。