（材料学专业论文）半导体材料和器件的微结构与微区应力的ebsd研究.pdf

摘要 随着微电子器件和光电子器件向着高速化和高集成度方向的迅速发展，半导 体外延结构及金属互连线的微观结构特征，以及多层膜之间在制备和使用过程中 引入的应力，对电子器件的可靠性、使用寿命和出光率等起着关键的作用。 本论文采用高分辨热场发射扫描电镜( 1 下e s e m ) 与电子背散射衍射仪 ( e b s d ) 的一体化分析系统，测试了微电子器件金属化系统和半导体外延系统 中的微结构、微织构及微区应力，应变特征，研究了微结构与半导体材料和器件 制备工艺的相关性，以及对器件失效及可靠性的影响。 本项工作对e b s d 菊池衍射花样的收集参数和标定参数进行了分析和优化， 对t s l e b s d 系统的空问分辨率进行了测评，得出空间分辨率约为3 0 n m 枷n m 。 在此基础上，测试了超大规模集成电路( v 】l s i ) 中的灿互连线和甚大规模集成 电路( u l s i ) 的c u 互连线，以及g a n 蓝宝石系统和g a l g a a s 系统中微结 构及微区应力分布特征。 研究了采用传统的反应离子刻蚀工艺制备的砧互连线和采用大马士革凹槽 工艺制备的c u 互连线的晶粒结构、取向、大小、形态及分布。结果表明：沉积 态2 岍l 宽的a l 互连线和c u 互连线的平均晶粒尺寸分别为1 2 0 d m 和6 7 0 n m 。 础互连线在3 0 0 、2 5 b r 退火后，晶粒尺寸增大至1 8 伽m ，且趋于均匀；c u 互 连线随着线宽由o 5 p m 增加到4 呻1 ，晶粒尺寸由3 0 4 曲m 增大到8 0 曲o 越l 。3 5 0 退火后，a l 晶粒长大并呈近竹节结构，从而减小了金属离子沿晶界的扩散， 提高了互连线的电徙动失效中值寿命( m r f ) 和激活能( q a ) 。2 p m 宽沉积态的 灿互连线具有很强的( 1 1 1 ) 丝织构，退火后( 1 1 1 ) 织构得到进一步的发展。在 c u 互连线中，沿大马士革结构的凹槽侧壁垂直生长的晶粒和孪晶使得( 1 1 1 ) 织 构弱化。在灿互连线中，z l 晶界高达1 6 4 ，并随着退火温度的升高增加至1 8 7 ；c u 互连线的3 晶界( 孪晶界) 衰达7 9 5 。孪晶界和小角度晶界这些低能 构型的稳定晶界，均有利于提高互连线抗电徙动的能力。此外，采用e b s d 菊池 花样的质量参数i q ( h m g eq i l a l i t y ) ，作为应力敏感参数。m 互连线退火后，平 均i q 值和( 1 1 1 ) 、( 1 0 0 ) 和( 1 l o ) 取向晶粒的i q ( 1 1 1 ) 、i q ( n 。) 和i q t 均有所提 高，表明退火使硝互连线的残余应力得到释放。i q ( 1 1 l 庆于i q ( 1 0 0 ) 和i q ( 1 l o ) ，反 j 富苫些銮堂工兰壅土主垃 盒奎 映出不同晶体学取向的弹性模最存在的差异。 在g a n 蓝宝石和g a 删g a a s 外延系统中，采用e b s d 的i q 值、h o u g h 变换的峰值及小角度错配等参数，作为应力应变敏感参数，表征单晶外延生长 薄膜中的晶格畸变程度和微区应力分布特征。研究结果表明：在g a n 结构中应 力缓冲层( b u 彘f 层) 附近的菊池线明锐程度降低，i q 值和h o u g h 峰值最低， 随着与b u 妇衙层距离的增加，菊池线的锐化程度，i q 值和h o u g h 峰值逐渐提高， 以i q 和h o l i g h 峰的统计值显示出晶格畸变范围，表明以b u 妇晒层为中心存在一 个2 0 0 蛐7 0 0 姗的应变场。由计算可知b u 彘r 层附近的位错密度达8 1 0 1 1 m 2 。 e b s d 测量g a n 外延层与蓝宝石衬底存在着3 0 。错配，计算的二者错配度为1 6 。 结构通过2 肛3 0 衄的b u 脑层使应力应变释放，提高了外延生长的晶体质量， 从而可保证发光二极管有源区的出光效率。 在g a a “a 】g a 缸多层周期生长的外延系统中，错配度o 1 4 ，g a a s 层的i q 值沿外延生长方向逐渐下降2 9 ，表明外延结构中缺陷逐渐累加。a 1 g a a s 层中 由于衍射强度低而未能测量出i q 值，说明i q 值能反映出由于散射因子差异而造 成的衍射强度的差异。 采用快速傅立叶变换( f f t ) 和反变换( 硐f 1 r ) ，对应变和非应变区域的聒l ( 1 l c h i 花样进行处理和计算，可实现衍射强度的比较通过对k u c h i 花样进行相关函 数分析，可得到g a n 蓝宝石结构中应变区域相对于无应变区域的晶带轴的微小 位移量。 关键词e b s d ；晶体学取向；应力应变；a 】，c l l 互连线；半导体外延结构 s i n m e 孺i s 矗s td 删试哪衄枷o fm i c d 咖n i cd e “o 鼯缸dp ：h o t o d c c 仃0 n i c d e “c 髓t oh i 班印e c da n dh i 霉h l 耐劬t h em i c r o s t m c t m ed 咖m c t e ro f 印i t a ) 【i a l 剐工1 l c = t l l r ei n 剐= m i n d i l c t o r 柚dn i d a m ci l l t a 他o n n o c 虹蠲d 曲屺s 岫si l l t r o d u c c d d l m n g 血e 脚a r i n g 觚du s i n g 锄o n gm “m l a y 豇丘l 瑚，谢b i 6 hp l a ) ，sa ni 玎1 p 忧t a n t r o i e t h e 础a b n j 劬船r “n g 喇ca n da 曲剃q 啦m 咖e 伍d e n c yo f d c c 吲c d e v i 懈 ht b i st h e s i s ，t h ei n t e 孕删a n a l 舛c a ls ) ，基；t e mo fd 灯o nb a c ：k s c a 仕盯d i 伍阻c d ( e b s d ) 唧嘲) c di nab i g h 磷。啪t f b s e mt o 粼m em i c f o s 协】c t i 鹕 m i c f o t 船艋dm i c f o - z o n e 髓陀鹳，s 嘶d m c t e ro fm e t a l l i c 町砒e mi n m i c r o e l 咖n i cd e v i c 鹤纽de p i 扭x i a ls ) l s t 锄i ns c m i c 0 咀d l l c t 0 呃t h e 黜l a d 咄 b e 晰e e nt h em i c m s 由l c t i | r c 锄d1 1 1 ep r 印a r i n gt c c h n o l o g yo fs 锄i c o n d l l c t o rm a t e f i a l s 柚dd e “s ，t h ei n 丑u e n o f 筋l u 趾dr e h a b i l i 哆o f d e v i c 鹤w e i n ：、侧g a t c d 譬 t h e 缸a l y s i s 趾do l 坩m i z a 廿o n o nt h ec o l l 既= t i n gp 砸硼n e t 盯缸d 如i d 蛐g p 锄m e t c ro fk i k i 墒p a 士c e mw e a l c a i r i e do l ni nt h i s 北s r c kt h e 印a l i a l l l n i o no f t s le b s ds y s t e mw 嬲m s u r e d 缸d “出删甜t ob ea b 伽t3 0 玎m 4 0 n m 啊坞a li n ：i e r c 咖e c t 8i nv l s i 缸dc ui n ：【e r c m m e c t si nu l s lw e i n v 懿t i 鲥恤 e b s d 1 1 m i - t 懿t u a n dd i s 乜曲u d o no fm i 删es 嗡si ng a n ，s a p p s ”；t e m 龃dg “h a l g “虹印咖w 黜s t i l d i e d m d i s 词州o f 舯i n s 咖时i 鹕0 r i 伽呱s i z e a n d 8 h a p ci n 越 细材皿e c t sp r 印a r e db ) ，n v 碰m 瑚c 吐v ei e t 舡n gt e c b n o l o g ) ，( r j e ) 锄dc 1 1 i 玎土e 托锄幻p r 印a r e db yd 黜s 伽t e d h n o l o g yw e 犯i n v 髂虹g a t e d r 龉l l l t si n d i t c ： t h ea v 日a g eg r a i ns i z eo f 2 p mw i 拙d 印o s i t e da li n t c n e c t sa n dq li n t e r c o 皿招 撕1 2 0 衄a n d6 0 7 0 n m ，阳唰v e l y t h eg r a i 璐i na l 证t 盯c o 皿e c 协i n 勰s 。dt o 1 8 0 衄a f i 船2 5 h r 锄e a l i n g 蛐朗ta 土3 0 0 a n d 越v e dt o 硼i f 0 皿i 够1 kg r a i 珊 i nc ui n t e f c o l m t si n 咖e d 丘啪3 0 _ 4 0 d mt o8 m 母0 m mw h i l e 廿 w i d mi i l a 瑚嘲d 丘o m0 5 p mt o4 岬触盯锄c a l i n ga t3 5 0 ，t h eg r a i mg r o w su pw i i ha b 卸肌l i k es 劬i c t l i r e 砌c hd e e 舔髓m ed i 最l s i o no fm e t a li 叩a l o n g 也e 鲥n 叫嚣a n d 嘁l h c 姗a n d q o f i n t 锄皿c c t s 黜v 吖螂( 1 1 1 ) 矗_ b 盯t e x t u i nm e2 p mw i d 血d e p o s i t e da li m e r c o n n 胱= t sa n dg e bf i | n h 盯d e v d o p 吨 加锄l i n g t h e ( 1 1 1 ) p i 吲硎0 r i 衄洳o nw 勰w e a k e n e db yt h e 掣_ a i n sa 1 0 n gt h e 皿- j 虿王些古堂苫堂亟土兰盈逾盏 8 i d ew a l lo fn l l t ei nd 舡衄s c 璐s t m c t i l ma n dt w i n 口y s t a l s 1g r a i nb o 吼d a r i 韶r e a d h 1 6 4 i nj ui n 觚n n 扭锄di n c r e a s 嚣t 01 8 7 谢n l 也ei n c r e 雏i n go f 锄咀e a l i n g t a 嘲嘲船3g r a i nb o 忸l d 蜀i r i 嚣r c h7 9 5 i nc ui n t e f c o n n 缸r i w i nc r y s t a l b o l m d a r i 嚣a n d1 0 w 蛆g l e 鲥nb o u n d a f i 锚，w h i c ha l o w - e r g ys t a b l eb o u n d a r i 鳃， 锄dt h 斜锄p r o p m 哪t o 蛐m e 出i h t yt o 也e 耐s te _ i 咖僦鲫o no f 姗斌皿e c 略ma d d i 石o n 地i q ( h m g eq 岫l i t ) ，) o f 幻k u c h ip a t t e mw 鹊a d o p t e d 鹋 m es t r a 缸s 鲫拍v cp a 锄酏懿r ka v 啪学i qv a l 鹏雒dt l 他i q ( 1 1 1 ) 、i q ( 1 l o ) 趾di q ( 1 卿 o f ( 1 1 1 ) ，( 1 0 0 ) a n d ( 1 l o ) 0 r i e n t a t i 吼g r a i m 乒o w n 世盯锄e a l i n 岛w h i c hi n d i c a t 嚣 也a t 越m 韶l i l l g 眦r e l e 蠲et h e 瑚i d l l a ls 胬si na li 玎惋咒埘l n e c t s i q ( 1 1 1 ) i sb i g g 盯t h 妣 l q ( 1 唧锄di q ( 1 l o ) i n d i 曲g 日艟d i f 断姐o fd a s t i c 豫矗。锄o n g 吐呛d i f 矗o r e n tc r y s t a l o r ：i e n t 撕o n s ht h c 印i t a 】【i a l s y s t c mo fc w s 印曲i i f e 锄dg a a 奶u c 乩虹，n l e p 骶卸1 e t e 馏o fi qv 山嶂h o u g hp e a l 【v a l u ea n dl o w 如百em i s o r i 锄t a 缸o ne t c 髂蛐随i n s c 嬲i d v ep 猢c t e 据，w e 犯u s e dt oc b 越铖= t c f i z ct h ed i s t o m o no fl a m c ca n dt h e d i s n j h 晒o no f m i c r o z 0 s h 岱s r 唧l 乜i n d i t et h a t ：也es h 叫p 嬲so f 硒k u c h i b 跹d s w 勰d u c e dn e 缸n 璩b u 妇衙1 a y 盯i n n 璩g a ns 仇i c t l l r ea n dn 1 0 w e s t l qv a l u e 髓d h o u g hp e a 】( v 时w e 蛐c d ，i ks h a 印n 嚣so f k u c h ib 锄d s ，i qv a l 鹏a n d h o l l g hp 瑚i l 【v a l u ei n c f s c d 孕孤h 珀血yw i t hi n a e 痂gd i s t a n 缸 mt h eb u 丘醯l a y e l 1 ks t a 吐s t i co fi qv a h 舱缸dh o u g hp kv 时o f 恤d i ：| t o r t c dr e g i o ni n d i c a t en 1 砒 t b 船i sa2 0 0 蛐川0 0 l mc l 嬲删l yd i s t o r 乞e d 北霉锄岫dt h eb u 脑l a y 既皿e d i s l o c a t i o nd e n s 姆n rb l l 妇暗l a y 够w 勰c a l c i l l a t c dt 0b e8 1 0 1 1 1 n 2 1 k m i s o r i t a 虹柚dt h el 枷m i 缸凹妯b 耽w 嘲g a ne 衄a y 盯蚰d 韶拼 h i 把s u b 蛐m t e w e 糟d e 妇m i n e dt ob e 3 0 。觚d1 6 ，豫删v d y w i i h 也蚓懒sr e l e 勰c db y2 0 n m b u 胁l a y e f t h eq l l a l i t yo f a y 啦a 1g w nb ye p i t a 】i a lw a y w 嬲a l h 蛆c e 衄dt h el h e 懿t c r n a lq u 咖e 伍c i c yo f l i g h t 鼬删皿gm o d ei nt h c 枷v er e 舀w 勰锄g l 蹴 ht l 印i t 缸i a ls y 吼锄o fm m d - l a y 盯i n c 棚咀to fg i 认砒u g a a s ，t h el a 蚯 m i s 姒眈w 搬a s l 删t ob eo 1 锄a n dt h ei q 谢i ng 幽l a y e ra l o n gt h e 印i 切x i a l l y 掣o w nd i 】腻堆i o nd 删e d 伊a d u a l l y2 9 i k 础湖船i n d i c a l e 也a lt h c d c f 。c t sw e 把锄m a t 。di nt h e 印i t a 】【i a l 蛐m c t u 北d t 0 血el o wd i 缶a c d o n i n t a 咖t l 坞i qv a l 佻c 蛆t b e 曲切i n e d ，w 】蚯c h i n d i 士e t h a t i q v 山e n 硼e c t l h e d i 丘翻o f 僦艮a c d 蛐咖s e db y m cd i 任黜c eo f d i s p 啪i o n 缸眦 t h ef a s tf 伽时盯t 姗f b r m ( f f l ) a n dh y 盯f a 砒f o i m 盯1 h n s 翩皿( 刀p f l ) w e a d o p t e dt oc a l c l l l a t et h ek i l 【删p 砒6 朗啮i n c _ i l l d i n gb o l hd i s t 0 巾e dr 哆g i o na n d m m _ d i s t o n i e dr 9 9 i o nt 0o l ，t a i nt b e 伽p a r i s o fd i 渤曲i n t e n s i 够t h es m a n 一一 口y s t a l1 a 坩i b i f i 丘o mt h ed i s t o r “m 姆o nt o 瑚l n 碰鼬。帕e d 他百o n 锄b ec a l c i d 种。d 璐i n g 也ec r o 瞄- c 讲喇a d f i 】n c d 衄o fk i l ( u c b ip a 士嘧n l h es m a ns h i n si n 血ez o n e 践i sp o s 砸西o l l tt h ed i s 衄t e dr e g i o nr c l 鲥h 他t ot h e n d i s t o n e dr 9 西c 觚b e o b 枷i n t h c g a n s a j 枇s 细】c t i 聃 k e y r d se b 8 d ；c f y s t a l l o g m p h i c 印i t a ) 【i a ls t n l c t l l r ei ns 衄i m l i l i = t o r v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垂鲢日期：兰1 2 ：! = 。7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：曼j 菱。坠导师签名：杰笔日期：兰翌生苎口乡 第1 章绪论 1 1 印s d 技术概述 1 1 1 印s d 发展概况 电子背散射衍射( e l e c 昀nb a d 鼬a t t c rd i 妇h 砸，e b s d ) 技术是2 0 世纪 8 0 年代发展起来的进行材料的微织构、相鉴定和微区应力分析的技术【。 1 9 2 8 年k u d l i 在利用透射电镜( t e m ) 研究薄云母晶体时第一次发现了电 子衍射花样，并将之描述为“r 锄a 出曲l el 趣”，这种电子衍射花样被后人以 鼬k u c h i 的名字命名为“k i l c i l c b jp a 恤”( 菊池花样) 【3 1 。 1 9 5 4 年a l a m 和b l a d 锄锄等用一个柱形样品室和一部胶片摄像机，在n 棚 及p b s 2 等晶体中得到了高角菊池花样，即入射电子束方向与试样法线之间夹角 约为1 1 0 0 。他们的研究表明，即使采用高角入射，入射电子仍有高的效率和小的 能量损失，仍然能够褥到菊池带花样川。 1 9 6 5 年第一台商业用扫描电镜( s e m ) 出现。 1 9 6 7 年c o a t c s 发表了第一篇有关基于s e m 得到的伪菊池线论文，引起人们 对选区衍射花样的关注【5 】。 1 9 7 扣1 9 8 0 年，、7 b n 曲l 髓和h 砌缸d 等用3 0 c m 直径的荧光屏和一台闭路电视， 第一次在s e m 中得到了e b s d 花样。他们还发现，只有当样品倾角大于4 5 。时 才能够在荧光屏上得到花样，而7 肛8 0 。的倾角范围是得到e b s d 花样的最佳角 度。同时他们也首次提出利用前置散射探头来更好的得到晶体学取向信息删。 1 9 8 1 年，d i 唧c y 在扫描电子显微会议上的一篇论文指出由于e b s d 高的空 间分辨率和花样中所记录的角度范围更宽，利用e b s d 更容易鉴定低对称性的晶 体结构，此思想在1 9 “年于b r i g t o l 大学d i 嘲e y 的实验室得到应用【9 】。 1 9 8 扣1 9 8 4 年问，计算机标定e b s d 花样得到了发展，并于1 9 8 4 年推出第 一台商用e b s d 系统埘 2 0 世纪8 0 年代，d i 唧e ) ，把荧光屏和电视摄像机进行组合，得到晶体取向 分布图。 1 9 9 0 年，国外大学和研究所开始研究e b s d 的全自动标定方法。其中包括 美国的y 缸e 大学、德国的c l a u s n l a l 大学以及丹麦的r i s 国家实验室。所有的研 i 富：e 些态誊：e 兰巫土主岔：| 盒苫 究小组都采用了h o i l 咖转变来确定菊池花样中菊池带的位置【3 】o 1 9 9 1 一1 9 9 4 年，a i a m s 发展了现在被称之为取向成像显微图( 0 五删 h 矗蓟唱m i c r o s c o p y ， o 订) 的技术【l l 】。 近年来，随着s e m 和e b s d 技术的发展，数字相机被广泛应用到e b s d 系 统中，e b s d 作为s e m 的一个附件和e d s 一体化技术得到了长足的发展 1 1 2e b s d 测试原理 当入射高能电子进入晶体的时候，由于非弹性散射，使电子束在入射点附近 发散，成为一点源。在表层几十纳米范围内，非弹性散射引起能量损失一般只有几 十e v ，这与几万伏电子能量相比是一个很小的量。因此，电子的波长可以认为基 本不变。在电子束入射点处电子向各个方向散射，满足b f a 裙关系( 如公式l - 1 ) 的晶面中产生的衍射电子的轨迹形成一对对顶衍射圆锥，圆锥的项角为 ( 1 8 0 0 0 ) ，如图1 ，l 所示【3 1 。 图卜1e b s d 中菊池带的产生示惹图 f i g i el ls k 酏c hm a pf o r 硒咄k 虹c h il i n 懿i ne b s d 在e b s d 实验条件下，加速电压h v _ 2 肌3 0 k v ，由b r a 略公式( 公式( 1 - 1 ) ) 得到e 角约为o 5 0 2 d s i n o = a( 1 1 ) 由于衍射圆锥顶角接近于1 8 0 度，圆锥可以近似看作平面。当e b s d 相机的 荧光屏处于与两对角圆锥交截的位置上时，会得到一对近乎平行的曲线。1 9 2 8 年菊池( s k i l 【l l c h i ) 首先对金属薄膜的电子衍衬和析出相的电子衍射中出现的线 状花样，即菊池花样( k u c 嫩p a t t e m ) ，从衍射几何上作解释：一对菊池线代表 晶体中一组平面，线对间距反比于晶面间距，菊池线交叉处代表一个结晶学方向， 线对间距为2 0 。线对交叉点与晶带轴对应，主要晶带轴通过几个线对的交叉点 标定。因此，菊池花样包含了入射点所在晶粒的包括坐标和欧拉角等大部分晶体 学信息，以及晶体中所有的角度关系，区域的和晶面间角一因此也包含了晶体的 对称性【堋，见图1 2 。 图l 屯t a 的菊池衍射花样和对应的标定后的花样 f i g u 坤l - 2 聒l c 删p a 扎黜o f t a 趾dc 仰瑚p 阻d i n gk i k u c h ip a 拙咖i n d 既e d e b s d 中的菊池衍射花样实际上是在平面上的极射赤平投影。如图l - 3 所示， 样品位于图中球体的中心，0 n 是样品和投影面的距离，n 是花样的中心，投影 面与反射球相切于n 点。从样品中激发的衍射线透过反射球与荧光屏相交，因 为衍射源在球心，医此交点p 的位置可由o n 和f ( o n 和o p 的夹角) 确定啪。 图卜3 菊池带的赤平投影图 f i g 山七1 - 3 1 劬埘阻o f a 鼬k i l c h ip a t 啪柚a 印衄i c 喇c 甜 当通过计算机控制电子束持续在样品上进行扫描时，电子束在样品上作用的 每一点的相关信息都被记录并保存下来，包括，入射点在整个扫描区域中的位置 j k 富j ：些盔兰苫堂盈土堂盆盗吝 ( x 和y ) 、欧拉角( 甲l ，o ，啦) 、花样的图像质量( h m g cq u a l i 魄即i q ) 、测 量花样与理论计算的花样的匹配度( f i t ) 、可信度( c i ) 和此点所属的相等。通 过标定菊池花样，就可以得到织构、晶界分布、晶粒尺寸、晶粒取向错配、晶体 转动等信息，并以图形、直方图、曲线等方式表示出来 入射电子与样品作用产生的菊池衍射，由于收集装置与样品相对位置不同分 为透射电子衍射、电子通道花样及电子背散射衍射，几种衍射技术比较见表 卜l 【l 引。e b s d 具有快速简便，精度高，廉价，织构取向统计分布等信息。 表1 1 衍射技术的比较 1 曲l el lc l p a r 撕o fd i 岳d o nt e c h l 晒 电子背散 射衍射 ( e b s d ) 透射菊池 衍射 s e m 但p m a 纵深： + e b s d 径向： 约3 0 i l m ， l 3 倍纵深 t e mo 1 m 6 0 快速简便，廉价， 织构，取向统计 分布等信息 1 0 慢，制样复杂，只 有少量晶粒晶面 被采集，价格高 电子通道具有特殊功能1 0 岬或几衄 0 5 1 0激发区域大，空 花样的s e m 或 间分辨率低 g 鉴量坠 e b s d 技术对样品表面要求较严格。e b s d 花样信息取自样品表面几十纳米 深度，要求样品表面要平整光洁，并且必须消除表面在研磨抛光中形成的形变层， 金属样品采用化学或电解抛光去除形变层，碳钢用硝酸酒精侵蚀可得到很好的菊 池花样。半导体样品可以利用新鲜解理面。非导电样品可用喷镀薄层碳膜，或将 样品加工成薄片并采用较低能量的电子辐照，防止电荷积累。脆性材料可直接利 用其平整断面，无需研磨抛光。离子溅射减薄可以去除金属及非金属样品形变层。 髓s d + s e m 系统主要用于材料晶体学取向分析、相鉴定和微区应力分析。 1 ) 晶体学取向测量 e b s d 微织构分析技术是在k o s s e l 线分析晶体局部区域的取向和电子通道 花样确定晶粒取向的基础上发展出来的一种新型而实用的微织构分析技术。 由于e b s d 探测器接收角很大，包含的菊池线对数远远多于透射电子衍射的 菊池线对数。因此可用三菊池极法测定晶体取向。多套三菊池线对互相校正后， 可更准确地标定分析点的晶体学取向【。三菊池极法首先需要制备一张包含所有 理论上参与衍射的晶面指数和两两衍射面夹角信息表。如面心立方a l 的表格中 包含 1 1 l 、 2 0 0 、 2 2 0 ) 和 3 1 1 ) 晶面族，及所有两两组合夹角。将接收到的菊 池带及其夹角与信息表中的数据对照，然后对所有可能的选择投票。获得最高票 数的标定方案被采纳。所有不同晶面产生的菊池衍射构成一张电子背散射衍射谱 ( e l c c h d nb a d 【- a t t 耐n gp a n 锄s ，简称e b s p ) 。 e b s d 绘制极图( p o l ef i g i 勰，p f ) 、反极图( h e 擂ep o l ef i g u 晒p f ) 和 取向分布函数( 0 r i 龃t a t i d i s t r i b 嘶f 强c t i ，o d f ) 的方法同。极图的 测量方法参考图卜4 。将一个立方晶系的晶粒位于参考球球心，做出( 1 0 0 ) 极 图的步骤为：参考球的上、下极点分别称作北极和南极，从位于参考球中心晶粒 的属于 l o o ) 的各晶面做各自法线交于参考球球面上的不同点。从参考球南极引 线到这些点，与赤道面( 简称赤面，图中水平面) 相交，交点为图中实心点。一 般只需绘制出北半球( 或南半球) 上各点在赤面上的投影即可。 岫 c弋 | 乡 图卜4 极图绘制方法示意图 f i g u 糟1 - 4s c h 眦a t i ci n 璐仃；| 士i o no f d r a w i n ga p f p f 代表了样品相对于晶体参考取向所处的位置取向。线织构( 只有一个轴 方向特别强的织构) 和取向垂直于样品表面的薄膜样品，常用脐表示。图1 5 的左图表示一个标有所有对称性位置点的极图，在全极图中要有4 8 个点出现， 而利用一个单位三角形来表示需要显示一个点，如右图所示。 恭 心 乡。 图l 一5 反极图示意图 f i g u 球1 _ 5s c h e 姒t i ci u u s 缸而o f 口f o d f 提供了一个定量评价织构的方法。多晶材料中一个晶体的完整取向须 用三个球面角或者欧拉角度来表示。欧拉角定义为：设空间有一由x ，y ，z 三 个互相垂直的坐标轴组成的直角坐标系a ，再设有一个立方晶体坐标系p ，其三 个基本晶体取向 1 0 0 】，【0 1 0 】和【o o l 】分别平行于a 的x ，y ，z 轴，并与之保持 同向。把晶体坐标系中晶体基本方向 1 0 0 在参考坐标系a 内的这种排布方式称 为初始取向e 。一般晶体放在坐标系a 内通常都不具备初始取向，而只有一般取 向。若把一具有初始取向的晶体坐标系做某种转动，即分别让 0 0 1 】， 1 0 0 】和【0 1 0 】 转动牛i ( o s 中l q 兀) ，巾( 皑巾盘丌) 和甲2 ( o 却2 立尢) ，使它与一晶体内一晶粒的晶 体坐标系重合，这样转动过的晶体坐标系就具有了与之重合的晶体坐标系的取 向。常常用具有初始取向的坐标系转到与一实际晶体坐标系重合时所转动的角度 即欧拉角来表达该实际晶体的取向【阍。o d f 作图方法是：垂直于取向空间的某 一欧拉角坐标轴的方向从取向空间中截取若干个等间距的取向面( 一般从o o 开 始间隔5 0 ) ，然后在各个取向面上给出取向密度的等密度线即o d f 图。 由测量晶体取向可以得到晶体材料包括晶粒尺寸、晶粒形态、晶界特征及晶 格错配等一系列信息。e b s d 中定义的晶粒是指取向一致的单元。如果两个扫描 点的取向差角小于系统设定的允错角，系统就会认为这两个点同属一个晶粒。由 此确定晶粒的尺寸和形态。如果两者的取向差角大于系统设定的允错角，则会被 系统默认为此处存在一个晶界( 包括小角度晶界和大角度晶界) 。 2 ) 相鉴定 普通的s e m 由于缺少结晶学的信息，而不能进行物相鉴定【3 】。e b s d 菊池 花样中包含了大量物相的晶体结构信息。因此能够确定未知物相的空间群。e b s d 中还包含了较高阶的劳埃带环( h o l z 血g ) 这些h o l zr i n 黟能被用作准确的 测量晶面间距，并且也能被用作确定物相中弱化了的单胞【蟠切。当候选相的晶粒 结构存在差异时，运用髓s d 技术进行相鉴定将会很容易结构对称，但衍射面 不同的物相同时也可以区分出来，如分体心立方与面心立方结构。因为不同的物 相可以由晶面夹角鉴别出来。在相鉴定方面，e b s d 的优势就是区分化学成分相 似，但晶体结构不同的相。例如红柱石、蓝晶石以及硅线石都是a 1 2 s i 0 5 的多晶 型物质，以及m ，c 3 和m 3 c 相，钢中的铁素体和奥氏体。它们具有相同的成分， 但晶体结构不同，可以用e b s d 技术区分开来。目前，e b s d 可以对七大晶系任 意对称性的样品进行取向测量和标定，结合e d s 成分分析鉴定未知相【l 。 l 。 3 ) 微区应力应变的分析 目前应力测试方法主要有如下几种。( 1 ) 电子薄膜晶片弯曲法：通过测量芯 片曲率计算薄膜应力，该方法只能获得薄膜的宏观应力数据。( 2 ) 面探测煳寸 线衍射( d ) 【1 9 】和( 3 ) 同步辐射蹦t 线衍射2 啪】。同步辐射光源具有强度高、 亮度大( 比普通转靶x 射线衍射高3 4 个量级) 、束斑小、准直性高及发散角小 等特点，可获得分辨率高( 空间、角、能量) 的衍射数据采用同步辐射) ( 射 线仪和面探可获得几十微米区域的衍射数据，且应交敏感性很高( 1 矿) 。 ( 4 ) 透射电镜会聚束电子衍射( t e m c 髓d ) 阎，通过标定高阶劳埃带分析微 晶应变，具有很高的分辨率( 1 衄) 和应力敏感性( o 0 l ) ，但样品制备复杂， 在薄膜制各过程中会改变原始应力状态。受到薄膜分析区域所限，c e b d 不能获 得应力分布的统计信息。( 5 ) 以扫描探针显微镜( s p m ) 为基础的扫描近场声成 像方法( s n 触讧) ，以几机十衄的空问成像分辨率，探测样品中的声波衰减信 号，测量晶体表面和亚表面的结构缺陷及弹塑性。但目前仍处于实验室研究阶段 鲫。( 6 ) e b s d 有较高的空间分辨率( 几十加1 ) 、角度分辨率( o 5 0 ) 与应力敏 感性( o 0 1 ) f 2 】。x 射线衍射( ) a 良d ) 是测量晶体内部应力，应变的最好技术 之一。测量点阵常数和应交敏感性可达l o - 5 。但) 瀑d 的空间分辨率只能达 到1 0 0 阻，( 同步辐射源得到少量提高) 。表征微区应变需要高应变敏感性和高空 间分辨率结合的技术，因此，e b s d 特别适合对微小特征尺寸的应变晶体进行分 析。表i 2 为不同应交分析方法的比较。 表l - 2 不同应变分析方法的分辨率和应变敏感度 1 曲k1 21 1 麒同u 6 0 n 血ds 昀_ i ns c n s i d 、r i t yo f ( 1 i = 睡n t 柚a l ”i sm e n l o d so f g 的缸 型堕丝垄坌塑垩! e 璺!查銮墼壁丝! 堑! x 射线衍射( ) 1 0 0l o e - 5 透射电镜( t e m ) o 0 l1 0 e 4 电子背散射衍射( e b s d ) o 0 3 0 11 0 e - 4 同步辐射源1 1 0 0 呻l l o e - 5 1 2 印s d 在半导体材料与器件中的应用 1 2 1v l s i 和u l s l 金属化系统 随着电子器件和集成电路向着高集成度和高速方向发展，连接有源结构和各 j 童王些盔堂：e 芏耍土堂垃j 盒苫 独立元件的金属互连线技术已从2 0 0 0 年以前的0 1 8 衄l 发展到当今的6 0 n m 水平。 i c 技术的更新换代也主要是以互连线的线条尺寸( 特征尺寸) 的缩小、硅片尺 寸的增加，以及芯片集成度提高为标志的，而其中集成电路芯片特征尺寸为关键 的标志瞵】。不断缩小的互连线使得互连线在i c 电路失效中所占比重高达2 3 ， 它的可靠性直接影响着超大规模集成电路( v l s i ) 和甚大规模集成电路( u 】l s i ) 器件的可靠性。互连线的显微结构，包括晶粒大小、晶体学取向、晶界类型及缺 陷特征均受到芯片制备工艺的控制，又直接影响着互连线的可靠性【2 岳删。e b s d 技术发展到今天，其分辨率已经可以达到3 0 衄左右。利用e b s d 技术可以很方 便的对微米亚微米尺寸的互连线的微结构进行分析。 在金属化系统的工艺制备技术和基础研究方面，应力状态、分布及演变一直 倍受关注。但由于受到互连线微米和亚微米特征尺寸所限，不能直接测量出v l s i 和u l s i 中的灿和c u 互连线中的应力。美国等国的i t 业跨国大公司，例如m m ， m o t 啪l a 和a m d 公司对a l 互连线中的应力和微观结构开展了研究。国内由于 半导体技术落后于发达国家，在这方面开展的研究工作尚很少见。 1 2 2 半导体材料和光电子器件 在光电子器件制造和使用过程中会引入应力和应变。这些应力主要包括晶格 错配应力、热应力及机械加工应力。在光电子器件的外延结构中，热应力和晶格 错配应力会诱发晶体缺陷形核或改变能隙，在有源区中产生极化电场，或影响辐 射的复合几率，从而降低了光电子器件的发光效率、灵敏度及可靠性，给器件带 来很大的危害【2 9 1 。 利用e b s d 技术对材料中的微区应力分布进行研究，在国内外都是一个新兴 的课题，从2 0 世纪8 0 年代s e m 一船s d 技术发展以来，在此领域的研究报告也 仅仅有2 0 篇左右。t r s t 等人采用菊池带宽度的变化，评价了s i s i l - x g e x 系统中 的弹性应变【删m a d b n 西e 通过快速f a 瞄衙变换评价菊池花样的图像质量【3 i 】。 这种方法通过狮1 1 d 璐帆和d i 咄y 对a l 合金6 0 6 l 的研究得到进一步提高，获 得了1 的应变敏感度【3 2 1 w n k i n s 通过改变样品到探头的距离，以及计算相 干函数的方法，评价单晶s i s i i 1 g e 。系统中晶带轴的微小移动量，得到也l 矿 的应变敏感度p 3 1 。k e l 衙等人利用菊池花样的图像质量，评价g a a s a l q u 缸系 统的弹性应变场，锐化的菊池花样，达到优于3 0 玎m 的空问分辨率【卅。1 幻等人 测量了单晶s i 图像空间中的晶带轴位移和h 曲空间中单个菊池带的位移，得 到0 1 越d 的精度【3 5 】。 1 3 本课题研究内容 本课题利用e b s d 技术，研究具有微小特征尺寸的半导体材料系统中，以及 微电子器件金属化系统的晶粒结构及晶体学取向，重点研究半导体外延系统中的 弹性应变特征。 ( 1 ) 测试超大规模集成电路( 、1 l s i ) 和甚大规模集成电路( u 】l s i ) 中的微 米级柚互连线和c u 互连线的微结构，研究v 】l s i ，i h ，s i 中互连线的微结构与制 备工艺和电徙动失效的关系，并研究了互连线中应力的分布特征。 ( 2 ) 研究光电子器件中几十纳米厚度的多层外延结构中的微区应力分布。 ( 3 ) 实现s e m e b s d 系统的精确测量。 本课题来源：国家自然科学基金委员会( 批准号：6 9 9 3 6 0 2 0 ) 和军用模拟集 成电路国防科技重点实验室基金项目( 批准号：5 1 4 3 9 0 4 0 2 0 3q t 0 1 0 1 ) 第二章e b s d 花样采集系统及测量参数分析 2 1s e i i 卜印s d 分析系统 s e m e b s d 典型的系统构成如图2 1 所示，样品与水平面夹角为7 0 。，荧光 屏与一个c c d 相机连接，信号经放大送计算机处理，电子柬由计算机控制，实现 同步扫描，获取一系列衍射信息图像，得到晶体的各种信息。 图2 1 典型的e b s d 系统构成示意图 f i g i 】l e 2 - ls d 蜘础m u 蚰矗o f 嘶c a le b s ds y 蜘 2 1 1 扫描电镜( s 朗) 本课题实验使用j e o lj s m6 5 0 0 f 型热场发射扫描电镜( t f e s e m ) ，分辨率 为1 5 蛳，实验加速电压为3 0 k v ，束流为5 4 卫a ，工作距离为1 3 1 5 m m 。场发 射扫描电镜相比于普通s e m 而言有着更稳定的束流和更好的分辨率，因此更适 合于对于微小特征尺寸的样品进行分析 2 1 2 电子背散射衍射仪( e b s d ) 课题实验采用e 蚴( 公司的e b s d 与e d s 一体化系统，其探头与样品中心 的距离( d e t e c td i s 切玎，d d ) 最小可以达到2 5 衄，实验中采点数据为5 1 0 3 _ 5 1 0 4 之间，探头的分辨率达1 3 8 0 1 0 3 5 像素，标定速度为每秒2 0 4 0 个点。 本课题实验所用s e m _ 髓s d 系统如图2 2 所示 图2 - 2 实验用s e m e b s d 系统 f i 舭2 21 ks e m e