三維電子斷層顯微重構技術於半導體元件結構分析：材料世界網

劉宇倫、陳健群 / 清華大學工程與系統科學系；劉鈰誼、張睦東 / 工研院材化所

半導體製程在進入3奈米節點後遭遇微結構檢測障礙，以一般穿透電鏡拍攝樣品二維投影影像的檢測方式，會因樣品厚度已大於元件結構尺寸而有多重結構影像重疊與邊界判定不易之缺點。三維電子斷層顯微技術結合聚焦離子束針狀樣品製備、穿透電鏡原子級高解析能力、高效能電腦計算斷層掃描、能量散射X射線譜與電子能量損失譜等技術，可將一般缺少深度訊息的電鏡投影影像重建成三維結構，提供如膜層厚度、粗糙度、膜層缺陷、元素組成、鍵結價態等半導體元件內部之三維細微結構資訊，成為下世代半導體故障分析與製程參數控制所需的重要檢測方法。

【內文精選】

前言

在過去10年間，摩爾定律使半導體元件設計打破了傳統二維平面的限制，開始轉向三維空間發展。如鰭式場效電晶體(FinFET)及閘極全環電晶體(GAA)，皆是為了使元件尺寸縮小至1奈米所做出之堆疊結構。因此，為了進行如半導體元件奈米等級之觀測分析，除了透過穿透式電子顯微鏡(TEM)以了解元件結構外，還可搭配能量散射X射線譜(EDS)或電子能量損失譜(EELS)進一步了解其成分之相關訊息。然而，一般穿透式電子顯微鏡所得之影像只提供樣品二維投影信息，對於三維樣品而言，其缺乏樣品深度之訊息，而無法準確地了解奈米材料內部之細微結構變化。因此，可利用斷層掃描技術，從一系列各個角度之二維投影進行重組，以獲得三維之影像。

實驗儀器與樣品製備流程設計

影響電子斷層掃描二維投影影像收集不完整的原因除了輻射損傷之外，另一個更主要的原因為失楔問題(Missing Wedge Problem)。在收集穿透式電子顯微鏡單軸旋轉的投影時，若樣品的旋轉角度高於75度左右，入射電子束會因遭樣品桿遮擋，使電子束無法順利打至樣品上，因而使得高角度的影像資訊遺失。為了解決此問題，利用聚焦離子束將樣品製備於針狀之樣品桿上，並將待觀測區也削成針狀。如此一來，便沒有樣品桿遮擋住電子束的問題，也因此能收取到較高旋轉角度之投影資訊。

使三維電子斷層掃描技術更進一步發展的關鍵因素是掃描穿透式電子顯微鏡以及環形暗場(Annular Dark-field)偵測器的發展。一般穿透式電子顯微鏡最常見的操作模式為明場成像模式，主要是收取穿透電子的訊號。其影像對比度的差異主要也是來自於入射電子波穿透樣品後產生之相位對比，因此較不適合應用於半導體結構分析。對於材料領域，甚至是對半導體元件而言，掃描穿透式電子顯微鏡之原子序對比成像更適合用來進行三維電子斷層掃描顯微成像。尤其是有了球差校正器幫助的掃描穿透式電子顯微鏡，電子束經由透鏡聚焦至樣品位置時的大小可小於1Å，接著再經由環形暗場偵測器收集入射電子與樣品內之原子發生碰撞---此為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔或《工業材料雜誌》422期。

圖五、等斜率斷層掃描座標轉換之關聯

應用

1. STEM Tomography

摩爾定律為半導體製程持續微縮帶來了許多挑戰，當平面電晶體結構縮至一定尺寸，由於導電通道隨之縮短，短通道效應(Short-channel Effects)變得越來越顯著，而高漏電流也成為了主要問題。為了改善平面電晶體所面臨之微縮瓶頸，近年發展出了閘極全環(GAA)之三維結構電晶體，增加閘極對通道之控制面積以控制漏電流之情形。其中奈米線是影響GAA性能最大的因素，因此利用電子斷層掃描技術能順利還原出樣品之三維結構，並透過模擬比較特定層橫切面之差異性(圖七)，以獲得重建之有效性。透過圖七(a)之重建結果，可以觀測到三根奈米線及硬遮罩SiN外之TiN層的內外表面形貌，也可間接得知SiGe奈米線之三維構造，便可以此進行粗糙度分析。另外，從圖七(b)中還可看出---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔或《工業材料雜誌》422期。