蔡司SEM技術助力半導體製程創新與GaN功率元件突破
- 鄭宇渟／台北
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近年來，以氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料功率元件，以其優越的高臨界電場強度和導通狀態下的通道導電性能，快速融入快充配件及消費電子品產業，並成為多款手機和平板電腦的標準配備。隨著元件性能的持續提升以及新能源汽車的蓬勃發展，GaN功率元件迎來了嶄新的應用場景。
然而，第三代半導體元件的製程不容小覷，多以磊晶方式堆疊，使得磊晶層之間以及磊晶層與基板之間存在顯著晶格常數差異。為了達到高品質的磊晶，製程中必須精準控制應變，以降低表面差排密度。然而，這個過程難免會有疏漏，因此在第三代半導體元件的研發過程中，準確定位差排等缺陷變得不可或缺，對於製程的優化至關重要。
在這關鍵的背景下，穿透式電子顯微鏡技術嶄露頭角，提供高解析度的缺陷資訊。然而，穿透式電子顯微鏡的樣品製備流程複雜，通常需要依賴FIB定點切割，再加上其有限的觀察視野，對晶體缺陷的研究受到極大的限制。特別是在第三代半導體材料的磊晶製程中，差排等缺陷將沿著磊晶方向延伸至表面，因此迫切需要一種非破壞性的表面缺陷分析技術，以滿足元件開發的需求。
磊晶層分析再創高峰，蔡司SEM-CL與ECCI技術助力製程效能提升
在這個前瞻領域，蔡司掃描式電子顯微鏡（SEM）技術引領著新的突破。通過陰極螢光（SEM Cathodoluminescence；SEM-CL）和電子通道對比成像（Electron Channeling Contrast Imaging，ECCI）技術，蔡司SEM為我們提供了非破壞性且高效的缺陷分析方法，極大地提升了磊晶層分析的效率，同時進一步提高了後續元件製程的良率。
SEM-CL技術利用電子束對樣品表面進行能量激發，由於缺陷和基板的能態差異，導致放出不同波長的光子，這種光子被捕獲並清楚地顯示了磊晶中產生的缺陷。此外，SEM-CL技術還能夠同時分析半導體材料的光學特性，使得分析更加全面。與之相對的，ECCI技術在數據採集效率和圖像解析度方面更為優越，能夠提供奈米級別的解析度，實現對材料內部奈米級缺陷的準確觀察。
ECCI利用入射電子束和晶格表面之間的夾角，實現小角度偏移，進而引起背散射電子產額的劇烈變化。這種原理使得僅有數十奈米大小的缺陷在屏幕上展現出強烈的對比，讓使用者能夠清晰地觀察材料內部微小的缺陷。
在過去，掃描式電子顯微鏡在缺陷分析方面受限於腔體大小，主要僅能提供破片分析。然而，蔡司電子顯微鏡的獨特之處在於其腔室可容納高達8吋的晶圓，使得分析過程無需裂片，待檢測的晶圓可以直接置入腔室中。這項突破性設計意味著分析過程不僅效率更高，而且能夠降低分析成本。同時，蔡司電子顯微鏡所提供的SEM-CL和ECCI技術，綜合展現出以下優勢：
非破壞性檢測：樣品僅需平整，無需經過複雜的製備流程，即可進行缺陷分析。
高解析大視野成像：蔡司電子顯微鏡提供32k x 24k的高像素圖片，能夠在廣泛的範圍內進行高分辨率觀察。
多類型缺陷區分：不同類型的缺陷，如差排、疊差、摻雜等，均可以進行準確的區分。
這些優勢使得蔡司掃描式電子顯微鏡成為解決第三代半導體材料缺陷分析的理想選擇。特別是對於特定取向的晶格、應力集中區以及失效裂開區域，ECCI技術只需通過常規的樣品製備，無需依賴FIB技術定點製備薄片樣品即可進行觀察。同時，由於磊晶層表面極為平整，晶圓可直接放入顯微鏡腔室中進行檢測，無需進行繁瑣的前處理，使得樣品在檢測後仍能夠進行後續實驗或製造。
數據驅動的自動化，蔡司顯微鏡方案的優勢與應用
此外，蔡司解決方案不僅可以快速檢測晶圓表面缺陷，還能夠通過蔡司ZEN軟體進行缺陷統計分析。隨著晶圓尺寸的增大，人工進行大規模差排統計變得極為困難。然而，蔡司的ZEN軟體結合機器學習功能，能夠自動標記缺陷區域，實現自動化的差排密度統計。這一過程僅需將圖像導入軟體，即可獲得數據，並且能夠進一步調整製程參數，加速產品開發效率。
作為全球領先的顯微鏡供應商，蔡司所推出的光學顯微鏡、X光顯微鏡和電子顯微鏡影像能夠相互連結，為用戶提供更全面的解決方案。蔡司的掃描式電子顯微鏡技術可以用於對未通過SEM-CL和ECCI檢測的晶圓進行定點分析。
以往使用者需要在高倍率電子顯微鏡下尋找光學顯微鏡所觀察到的缺陷或特徵點，而通過關聯顯微鏡技術，光學影像可以作為電子顯微鏡的導航資訊，使得定點分析更加輕鬆。而獨特的X光顯微鏡技術則可以非破壞地觀察材料內部微米級的失效。藉由蔡司顯微鏡方案，使用者可以同時獲得光學、電子顯微鏡以及材料內部缺陷資訊，為缺陷分析開啟新的視野。如欲瞭解更多，歡迎來信。
