掃描電鏡與一般光學(xué)顯微鏡相比，具有以下特點：焦深大，視場調(diào)節(jié)范圍寬、圖象立體感強，分辨率高以及通過收集電子束與樣品作用而得到樣品材料結(jié)構(gòu)和物理特性的信息。這些特點對于分析微電子材料和器件來說具有更為突出的效用，因而它在微電子材料和器件分析中的應(yīng)用越來越廣泛。本文主要介紹掃描電鏡在微電子技術(shù)中應(yīng)用。
(1)質(zhì)量監(jiān)控與工藝診斷
硅片表面沾污常常是影響微電子器件生產(chǎn)質(zhì)量的嚴(yán)重問題，為了查清沾污的種類、來源，以清除沾污，就必須對沾污物進(jìn)行檢查和鑒定。硅片沾污物種類繁多，有太氣中灰塵、加工硅屑、水中鈣鹽、人的毛發(fā)、皮屑、各種纖維、金屬屑等。按照沾污物的形態(tài)，結(jié)構(gòu)和成份，對它們分類和鑒定。掃描電鏡不僅分辨率高，可以清晰地顯示沾污物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，而且可以用EDX在觀察形態(tài)時，分析這些沾污物的主要元素成份。因而SEM已成為檢查表面沾污的標(biāo)準(zhǔn)工具。在硅片表面殘留的涂層或薄膜用光學(xué)顯微鏡很難檢查清楚，用SEM檢查，即使它是均勻薄膜，也能顯示其異質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
器件加工中，SiO、PSG、PBSG等鈍化層臺階的角度，臺階上金屬化的形態(tài)是關(guān)系到器件的成品率和可靠性光學(xué)顯微鏡早已不能滿足檢查所需的分辨率、只有SEM才是有效的檢查手段。我國江南無線電器材廠已將SEM檢查金屬化的質(zhì)量作為例行抽驗項目。美國早在1975年已制訂了SEM檢查金屬化的標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)IC的加工線條進(jìn)入亞微米階段，為了生產(chǎn)出亞微米電路所需的精密結(jié)構(gòu)，許多設(shè)備工作在誤差為5％或l0的水平上。若線寬為7500^，控制lO％誤差的范圍為750A，控制5誤差范圍為375^。相應(yīng)的線寬不確定度要求為375A和188置。這表明工藝控制精度必須在nm數(shù)量級。而光學(xué)的顯微鏡線寬測量誤差極限為0．311m。根本不能滿足要求，因而必須采用SEM進(jìn)行檢查。表二為1985年美國不同線寬器件制造時所用的線寬測量儀器。
(2)器件分析
對器件進(jìn)行分析是對器件的設(shè)計，工藝進(jìn)行修改和調(diào)整的基礎(chǔ)。器件分析包括器件的尺寸和一些重要的物理參數(shù)，如結(jié)深、耗盡層寬度、少子壽命、擴散長度等。利用SEM可以完成許多工作，分析時使用最多的是二次電子圖象和束感生電流象。通過二次電子象可以分析器件的表面形貌，結(jié)合縱向剖面解剖和腐蝕，可以確定Pn結(jié)的位置，結(jié)的深度。
利用束感生電流工作模式，可以得到器件結(jié)深，耗盡層寬度，MOS管溝道長度，還能測量擴散長度，少子壽命等物理參數(shù)。用類似于測量耗盡層寬度方法，對MOS場效應(yīng)管，分別在源、漏加電壓(另一端接襯底)的情況下，電子束對場效應(yīng)管進(jìn)行掃描，從得到的二條束感生電流隨線，就可得到此場效應(yīng)管的溝道長度。這種方法特別適用于lP-m以下的短溝道器件，因為常用的金相法已不再適用。
束感生電流法測量擴散長度時，對P—Il結(jié)加上脈沖電子束，那么，P—n結(jié)附近某點的束感生電流I和該點與電子束注入點內(nèi)距離x，有著以下的關(guān)系：
I（x）=Imexp[-x／L]
式中L為擴散長度，I為束感生電流的最大值。如得到I和x的關(guān)系隨線，就可得到擴散長度L。而通過L=還能相應(yīng)得到其少子壽命T。
(3)失效分析和可靠性研究
SEM是失效分析和可靠性研究中最重要的分折儀器，它的各種工作模式都在失效分析和可靠性研究中發(fā)揮了巨大作用。
相當(dāng)多的器件的失效與金屬化有關(guān)。通常存在金屬化層的機械損傷，臺階上金屬化裂縫，和化學(xué)腐蝕等問題。對于超太規(guī)模電路來說，金屬化的問題更多，出現(xiàn)電遷移，金屬化與硅的接觸電阻，鋁中硅粒子，鋁因鈍化層引起應(yīng)力空洞等。SEM的二次電子象有分辨率高，景深遠(yuǎn)，有明顯立體感等特點，是觀察研究金屬化的理想手段。
有時，失效器件的電測量結(jié)果說明內(nèi)部開路，但一般檢查中找不到開路的位置，這時可采用電壓襯度，找到失效點再用其他方法作進(jìn)一步分析。
對于有漏電流大、軟擊穿，溝道、管道等電性能方面問題的器件，一般不能從表面形貌上找到失效點。SEM中的電壓襯度和泉感生電流為我們觀察與Pn結(jié)有關(guān)的缺陷提供了有效的分析方法。
正常P—n的束感生電流圖是均勻的。而當(dāng)P—n結(jié)中存在位錯或其他缺陷時，這些缺陷成為復(fù)合中心。電子束產(chǎn)生的電子、空穴，在這此缺陷處迅速復(fù)合，因此P—n結(jié)的束感生電流圖中，在缺陷位錯處出現(xiàn)黑點、線條或網(wǎng)絡(luò)。這樣，束感生電流圖可用于分析P—n結(jié)中存在的位錯等缺陷。
CMOS器件的閂鎖效應(yīng)(1atch—up)，是嚴(yán)重影響CMOS電路安全使用的失效機理。在分析研究閂鎖效應(yīng)時，需要知道在整個電路中，哪些部分發(fā)生了閂鎖現(xiàn)象，需要有一種能指出閂鎖發(fā)生處的方法。SEM中的靜態(tài)電壓襯度和閑頻電壓襯度是=種適用的方法。發(fā)生閂鎖效應(yīng)時，有關(guān)寄生晶體管呈導(dǎo)通狀，大電流流過寄生pnpn通道中的阱與襯底，造成在P阱里有較大的電位升高，同時11襯底的電位降低。這種電位變化在SEM的靜態(tài)電壓襯度和閑頻電壓襯度工作模式中，發(fā)生變化處圖象的亮度也隨之發(fā)生變化，因而可以較方便地分辨出來。
(4)光電材料器件的分析
近年來，作為信息傳輸中重要一環(huán)的信息顯示設(shè)備得到很大的發(fā)展。顯示設(shè)備中大量采用小巧的固態(tài)顯示器代替CRT類老式顯示器。固態(tài)顯示器中發(fā)光二極管是重要的一環(huán)。發(fā)光二極管的失效往往是表面發(fā)光區(qū)上有一些黑點、黑線，使得發(fā)光=極管的亮度下降或不發(fā)光。由于發(fā)光二極管往往用于大型高分辨列陣中，單個器件很低的失效率也是不可接受的。為此要對這類器件和有關(guān)材料進(jìn)行分析。掃描電鏡的束感生電流和陰段熒光兩個工作模式非常適用于這類分析，前者可用于分析發(fā)光二極管，后者可用于分析半成品及其初始材料。對一些發(fā)光=極管的分析表明，發(fā)光二極管光區(qū)中的黑點和黑線是因為
在這個區(qū)域存在位錯，這些位錯成為非輻射復(fù)合中心。位于N區(qū)的復(fù)合中心，減少了注入到P—n結(jié)的電子，使得發(fā)光=極管的亮度下降或不發(fā)光。
測量光電材料的陰陂熒光頻譜及其強度，可對材料的成份及其隨工藝的變化進(jìn)行研究，通過熒光亦可觀察材料中的缺陷。
