摘要：简要介绍了扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）两种当前主要的电子显微分析工具在存储器器件分析过程中的应用，讨论了它们各自的适用范围以及测量精度，指出两者的有机结合可以得到比较全面的分析结果。 关键词：扫描电子显微镜；透射电子显微镜；栅氧化层
中图分类号：TN16；TP333. 5 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2004)05-0068-04
1 引言
在半导体制造过程中，为了对质量进行监控或者进行可靠性分析，需要对集成电路芯片的形貌进行剖析。半导体存储器的分析是IC芯片分析中一个有代表性的例子。由于存储器是规则结构，每个存储单元的电路和版图都是完全重复一致的，比较容易设计，因而它一般都是作为先进工艺技术开发的先导产品。存储器的分析研究对集成电路的技术发展起着重要的作用。
存储器器件的显微分析最初使用的工具是光学显微镜，其过低的分辨率已经不适应当代超大
规模集成电路的分析需求，扫描电子显微镜（SEM）已成为器件结构分析的重要手段。但是现代半导体制造工艺正在飞速发展，深亚微米器件已经投入量产，器件的薄膜厚度最薄只有几个纳米。对于这些器件的分析，必须采用更高分辨率的显微镜来观察，于是透射电子显微镜（TEM）[1]越来越多地参与到存储器器件的制造和分析过程。这两种电镜分析构成了当今电子显微分析的主要手段。 2 制样
电子显微分析的对象一般是芯片的某个特定部位以及它的周围区域，因此需要对检测的半导体芯片进行预处理，从而制备出可以观察的样品。在存储器器件结构分析和集成电路工艺诊断中，常用的观察范围是与IC芯片表面正交的截面（垂直剖面），因为垂直剖面可提供各工艺层间的相互关系和由边缘和接触所产生的台阶形状的信息。 SEM制样对样品的厚度没有特殊要求，可以采用切、磨、抛光或解理等方法将特定剖面呈现出来，从而转化为可以观察的表面。这样的表面如果直接观察，看到的只有表面加工损伤，一般要利用不同的化学溶液进行择优腐蚀，才能产生有利于观察的衬度。不过腐蚀会使样品失去原结构的部分真实情况，同时引入部分人为的干扰，对样品中厚度极小的薄层
来说，造成的误差更大。
由于TEM得到的显微图像的质量强烈依赖于样品的厚度，因此样品观测部位要非常的薄[2]，例如存储器器件的团队监控TEM样品一般只能有10～100nm的厚度，这给TEM制样带来很大的难度。初学者在制样过程中用手工或者机械控制磨制的成品率不高，一旦过度削磨则使该样品报废。TEM制样的另一个问题是观测点的定位，一般的制样只能获得10mm量级的薄的观测范围[3]，这在需要精确定位分析的时候，目标往往落在观测范围之外。目前比较理想的解决方法是通过聚焦离子束刻蚀（FIB）来进行精细加工。
3 实验观测
3.1 对IC微结构的形貌观察
半导体生产中，为了了解工艺加工的质量或者诊断质量问题的根源，首先必须观察感兴趣区域的形貌轮廓，例如观察光刻窗口边壁的形态来评价各种工艺方案，或者测量器件内各微结构的实际尺寸，来判断产品与版图设计是否吻合等。目前存储器器件的特征尺寸在亚
微米量级，这样用甲酸沸点SEM便可以直接观察测量。但是SEM的观察精度差，有两个原因：一是制样过程中腐蚀所引入的误差；二是SEM制样过程中无法精确控制剖面的方向，因此会偏离器件的特定观察面，造成一定的偏斜。因而SEM照片中的形貌尺度一般是用作定性的分析，无法达到高的精度。
如果采用TEM分析，则可以精确地给出用于超大规模集成电路芯片制造的各种材料的有关形貌特征。由于TEM制样过程对器件内部相对结构的影响很小，属于对样品的直接观察，观察到的图像基本可以认为是样品的原始面貌，因而在有争议时可以作为仲裁结果。在TEM制样过程中虽然同样有角度偏差问题，但在观察拍照时可以加以弥补。因为样品在样品室内可在一定范围内自由转动，我们可以先对样品进行电子衍射观察，通过对电子衍射花样的分析，精确地确定方向。电子衍射花样是样品结构在倒易空间的反映，因此可以获得晶体位向的信息，这也是TEM的特之一[4]。图1为Si单晶<110>方向的衍射花样。
图2和图3女儿墙泛水分别是某可编程只读存储器（PROM）器件内部存储单元剖面的SEM照片和 TEM照片。扫描电镜型号为Philips XL30-FEG，工作电压20kV，放大倍率30000倍；透射电镜型号为Philips CM200-FEG，工作电压200kV。SEM制样时经过了常规化学腐蚀，从而产生了很好的衬度，不同结构之间对比强烈，层次清晰；TEM制样则不需要腐蚀。两者对比可以看出，SEM照片明显失真，比较突出的是金属Al线的剖面形貌，在SEM照片上，Al被腐蚀了很多，它的边界向内凹入，其宽度最小处测得只有0.22μm，而TEM照片里的金属Al线剖面则呈梯形，宽度最小为0.40 μm。同样分析金属顶层和底层，他们的厚度在SEM照片里也被放大了许多。
3.2 栅氧化层的高分辨率分析
栅氧化层的厚度和平整度是半导体工艺中一个十分重要的问题，它会直接影响到器件的性能和可靠性。存储器器件已经进入深亚微米时代，其栅氧化层的典型厚度一般只有几个纳米。由于SEM制样时栅氧化层被腐蚀放大了许多，其原始形貌特征已被破坏，所以对栅氧化层的分析一般是用透射电子显微镜。
图4是栅氧化层的高分辨电子显微像（取石网篮HREM）照片，使用的电镜型号为Philips CM200-FEG，工作电压200kV。图中栅氧化层的形貌清晰可见，其右方是硅衬底，栅的厚度虽然可以通过放大倍率来读出，但是更精确的方法是根据Si衬底的晶格常数来定标，并推出栅氧化层的厚度。利用晶格定标精确地测出图4中的栅氧化层厚度是10.3nm。
3.3 组分分析
材料的组分与材料的物理化学性质密切相关，组分分析一直是分析检测工作最重要的方面之一。SEM及TEM都可以通过附带的能量散布分析仪（EDS）作组分分析，其基本原理是通过电子束与样品相互作用后激发产生的特征X射线能谱来鉴定组成元素。
对于SEM分析，电子束与块状样品相互作用的范围达到若干微米。由于X射线的穿透本领远大于电子束，被激发的若干微米范围内的X射线基本上无损失地全部发射出来。虽然SEM的二次电子显微像的最高分辨率为1nm，但是它相应的EDS分析的空间分辨率却是若干微米。而TEM的样品做得很薄，电子与样品作用，还来不及扩展就穿了过去，所以TEM的电子束在样品中激发特征X射线的空间范围可以限制在纳米尺度，TEM的EDS分析的空间分辨率也就达到纳米量级。图5是TEM附带的能量散布分析仪对图4中栅氧化层作的EDS能谱图，两个峰分别对应于氧元素和硅元素。
4 SEM与TEM的比较
扫描电子显微镜（SEM）制样方便，制样周期短，有时可以作非破坏性的分析，而且它的观察范围大，倍率变化大，立体感强，景深大，观察效果很好。但是SEM的局限也相当明显，比如SEM仅仅是在样品表面扫描，信号来自样品表面，不能获得样品内比较深的部位的情况，因而没有体内信号；其显微像一般也不包含结构信号，即不能区分单晶、多晶、非晶，不能区分位错、层错、晶界等；其附属的X射线能量散布分析仪（EDS）的分辨率为微米量级，也不适合厚度在微米以下薄膜的分析需求。
透射电子显微镜（TEM）则不同，它的分辨率高，对于场发射透射电子显微镜，最高放大倍率可至100万倍以上；制样过程对芯片内部结构影响很小；透射电子穿过样品内部，同样品内部的所有东西发生相互作用，从而直接获得内部结构信息，因此得到综合的高分辨率结果。但是TEM也有自身的缺点：一是制样的问题，其技术难度很大，观察点的定位很难，从手工磨制，到机械控制切割、磨削，现在有时必须要借用聚焦离子束刻蚀才能完成；二是分析周期长，一般商业分析服务周期为一星期左右；三是TEM的成本大大高于SEM的成本。
5 结语
在以存储器器件为代表的集成电路芯片的电子显微分析中，扫描电子显微镜由于使用方便，往往是微观分析的首选。目前SEM在集成电路芯片剖面分析中能确实保证的精度一般只能达到亚微米量级，因此对于目标更小的分析需求以及要求高精度的场合，则必须进行TEM分析。以前TEM只是作为一种重要的科研仪器，然而当今的半导体制造由于采用了各种先进技术，器具逐步缩小，TEM得到了更多的应用。将扫描电镜和透射电镜有机地结合起来，相互补充，将能得到更加精确的分析结果。
