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甩睦射电饨分析硅中的缺陷 摘要 在对半导体材料的结构缺陷进行观察时，透射电子显微镜有着 其他观察仪器不可比拟的优越性，透射电子显微镜主要使用的像的 技术有：质厚衬度像、衍射衬度像、位相衬度像，它们的适用范围 各不相同。其中，高分辨电子显微像可以在实空间内直接观测晶体 局部的结构，因此而被广泛的使用。 本文利用透射电镜作为工具，对硅中不同类型的缺陷结构以及 工艺过程中的缺陷的转化进行了观测，并对我们观察到的现象进行 了解释和说明。 作为补充，本文还对透射电镜图像中常见的等厚等倾条纹做出 了解释，并指出了它们对于解释缺陷的结构有辅助作用。 通过对硅中的位错及层错、s i s i 0 ：界面结构，以及硅中的沉 积的结构形态的分析，我们发现，缺陷的运动总是朝释放应力和降 低自身能量的方向进行的，工艺过程中缺陷形态的变化也符合这样 的规列，位错的各种复合体在能量上要处于稳定状态，他们的相互 作用和结合有助于降低自身的能量。通过引入一定程度的缺陷，即 硅片的吸杂技术，来与晶体内部的缺陷相互作用，使晶体内部缺陷 移动到器件的非活性区，达到减少器件活性区的缺陷的目的。 关键字：位错，层错，缺陷，透射电镜，等厚条纹，等倾条纹，沉 积，界面 复旦土壁一觅t 牛_ 语文t e m 赛f 用通射电镜分撕硅中的缺陷，确耐 a b s t r a c t i no b s e r v a t i o no fs e m i c o n d u c t o r s d a m a g e a n dd e f e c t s ，t e m ( t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ) h a s au n i q u es u p e r i o r i t ya m o n ga l l o b s e r v a t i o ni n s t r u m e n t s t h em a i n i m a g et e c h n o l o g yi t u s e dw a s ：m a s s t h i c k n e s sc o n t r a s ti m a g e ，c o n t r a s ti m a g e ，d i f f r a c t i o nc o n t r a s ti m a g ea n d p h a s ec o n t r a s ti m a g e a m o n g t h e s et e c h n o l o g i e s ，h i g hr e s o l u t i o nt e m i m a g ew a sw i d e l yu s e db e c a u s ei t c a nd i r e c t l yr e v e a lt h ec r y s t a ll a t t i c e s t r u c t u r ei nr e a ls p a c e u s i n gt r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p y ，w e o b s e r v e dd i f f e r e n t k i n d so fs i l i c o nd e f e c t sa n di n d u c e dd e f e c t sd u r i n gi ct h e r m a lp r o c e s s ， a n de x p l a i nt h e s ep h e n o m e n at oac e r t a i ne x t e n t c o m p l e m e n t a r i l y ，w e a l s od i s c u s s e de q u a lt h i c k n e s sf r i n g ea n de q u a li n c l i n e df r i n g ei nt e m i m a g e ，w h i c h c a n h e l p u si ne x p l a i n i n gt h ed e f e c ts t r u c t u r e b a s e do nt h e a n a l y z i n g o nt h ed i s l o c a t i o n 、o x i d a t i o ni n d u c e d s t a c k i n gf a u l t 、s i s i 0 2 i n t e r f a c ea n dt h e o x y g e np r e c i p i t a t i o n ，w e f o u n d e dt h a tt h em o t i o no fd e f e c ti st ou n l e a s hi t so w ns t r e s sa n dr e d u c e i t sf r e ee n e r g ys ot h a ti tc a nb em o r es t a b l ei ns i l i c o n i ni cp r o c e s s ， t h e s ed i f f e r e n tk i n d so fd e f e c t sc a n j o i nt o g e t h e rf o ras t a b l es t a t e a sa n a p p l i c a t i o n ，w ei n t r o d u c e dac e r t a i nd e f e c ta sag e t t e r i n gs o u r c et og e t r i do ft h es i l i c o nd e f e c ti ni ca r e a k e y w o r d s ：d i s l o c a t i o n ，s t a c k i n gf a u l t ，d e f e c t ，t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p y ，p r e c i p i t a t i o n ，i n t e r f a c e 复旦土学研竟t 牛誊静文t e m 宾t 2 甩通射电饨分析硅干的缺格引言 引言 硅是集成电路制造中的基础半导体材料，高纯度的单晶硅是实现集成电路 制造的基本条件。v l s i 对硅的性质要求很高。如表一： 表一：i c 工艺水平的发展对硅材料的要求 首批产品年代工 1 9 9 51 9 9 71 9 9 92 0 0 22 0 0 52 0 1 4 艺水平n m 3 5 02 5 01 8 01 3 01 0 03 5 总体要求 圆片直径( m m ) 2 0 02 0 02 0 03 0 03 0 04 5 0 粒径( n m ) 颗1 2 0 1 2 5 9 0 6 5 5 0 1 7 5 粒数( 个片) 5 04 l3 89 57 21 6 5 表面关键杂质 0 8 8o 7 20 3 4 ( 1 0 ”a t c m3 ) 5 2 5 x1 8 局域平坦度n m 3 5 02 5 01 8 01 3 01 0 03 5 氧含量p p m a 2 42 0 3 11 9 3 11 8 - - 3 11 8 3 l1 8 - - 3 l 抛光片 c o p s 尺寸n m 密 1 2 5 1 3 l9 0 3 86 5 9 55 0 7 21 8 1 6 5 度( 个片) 体内f e ( 1 0 1 0 3 1 1x l 1 a t c m3 ) 4 4 2 8 2 2 o 4 o s f ( 个c m2 )2 0 7 3 11 51 10 ，2 复合寿命us 3 0 03 5 03 5 03 5 04 0 0 处延片 最小层厚um 2 53 42 32 32 3 缺陷( 个c m 2 、 0 0 0 80 ，0 0 70 0 0 60 0 0 4 o s f ( 个c m2 )o 0 1 5 o 0 1 30 0 1 20 0 0 8 说明：c o p s 颗粒缺陷：o s f l 一氧化诱生层错 由于硅晶体成长的环境杂质污染及热应力造成的缺陷，以及后续加工所造 成的缺陷都会留在硅晶体中，在i c 制造过程中，这些缺陷均会影响工艺的成品 量里史学研竟生牛土语文t h m 宾奎室 田吐射电镜分析硅中的缺陷引言 率及电学性质。但是缺陷并非一无是处，我们有时需要利用缺陷的些性质来 制造性能更好的产品。它可以用来作为吸除工艺的吸除源，通过加入杂质等， 可以有效的改变材料的电学性质等等。 所谓吸除( g e t t e r i n g ) 是指利用硅片中晶格缺陷来控制或消除其它缺陷，常 见的有三种：( a 、内部吸除法( i n t r i n s i c g e t t e r i n g ) 一l 用c z 过程中过饱和氧含 量在热处理后形成析出物造成的晶格缺陷，这些缺陷可以作为吸附其他杂质或 金属的吸附中心；( b ) 外部吸除法( e x t r i n s i cg e t c e r i n g ) 通过外在力量在硅片背 面形成各种缺陷，形成吸附中心来达到目的。常见的外部吸除法有机械研磨、 喷砂或加一层多晶硅( b a c k s i d ep o l y s i l i c o n ) ，不过这种方法在机械应力控制上及 其后续清洗上需要注意以避免硅片的变形或污染。( c ) 化学吸除法( c h e m i c a l e e t t e r i n 2 ) 它不同于用缺陷形成吸附中心来吸附，而是由金属杂质与含氯的 气氛( 如h c l ) 的化学反应来消除杂质缺陷。而这些只是对缺陷进行利用的一 个方面。可见，有效的对缺陷的性质和结构进行研究对于完善集成电路的工艺 和优化整个产品的性能有很重要的作用。而要研究缺陷的结构，最有效的方式 是透射电子显微镜( t e m ) 技术。 当集成电路工艺深入深亚微米量级时，t e m 技术对于集成电路的器件的分 析显得越来越重要。这是因为：t e m 的电子柬直接照射并穿透样品，在被照射 的区域，电子和组成样品的所有原子发生作用。相互作用后，电子带有丰富的 样品结构信息，在电磁透镜的作用下，成像于荧光屏。由于电子束的信息直接 反映了样品中的原子排列情况，因此t e m 的电子显微像不但能够反映样品的 形貌尺寸，对样品结构差别也非常敏感，它能明显区分单晶、多晶、非晶，能 观察研究祥品中位错、层错、晶界等品格缺陷。电子束透射到样品内部，同样 品内部的所有原子发生相互作用，像x 射线透视一样，把信息全部显现出来。 目前，商品透射电子显微镜的分辨率指标达到0 1 纳米。场发射电子源透 射电子显微镜已经能够提供小至纳米级尺寸的微区的形貌、微区的晶格结构及 微区的成分等综合信息。 当然，为了获得样品的结构的详细信息。样品的厚度也必须要到十分之一 微米左右。但是，如此薄的样品的制各是非常困难的【“。制样的周期比较长， 并且常常倚赖于熟练的经验与技巧。制样常常是t e m 分析技术的“瓶颈”。 t e m 可以有效的用来进行多层结构的分析。如果说，观察到芯片的多层结 构是显微分析的第一步，芯片尺寸的精确测量是显微分析的第二步，那么，显 微分析更进一步的要求可能是揭示微电子制造过程中在芯片里到底发生了什么 变化。在集成电路制造之初，原始硅片的品格完整性比较好。t e m 分析没有发 现什么晶格缺陷。经过集成电路加工工艺后，再用t e m 对其进行分析，发现 复蔓土学研宽生丰土论文t e m 襄f 甩谴射电镜分析硅中的姑陷 位错、层错、氧沉积及它们的复合物等许多晶格缺陷。应该说，经过每道工 艺，特别是经历高温的工艺，不只是多层结构变化了，各层尺寸变化了，而 且，品格完整性及杂质分布也变化了。这种变化不仅仅只发生在硅材料中，它 同时也发生在其它各种介质层中。这种变化与集成电路制造的成败及好坏，与 集成电路的可靠性与失效，与集成电路的性能都密切相关。而t e m 分析能同 时提供纳米尺度微区的形貌、结构、成分的详细的直接的信息。它是集成电路 研究、分析的非常重要的手段。目前，t e m 分析已经被越来越多的集成电路制 造者所重视。本论文叙述了我们用t e m 技术对于硅缺陷结构眭质的一些研 究，包括对于硅中位错，层错，界面，沉积的结构的观察与分析，以及硅缺陷 在工艺过程中的演化的分析，并通过分析指出了吸杂技术的原理。 t 卫 学叶电t 卓主话文t e m 宾j 室 田哇射电镜分析硅中畴缺陷第一郜分通射电镜畸蔗理理成缘 一、透射电镜的原理及成像 透射电镜的原理 显微镜的用途是将物体“放大”，假如物体上两个相隔一定距离的点，利用 显微镜把它们区别开来，这个距离的最小极限，即可以分辨的两点的最小距 离，就称为显微镜的分辨率，或者分辨本领。人的眼睛的分辨本领为0 1 5 毫米 左右，低于这个距离的两点，人眼将不能识别。根据光学理论，两个发光点的 分辨距离为 d ：些堡 式中：n 物镜与物体之问介质的折射率； a 半孔径角； a 光线的波长。 习惯上，用n a 表示n s i n a ，称为显微镜的数值孔径。 从式中可以看出，波长越短，孔径角越大，介质的折射率越大，分辨距离 越小，显微镜的分辨率也越高。通过采用高折射率的介质，例如在物镜和试样 之间加上松柏油( 它的折射率n = 1 5 1 5 ) ，此时若用可见光中波长最短的紫色光 ( = 4 5 0 n m ) 作为光源，光学显微镜的最小分辨距离( 即最佳分辨本领) 可以 达到d = 1 5 0 n m ，其有效放大倍数为m = o 1 5 m m 1 5 0 n m = 1 0 0 0 倍。 为了进一步提高分辨率，唯一可能是利用短波长的射线。比如用紫外线 ( = 2 0 0 3 0 0 n m ) 作光源，分辨率可以提高一倍。 1 9 2 4 年，德布罗意提出了这样一个公式： a ：旦，其中h 为普朗克常数； 在电子显微镜中，电子在强电场的作用下，电压为v 的电场中，对电子进 行加速，加速后的动能满足下式( 此时电子速度未考虑相对论修正) ： 三m y 2 ；e v 2 式中，m 及e 为电子的质量和电荷。联立，可以得到电子的波长公式： ；! 、2 e m v 代入物理常数1 1 1 ，e ，h ： 可以得到： 拈j 等= 等c 埃， i 里土学研览t 车土论文t e m 实叠室 一6 一 甩选射电忱分析硅中的缺陷弟一部分遘射电饨的原理反茂像 例如，当加速电压v = 5 0 k v 时，= o 0 5 3 6a ； v = 1 0 0 k v 时，e = o 0 3 7 0 1a 。 可见，电子显微镜的分辨率要比光学显微镜高许多，实际上，由于各种原 因，其分辨率可以达到光学显微镜的几千倍。电子束作为显微镜的照明光源， 除了具有波动性和较短的波长外，它还能使荧光物质发光，能使照片底片感 光。因此，和可见光一样，能够观察和摄取图像。不同的是，光学显微镜通过 光学透镜来形成图像。而要对电子束成像，则是通过电磁透镜实现的，因为电 子在通过电场和磁场时，受到洛伦兹力的作用，轨道发生弯曲，类似于光线经 过透镜发生折射。在光学显微镜中，要改变放大倍数，必须更换镜头。而在电 子显微镜中只要调节线圈中的电流就行了。电流的变化引起磁场强度的变化， 焦距和放大倍数也随之改变。放大倍数受到透镜线圈的电流控制。 用电子束照射样品，当样品足够薄的时候，电子可以穿透样品，在被照射 的区域电子与组成样品的所有原子( 原子核与核外电子) 作用，这个作用遵从 布拉格条件。相互作用后，电子带有丰富的样品信息，在电磁透镜的帮助下， 成像于荧光屏。由于电子束的信息直接反映了样品中的原子排列情况，t e m 的 电子显微像不但能够反映样品的形貌尺寸，对样品结构差别也非常敏感，它能 明显区分单晶、多晶、非晶，能观察研究样品中位错、层错、晶界等晶格缺 陷。下面我们简单介绍一下透射电镜的像的光学特征。 电子透镜像的特征 电子透镜有与玻璃透镜相同的光学特点。除了有聚焦、放大的作用外，还 有各种像差、像散，有一定的分辨本领、景深和焦深等。 球面像差 在光学显微镜里，由于透镜各部分的折射能力不同，物体上一点的光线通 过透镜后，不能聚焦在一点，而是形成一定大小的斑点。这种现象成为球面像 非近轴光线 豫面 泐 _ = 、 ， 、 二c s a 3 近辅光战 v 最小模糊圃 图1 - 1 透镜的球差 复旦土学叶竟生丰童话文t e i d 宾l l i , l r 用连射电饨分析硅中的硅陷摹一部分遘射电镜峙原理反崴位 差，简称球差。在电子透镜中，离光轴远的透镜边缘部分对电子束有着更强的 会聚能力，使边缘部分的电子会聚在靠近物的一方，结果使物体上一个点在像 平面上形成了一定尺寸的模糊圆斑。其半径为m c s i3 ，m 为透镜的放大倍数， c s 为球差系数，a 为半空径角。( 图1 - 1 ) c s 和磁场强度有关，磁场强度越大， 焦距越短，球差系数越小。 色差 色差是由于电子束中每个电子的速度不同，因而波长不同造成的。电子透 镜的焦距与电子的速度成正比。长波长的低速电子波成的像比较靠前，短波长 的高能电子波成像在后，( 如图1 2 ) 。在像平面上的像因为失焦而模糊不清。物 体上一个点的像是一个圆斑，半径为：c 。d 等，c c 为色差系数，d 为半孔 l 径角，竺为电子能量的波动，它是由于加速电压不稳、电子通过试样时的非 e 弹性散射造成的能量损失及透镜电流不稳定等因素造成的。c c 合透镜的磁场强 度有关，磁场强度越大，c c 越小。为了降低色差，必须提高电子的加速电压的 稳定性和透射电流的稳定性；另外，样品要尽可能的薄，这样可以减少非弹性 散射电子。 高速电子盼像 图1 2 透镜的色差 像散 由于透镜内孔和极靴孔不完全轴对称、极靴材料内部不均匀、极靴污染等 原因，在不同径向上焦距是不相同的，这个时候就会出现像散。此时可以通过 在物镜上加以消像散器，将透镜的磁场强度调节为轴对称的，以此来消除像 散。 景深和焦深 一个透镜无论如何完善，也只能将一个物点成像为一个圆斑。在聚焦的时 复卫太学竹竟t 丰土语文t b m 宾馨f 一8 一 用通射电镜分钎硅中畸缺陷第一部分遘射电饨畸原理反威他 候，可以有一定的范围，在这个范围内，电镜都可以清楚的进行分辨，该点的 像也不会发散。即在a b 之间的任意点无论怎样聚焦，其像不会变小。此时聚 焦是清楚的。距离a b 称为景深。 景深可以用下列公式来计算： 兰量t a n n ：堕，由于a 很，j 、 22 5 。t 酤。因此有d 。：堕。 a 澎 一一 图1 3 电镜的景深和焦深 其中d 是所要求的分辨率。d 为景深，景深越大，越容易聚焦清楚。 同理，在像方，在一定范围内移动屏幕，都可以得到清晰的照片，像点既 不会发散，也不会变小，像的清晰度是一样的。这个距离d f 即为焦深。如图1 3 所示，放大m 倍时，有 m 堕；生旦坚；生旦，可以得到焦深d ，：m 2 d 。 电子显微镜的分辨本领 实际中，电子显微镜的理论分辨本领是由衍射效应和球差所决定的，实际 中还要受到色差，像散，污染和电子图像以及电子噪声等因素的影响。 在加速电压u ：3 0 0 k v 时，最佳孔径角a = 6 x1 0 r a d ，其极限分辨率约为 2a 。薄样品在非相干光照明下( 即一般衍衬像条件下) ，由于r h 色差决定的分 辨本领优于3 0 a ，由球差决定的分辨本领约8 1 0a ，最终分辨率为3 0a 。在相 复旦土学啊竟生毕生语文t e mg l l l l 用透射电镜分析硅中的缺陷 第一部分蘧射电镜昭原理盘成缘 干光照明时，色差的影响比较少，再经过消像散等步骤，就只余下物镜球差为 主要问题了。经计算有r s = c 4 3 t 1a 实际情况会差一些。我们所用的p h i l i p s e m 4 3 0 的点分辨率为2 3a 。 透射电镜的结构 从整体看，透射电镜大体可以分为3 部分，电子光学系统、其他系统和辅 助系统。电子光学系统可以分为照明系统、样品室和成像系统( 图1 - - 4 ) 这几 个部分。其他的系统包括真空系统、电子线路系统和照相系统。辅助系统则包 括水、气、电、抗震、防杂电磁等系统。照明系统由电子枪和聚光镜组成。电 子枪的是电镜的最重要的部分。它要求发射的电子束的亮度高、电子源的尺寸 小、发射稳定度高。常用的灯丝有钨丝，六硼化镧等，以及性能更优良的场发 射电子枪，他们的性能各有差异，如表二所示。 照明系统的另一部分是聚光镜。它将电子束变细，并照射在试样上。通常 我们采用双聚光镜来使电子束进一步变细。物镜、中间镜和投影镜构成三级成 像系统，电子束通过样品后进入物镜，在其像面上形成第一个电子像。物镜的 像面是中间镜的物面，中间镜将物镜的像放大，成像在中间镜的像面上。同 样，中间镜的像面是投影镜的物面，投影镜将中间镜的像放大，成像在荧光屏 上，形成最终像。可见最终像经过了3 次放大，它的放大倍数为m 最终一m 自x m + m & 。真空系统的作用是使镜筒内部获得高真空。如果镜筒内真空度差， 将导致气体分子与高速电子相互作用，电子被随机散射，会降低像的反差；其 次，电子枪中存在残余气体，会产生电离合放电，引起电子束发射不稳定；残 余的气体还会导致灯丝的寿命降低，并污染样品。 表二：不同电子源的性能参数 电子源wl a b 6场发射 温度( k ) 2 7 0 0 k2 0 0 0 k冷3 0 0 k热1 8 0 0 k 亮度( a m p c m 2 ) 搽 。 一一o 。o ： l ? 相 镪衬京 机 长 f度 ? f h k l透射斑 图1 5 反射球作图法 一k = g 。自原点0 我们画一矢量一k ，以其端点c 为中心画球，反射球半径为 1 艏，反射球的边上和倒易点阵的交点就是可以满足反射条件的点。1 0 0 k v 时， 反射球半径1 卜2 7a ，比倒易点阵的间距大很多，因此可以将球面近似的看作 平面。( 图1 5 所示) 。 衍射花样可以用来测定晶体取向，通过点状分布的衍射图象，还可以用来 研究晶体的对称性、晶胞大小和形状以及晶体结构缺陷、相变等。 通过衍射花样可以知道样品的晶体学等信息，而通过t e m 的另外一种非 常重要的像，即衍射衬度像，可以得到样品的结构信息和表面形貌信息。通过 在物镜后放置一个光栏，有选择让不同的电子束透过，可以得到不同的衍射衬 度像，如图1 6 所示。 图1 - - 6 a 中，衬度光阑选择让0 级束( 透射束) 来成像，而把所有衍射束都 挡住。这个时候透射束强度减弱了( 与无衍射相比) ，像比背景暗，所以称之为 明场像。形成明场像的透射束比所有衍射束的强度都大，所以像最明亮，清晰 度也好。b 图所示是用光阑选择一个衍射斑点来成像。由于此斑点的电子离光 轴较远，引起的物镜像差较大，分辨率也不高：这可以通过偏转线圈把电子束 复主土学竹宽生年童论文t e m 宾簟室 甩谴射电镜分杆硅中曲矬陷摹一部分谴射电扼的再理反崴舷 物 入射柬 a 明场成像 b 暗场成像c 倾斜照明 暗场成像 图1 - - 6t e m 不同衍射成像 倾斜2e ，这时的衍射束刚好在光轴上，如强c 所示，从而可以得到分辨率很 高的中心暗场像。衍射束和透射束是互补的，衍射束强的地方，透射束弱，两 者成像的衬度相反。 解释衍衬像的最简单的理论是衍衬运动学理论，其前提是三条假设：柱体 近似、各级衍射束无相互作用、双束条件。在完整晶体( 不存在位错、层错和 晶界缺陷、但允许有某种程度的扭曲和弹性畸变) 的情况下，衍射束通过小柱 员d z 后下表面的振幄变化d o 。为： 椰。= 罟e x p - 2 m - ( k 一七) z d z 文 其中g 为消光距离，i 表示有7 c 2 的相位变化。由于 e x p - 2 a t ( k - k ) z 】= e x p 【_ 及话+ s ) ，z 】= e x p 【_ 2 a i s z 】 其中s 为偏移矢量，它几乎是平行于z 的。所以 中。= 妻j ：e x r - 陬。z ) 】出= 妻号掣e x p 卜廊r ) ，；如 = 善掣 从该式可知，当s 为常数时( 样品无扭曲和形变) ，i g 随样品厚度t 作周期 变化，此时为等厚条纹；若t 为常数，s 变化( 样品有形变) 时，产生等倾消光条 纹。由于样品的形变等是一种应变，它和应力是对应的。所以，等倾条纹可以 看作是应力场的衍衬像。这种直接观测方式对考察点缺陷与位错、层错和氧沉 王旦土学舛霄t 牛生论文t e m 宾t 室 一1 4 。 曜磕射电镜分析硅中的缺陷第一部分连射电镜曲原理反最f l 积的相互作用等很有帮助。对于明场像，它采用透射束成像，i t = l i g 。 上式考虑的是完整晶体，对于有缺陷的情况。我们需要考虑单胞相对于完 整晶体点阵中它的位置偏离位移r ，此时的衍射波振幅表达式为： 峄裂e x p 【- 捌( + g r ) 】应 g r 因子将决定该缺陷所对应的衍衬像的基本特征。 衍射运动学理论对晶体的透射电子显微照片提供了一种定性的解释。但是 只有在衍射波的振幅中。比入射波的振幅巾0 小得多时，它才是真正有效的。它 也只对薄晶体有效，当厚度t 大于 z 时，它才是有效的。然而实际通常使用 的晶体的厚度可以达到1 0 。，并且它还不能说明异常透射和异常吸收等现象。 此时我们需要利用衍衬的动力学理论来进行解释。 和运动学理论相比，动力学理论考虑了吸收效应以及透射柬和衍射束以及 衍射束之间的相互作用，因此得到的中。和审0 的表达式是相互耦合的。它对等 厚条纹的快速衰减、暗场像等倾条纹的不对称等衍射现象细节作出了合理的解 释。在对于缺陷的衬度的预测也和实际符合的很好。 高分辨率相位衬度电子显微像( h r e m ) 除了上述的两种衬度外，我们还可以相位衬度像。它是由透射束和一束或 者以上的衍射束同时通过物镜光栏参与成像的结果。此时物镜后焦面上的光阑 比较大，可以让两者干涉成像，形成一种反映晶体点阵周期性的条纹像和结构 像。高分辨电子显微像是相位衬度的一种，它需要准确的对中，使收集到的透 射波尽可能接近光轴，并和其他各级次衍射波一起进入光阑成像。 高分辨电子显微方法的最大优点是能够在实空间中直接观察晶体中局部地 明场方法 透射波衍射波 暗场方法高分辨电子显微方法 ( 轴向照明法) 图1 7 各种电子显微观察方法中物镜光阑插入的模式 复里上学竹电t 牛土论文t e m 宾摩室 裔。 国 用连射电钝分新硅中的缺陷第一部分蘧射电饨的原理反崴啦 方存在的结构，它可以观察不同材料问的界面特征。因此可以用来分析各种晶 体的结构，分析晶体中的位错、缺陷的精细结构等。它可以分为三类： 晶格像：图像提供晶体结构周期的信息，并有严格的对应关系。根据除透 射束外选取参加成像的衍射束的多少，图像上表现为一组或多组平行等距的条 纹。条纹的方向垂直于对应的成像衍射束倒易矢的方向。条纹间距等于该衍射 束代表的晶面间距。晶体中存在的缺陷，使图像上的条纹衬度出现异常，例如 中断、弯曲、甚至间距也发生改变。条纹像衬度对缺陷十分敏感。 结构像：这类图像既可以反映晶格周期，也可以反映晶体结构的更小的细 节，例如原子或者原子团的位置。 单个原子像：可以反映出孤立存在的原子。 复且上学竹竟t 牛 论文t e m 窑譬室 用遘射电镜分析硅中峙硅陷第二部分缺陷的结构与或俄 二、缺陷的结构与成像 缺陷的结构与性质 完美晶体的原子在空间作周期性的分布。它的全空间的所有区域都可以通 过个晶胞进行平移得到。b = n l a l + n 2 a 2 + n 3 a 3 。其中n 1 、n 2 、n 3 是切整 数，而a i 、a 2 、a 3 为晶体布拉菲点阵的三个不共面基矢。硅是金刚石结构，它 可以看成是一个面心立方结构在其 方向滑移了1 4 个长度。 完美晶体只是理论上的情况，由于在单晶硅的生长，切割以及后续的热氧 化等过程中都会引入大量的缺陷。按照缺陷的空间延展性，缺陷类型可以有： 点缺陷，线缺陷，面缺陷，体缺陷等。 常见的点缺陷主要是点阵空位、间隙原子、杂质原子和原子周期序列错位 等。通过点缺陷的相互作用还可能造成更复杂的缺陷，如点缺陷对、点缺陷群 等。 线缺陷即位错，它作为一种结构缺陷，直接影响到晶体的力学性质，如范 性、机械强度等，同时，位错也影响了晶体的一系列物理化学性质( 如晶体生 长、吸附、扩散等性质) ，它还会影响到晶体的电、磁、光、声、热等物理性 质。它和晶体中其他缺陷问的关系密切，它常常是其他缺陷的核心，并用来解 释其他晶体缺陷的生成。存在两种基本类型的位错，一种为刃位错，一种为螺 位错，以及上述两种位错并存的混合型位错。我们通过引入伯格斯矢量来表述 位错和晶格畸变之间的关系。 晶体中的面缺陷，按照面缺陷 两侧晶体间的几何关系，可以分为 三类，即平移界面、孪晶界面和位 错界面等三类。 平移界面是指界面的两侧沿着某 一点阵面平移，而界面两侧的结 构仍然为非点阵平移界面，( 图2 1 ) 。 i iii lllil iil llil 图2 1 平移界面示意图 典型的平移界面是堆垛层错。我们可以 把晶体看作是由原子密集面一层层堆积而成的。对于硅，它的密集面为 1 1 1 ) 。 它正常的堆积顺序为a b c a b c a b c 堆垛层错有两种基本类型：在堆积正常层序中抽去一层时，称为本征型层 错，如a b ca ca b c ；在堆积的正常层序中加入一层时，称为非本征 型层错，如a b c a b a c a b c 。 复旦土学叶竟生牛业静文僦宴f 用透射电钝分新硅中的缺陷 第二郜分缺陷的结构与崴像 对于孪晶界面，沿界面两侧的结构呈镜像对称关系( 图2 - - 2 ) ，并且这个 界面是两部分晶体的相同晶面，或者绕某一特定的公共点列( 晶轴) 相对旋 转，此时它的位移矢量随其距孪晶界面的距离发生线性的变化。对于硅， 1 1 1 ) d ( a ) 孪晶化前( b ) 孪晶化后 图2 2 面心立方晶体孪晶化前后， 1 1 1 ) 面原子组态示意图 面的正常堆积顺序是a b ca b ca b c ，若堆积顺序从某一层颠倒起来 进行堆积，如a b cac b ac b a 。 邻关系( 配位数和原子间距) 并没有改变。 低的界面能。 在单晶中，常常存在一些取向差别很小 的晶粒( 和多晶不同，多晶中颗粒之间的取 向差别很大) ，我们称这种取向差别很小的 晶粒间的界面为亚晶界，它是由一系列位错 所组成的( 图2 3 ) 。 不同耿向的晶体的界面称为晶界，当界 面处两侧晶体的晶格常数不相同时，称为非 共格晶界，它会产生严重的晶格失配。当两 种晶体的晶格常数相同时，沿界面有完全相 同或近似的原子排列，比如外延生长中的硅 界面，晶界处的失配主要来源于晶体的晶格 常数之问的微小差异。 生长出来的晶体往往还存在一些宏观和 亚微观的缺陷，这些缺陷也会影响晶体的各 种性能。由于杂质浓度和杂质的固溶度不 同，在冷却后，可能会出现杂志的过饱和 复卫上学研竞t 牛土论文7 毫浇赛i t 室 在孪晶界面上，所有原子的一级近 改变的是二级近邻关系。它具有较 - ：a i l li f ，r 1 l ll ji lr 1 1 jiir 1j jj 。 i。r l 雨 l ， 一 i 1 j i 【 _ f 上j 寻 i1 - jjj b e b 图2 3 对称倾斜小角度晶界的 结构 用遍射电镜分钎硅中的娃陷第二鄯分缺陷皓结构与最睡 现象，导致凝聚，引起微缺陷的形成。微缺陷根据其大小不同可分为4 种。a 类( 腐蚀坑直径3 0 u m 一1 2 0 u m ) ：b 类( 腐蚀坑直径3 u r n 一1 8 u m ) ；还有尺寸比a 类和b 团更小的c 缺陷( 直径0 3 u m 一3 0 u m ) 和d 缺陷( 直径0 9 u m 一1 0 u m ) 。 微缺陷的存在会使材料中的载流子寿命下降，在后续的制造工艺中还可以转化 为位错、层错及形成局部沉淀，从而造成微离子击穿或使p n 结反向电流增大 等，影响集成电路的成品率。 缺陷的成像 位错成像 在前文中我们已经提到，对于不完整晶体，我们需要考虑到单胞离开其正 常位置的位移r 。，取平行表面且过位错线的平面为x y 坐标面，位错线为y 轴，以右手螺旋确定z 平面，小柱体的位矢与x 轴夹角为书，则螺位错的位移 矢量为r = b 由2 ：对于刃位错，有两个位移分量，一个平行于b ( r 1 ) ，另一 个垂直于滑移平面( r 2 ) 。在垂直于位错的平面上的一点( r ，由) 处，有 耻扑+ s i n 2 0 ) l ， 耻五bl 2 1 ( 1 - 一2 巧v l i l 一硐c o s 2 0 其中v 是泊松比。将螺位错和刃位错的位移矢量联立起来，就可以得到一 股位错的位移r ： r 2 扣+ 坑筠叫为+ 稻” 其中b 。是位错的刃型分量。u 是沿位错线正方向的单位矢量，刃位错的消 光需要g 既垂直b 又要垂直于b x u ，实验中很难做到，一般只要满足了g - b = 0 这一条件，它的残余衬度将会很小，即为实际不可见条件，可以用来确定伯格 斯矢量。 如图2 - - 4 所示，位错的引入会使晶面弯曲，使原来与标准布拉格条件有一 定偏离的样品局部满足布拉格条件，而位错较远处晶面不弯曲，因此位错附近 衍射振幅大。右边表示中心暗场像，左边为弱束暗场像，可以预料，位错在明 场中呈暗线。 复丑土学研竟t 毕业论文7 窃r 宴l l t - 室 用透射电镜分计硅中的诀陷第二部分缺陷曲结曲与戊证 卜潮? 分 j 虢乡 ? f 2 0 i _ 一 i l 彤i a并i i i , i i i 形 一i i 一一 一 图2 4 位错的中心暗场像和弱束像 图2 5 为一刃位错的局部，下圆弧为反射球，倒易矢在球内。若要满足布 拉格条件，必须使g 逆时钟旋转，这样 才能和反射球相交，x 正侧相当于逆时 针方向，位错实际落在位错线的左侧。 反之，当s r ：i 三 36 复旦土学甘竟t 丰土论文馏肄寞室 用通射电镜分新硅中的缺陷第二椰分缺陷的结构与或像 我们考虑第一种： a ：乃瑶尺：幼k n + k b + + l c ；k + 6 + c 】；警胁+ 七+ f 】 根据消光条件，g 的指数h “必须全奇或者全偶，所以a 为2 7 c 或兰玎， 前者观察不到，后者可以观察到。可以计算出其强度分布，层错出现在t l 处， 根据柱体近似，振幅和强度分别是 驴萋护一出十z e - i a e - 2 “s z d z 2 去e 一。“e “s i n 丌0 1 b ) 例小卉【s i n 2 卜爷脊i n 纠腑+ 扣搬】 其中，2 z = t t 1 ，它等于由薄膜中心到 层错的距离。所以，强度分布是余弦形 式的条纹，随深度变化的周期为s ，并 且平行于层错和薄膜表面的交线。按照 这种近似，这种条绞类似于叠加在均匀 底背上的等厚条纹，并且，它们依赖于 t t 、s 和d 。这个衬度效应也可以用图2 7 所示的振幅相位图来表示，原来在一个 圆上移动的振幅在层错处突然转过2 7 c 3 ，到了另一个振幅圆上。图中p p 是 完整晶体的振幅，p p ”是缺陷晶 体的振幅。衬度将表现为平行于 层错和表面的交线的条纹。由于 层错像对g 的变化敏感，所以改 变所用的衍射平面，倾斜层错的 衬度变化较大，甚至完全消失； 但楔形晶体的等厚条纹在同样的 条件下不会变化太大，因此可以 以此来区分层错条纹和等厚干涉 条纹。 对于含有一些大的空洞 2 图2 6 完整晶体的振幅相位图 图2 7 层错晶体的振幅相位图 的晶体( 尺寸大于几个消光距离) ，如果在空洞的边缘是一个有厚度变化的晶 体，则在s g 。0 附近成像时可见到等厚干涉条纹。在s g = o 时，因为在含有空洞 的柱体内缺少散射电子的物质，所以大的和小的空洞都可见。又因为在s g = o 重量土考舛竞生卑宴论文僦宴室 罔透射电镜分嘶硅中的缺陷第二部分铀陷的结构与威f l 时空洞边缘的等厚干涉条纹是很强的。因此这些空洞显示出比背景更亮些或更 暗些地衬度。在s g 0 时，因为衍射波中存在一个相位移，相角= 2 ”t s g ( s g 是偏移参量，t 是空洞尺寸) ，所以空洞的可见性显得更强，其衬度取决于 空洞所在的位置以及s g 的值，或高于或低于背景强度。 小空洞的衬度对物镜的过焦或欠焦的程度非常敏感，像的大小和强度都随 焦距的变化而变化，对于2 0 n m 直径的空洞，衬度一般是亮的中心周围的暗 环。测量亮的中心的尺寸发现，与真实的空洞尺寸非常接近。 对于具有大应变场的颗粒的像衬度很复杂，其衬度与沉淀物的位置及s g 和 g 有关。其最重要的特征是有一条无衬度的垂直于g 的线，对靠近表面的颗 粒可以看到异常宽的像，通过动力学条件，可以通过这个衬度来获得颗粒产生 的应变场的性质。 对于间隙原子团这种类型的微沉淀，如果位置位于样品的表面附近，在 s g o 时也表现为黑白衬度，精确地测定缺陷地位置和黑白矢量的性质，即可 确定缺陷的性质。在s g 较大时，微沉淀呈现黑点，黑白特征消失。 弱束成像 当两个缺陷的间隔非常小时，就不能进行分辨。为了克服位错的衍射像线 条太宽( 8 0 一1 2 0 a ) 和距离位错芯太远( 8 0 1 0 0 a ) 的缺点，c o c k y n e 发展了弱束技 术”】【：i ，提高了t e m 的分辨率。其特点如下： 1 ) 在某偏离矢量为s 的条件下电子束射入试样，成像处b 有较大的应变，畸 变区域的晶面要转动以弥补偏移矢量引起的位相变化。晶面转动相应的偏移矢 量的增量为 厶：占塑一5 ，并有s + a s ：s + 占坚：0 ，结果相当于该处符合布拉格条 龙d z 件。这种大应变率的范围很小，而且十分靠近位错芯。因此弱束暗场的位错线 很细，可达1 5 a ，距位错芯的距离约2 0a 。 2 ) 因为是大偏离矢量入射( s o ) ，图像可用衍衬运动学来解释。 3 ) 使弱的衍射束平行于电镜中轴，球差较小，分辨率较高。弱束斑，用光 阑孔套住，作暗场像。一般位错像的宽度x 与偏移矢量满足关系 一箐j 十硐kl 即成反比关系。k 、v 为常数，为得到细的位错像，应取尽量大的s ，但s 过大强度过低，导致曝光时间过长( 曝光时间一般控制在1 5 2 0 s ，时间过 氏，由于仪器稳定性等原因效果反而不好) 。通常选取s 在9 2 a 的量级。 i 王土李j i 竞t 尊土静文，譬簿襄生室 甩通射电镜分杵硅中的赫陷第上部分理嬲对硅缺陷结袖曲观察与分杆 三、t e m 对硅缺陷的结构观察与分析 位错及层错的t e m 分析 位错是硅材料中最常见的一种缺陷，它常常伴随着其他类型的缺陷f 例如层错 等) 同时出现。这是因为，缺