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NanoAnalysis | Blog
半導体分析のためのEDSの紹介

31st March 2021 | Author: Dr Sam Marks

ムーアの法則とは、2年ごとに集積回路内のトランジスタの数が2倍になるというものです。 これは50年近く前から、同じスペースで製造できる半導体デバイスの小型化を目指す半導体業界の原動力となっています。 1970年代に10μmだったMOSFETのノードは、2020年には5nmにまで微細化されていますが、これは現代の技術進歩の賜物です。 半導体デバイスは、さまざまな材料を介して電子輸送を行うため、半導体デバイス内にどのような元素が存在するかを定量的に把握し、その元素のスペクトル画像を取得してクリティカルな厚さを測定することが重要です。

3kVのSEMで収集された層間剥離NANDデバイス。

これらの測定は、分析対象サイズと必要な分析レベルに応じて、走査型電子顕微鏡(SEM)または透過型電子顕微鏡(TEM)を使用して行われます。 エネルギー分散型X線分析装置(EDS)は、材料の特性を把握し、材料層の厚さを測定し、誤った材料を特定することができるため、この分析に不可欠な要素です。 EDS分析では、サンプルをバルクSEM、STEM-SEM、S/TEMの3つのカテゴリーに分類することができます。

バルクSEM

 

バルクSEM分析では、サンプル全体またはサンプルの一部(例えば、ウェーハの断面)を調査します。 部品の小型化に伴い、電子顕微鏡とEDSマップの両方の空間分解能を最適化できる低加速電圧 EDS分析が増えてきました。このようなサンプルには、Ultim® Extreme 検出器をお勧めします。この検出器は、短いワーキングディスタンスで動作するように最適化されており、X線計数率を犠牲にすることなく、より高い空間分解能を得ることができます。バルクSEM分析の主な限界は、空間分解能であり、バルク材料のX線相互作用体積から、一般的に10nm以上の対象物に制限されます。

Ultim Extremeを使用したバルクの層間剥離NANDデバイスの3kV EDSマッピング。EDSマップには20nmの構造が明確に見られ、SiとWの間でピーク分離が成功していることがわかります。

STEM-SEM

 

STEM-SEM分析は、SEM技術の向上、使いやすさ、取得までの時間などから人気が再燃している中間的な技術です。 STEM-SEMでは、TEMで分析できるのと同じように、通常100nm以下の厚さの電子線透過サンプルが必要です。 最も一般的なサンプルの準備方法は、FIB-SEMリフトアウトを行い、関心のある領域をターゲットにして、FIBで電子線透過性を高めるために薄膜化することです。 サンプルの準備ができたら、STEMサンプルホルダーにセットし、再びFIB-SEMやSTEM機能付きSEMにセットします。 STEM-SEMでは、30kVという高い加速電圧で動作させることができ、また試料の電子線透過性によって相互作用体積による分解能の低下が解消されるため、スペクトルイメージングの空間分解能が大幅に向上し、5nm以上の構造のマッピングが可能になります。 Ultim® Extreme  Ultim® Max 170 は、STEM-SEMシステムと組み合わせることで、強力な分析ソリューションを提供します。

半導体デバイスからFIBで切り出した断面のSTEM-SEM EDSマップ。サンプルの厚みが薄くなったことで、5nmの構造がはっきりと現れています。

TEM

TEMは原子分解能のスペクトルイメージングが可能な、倍率の高い究極の分析装置です。 しかし、これは最も時間のかかる複雑な分析プロセスであることが多く、高度なサンプル前処理ルーチンや重要な顕微鏡ビームアライメントを必要とします。 TEMでは、厚さ100nm以下の電子線透過性のある試料が必要で、最大の試料サイズは直径3mmの円盤です。 TEMは半導体の研究開発において重要な役割を果たしており、高解像度の画像やEDSマップを提供することで、正確な化学組成や重要な寸法を特定することができます。 Ultim Max TLE検出器は、このアプリケーションに最適化されており、顕微鏡あたりの最大立体角を達成し、ウィンドウレスで軽元素の感度を高め、M2Tとして知られる強化されたTEM定量化ルーチンを備えており、吸収補正された定量化とサンプルの厚さの測定を可能にしています。

5nm以下の半導体デバイスへの移行が進むにつれ、デバイスの誤差が小さくなり、高解像度の電子顕微鏡やEDSの必要性が高まっています。 このブログでは、3つの主要なEDS分析タイプの基本的な違いを説明しました。EDSと半導体アプリケーションの詳細については、 アプリケーションノートライブラリ をご覧いただくか、以下のリソースにアクセスしてください。

Ask me a question Sam Marks

Dr Sam Marks
TEM Product Manager

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