应用分享 | XPS成像功能分析氮化硅器件

1 前言

近几年来，随着国内科技产业的不断升级，对微电子器件的需求日益增加。特别是高科技产品的快速发展，比如智能手机、电脑、无人机、新能源汽车、智能机器人等，对高性能微电子器件的需求更是呈指数级增长，这使得微电子器件自然而然就成为人们研究的热点材料。在微电子器件的研究中，通常需要对微电子器件表面进行各种加工、改性处理，来使其具有不同的性能。由于X射线光电子能谱仪（XPS）是一种表面分析技术，随着商业化XPS设备的普及，其在微电子器件研究中的应用越来越广泛，逐渐成为微电子器件研究中不可或缺的分析手段。

微电子器件在生产制造中，会涉及到不同种类硅材料的应用。例如：

①单质硅晶圆是集成电路生产制造的基底材料。

②二氧化硅（SiO₂）材料具有良好的绝缘性质，其常被用作金属—氧化物场效应晶体管（MOSFET）中的栅极氧化层材料；

③氮化硅（Si₃N₄）材料具有硬度大、抗氧化性和耐腐蚀性强等性质，其常被用作集成电路中的掩膜、阻挡层、芯片表面钝化层、保护膜等。此外，Si₃N₄还可用于制造硅基光子电路器件。

微电子器件表面中硅材料往往呈现着丰富的化学态形式，科研人员需要了解材料表面元素及其化学态分布，来辅助评估研究微电子器件性能及质量。本文将通过赛默飞XPS设备，对表面经过处理的Si₃N₄器件进行成像测试，展示如何通过设备成像功能快速得到材料表面Si元素及其不同化学态在面内分布情况。

2 样品情况、测试方案及测试设备

样品如下图1所示，为表面处理过的硅片，表面不同区域形成Si₃N₄；Si元素表现出不同化学态，需要了解不同化学态Si元素在样品表面分布情况，辅助评估器件质量及表面处理效果。测试时采用常规XPS+成像测试方案：

①常规XPS测试：快速得到样品表面元素及其化学态信息

②成像测试：快速得到样品表面元素及其化学态在面内分布信息

图1 表面处理过的硅片材料

样品采用赛默飞ESCALAB 系列最新表面分析平台QXi进行测试。ESCALAB QXi具有优异的成像性能；成像方式为平行成像（XPI），具有极佳的空间分辨率。设备如下图2所示。

图2 赛默飞ESCALAB QXi XPS产品

3 氮化硅器件常规XPS+成像测试结果分析

3.1 氮化硅器件常规XPS测试结果分析

为对样品表面元素及其化学态信息进行整体评估，采用大束斑（900μm）对样品表面进行常规XPS测试，测试数据如下图3所示：

图3 氮化硅器件表面常规XPS测试谱图及定量结果

由上图样品常规XPS数据，可快速得到如下信息：

①样品表面Si元素表现出不同化学态。结合N元素谱图，可判断处理后硅片表面形成Si₃N₄。同时，样品表面含较多SiO₂，这说明样品表面单质硅可能发生一定程度的氧化。

②样品表面含较多C元素，可判断表面有一定程度的污染。

3.2 氮化硅器件成像测试结果分析

为分析硅片表面形成Si₃N₄的分布情况，对不同化学态Si元素进行成像测试，成像区域150μm╳150μm，如下图4所示（成像谱图颜色以灰度图形式显示）。

图4 不同化学态Si元素成像谱图

由上图成像谱图，亮度越亮，表示对应成分分布越多。分析成像谱图，可直观看到不同化学态Si元素在样品表面分布区域明显不同。样品表面处理后，单质硅和Si₃N₄分布区域互补。

为进一步评估硅片表面处理效果及样品质量，将不同化学态Si元素成像谱图叠加，得到两种化学态在面内分布图，如下图5所示。

图5 不同化学态Si元素成像叠加图

由上图不同化学态Si元素成像叠加图，可清楚直观看到不同化学态Si元素在面内分布情况。样品表面处理后，形成的Si₃N₄区域大小基本一致（约15μm╳15μm），在面内分布也比较规整均匀，可判断表面处理效果较好，样品质量较好。

4 小结

本文通过对表面处理后的硅片进行常规XPS+成像测试，得到了丰富的样品信息。

Ø  常规XPS测试：快速得到样品表面元素及其化学态信息。通过这些信息，可快速判断样品表面处理后形成了Si₃N₄成分。

Ø  成像测试：快速得到不同化学态Si元素在样品表面分布情况。通过这些信息，可快速分析出Si₃N₄区域大小一致，分布规整均匀，样品表面处理效果较好，样品质量较好。