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Chemische Zusammensetzung von Halbleiter-Interconnects

Die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS oder EDX) der Standardklasse mit 30mm² aktiver Detektorfläche kann in konventionellen Rastertransmissions-elektronenmikroskopen (STEM) innerhalb weniger Minuten Elementverteilungsbilder mit nm-Auflösung liefern. Voraussetzung ist, dass der Detektorkopf klein genug ist (in schlanker Slim-line-Ausführung), sodass sein Abstand zur Probe möglichst gering ist (für einen hohem Raumwinkel, aus dem Röntgenstrahlung erfasst werden kann) und der Detektor so hoch wie möglich über der Probe positioniert werden kann (für einen hohen Abnahmewinkel). Ein hoher Abnahmewinkel hilft, Abschattungs- und Absorptionseffekte zu vermeiden.

Konventionelle (nicht Cs-korrigierte) STEM, nachgerüstet mit Standard-EDS (30mm² Detektorfläche und Leichtelementfenster), erreicht 0,09 sr Erfassungsraumwinkel bei 22° Abnahmewinkel und wurde verwendet, um die Elementverteilung in Halbleiter-Verbindungen zu erfassen und zu analysieren (Abb. 1). Die EDS-Daten wurden quantitativ nach der Cliff-Lorimer-Methode analysiert. Die Berechnung theoretischer Cliff-Lorimer-Faktoren in der ESPRIT-Software basiert auf folgenden Informationen:

  • umfangreiche und ständig aktualisierte Atomdatenbank mit Werten für Streuquerschnitte und Fluoreszenzerträge
  • Geometrie von Detektor und Probe
  • Informationen zur Quanteneffizienz des Detektors

Innerhalb einer Probenserie, deren Proben unter den gleichen Bedingungen untersucht werden, kann die Cliff-Lorimer-Methode unter Verwendung theoretisch berechneter Faktoren und relativ zu einer als Referenz ausgewählten Probe aus dieser Serie eine Genauigkeit von wenigen Atomprozent erzielen. Die EDS-Daten zeigen deutlich Tantal und Titan in der Ta- und TiN-Zwischenschicht sowie die Kupfer- und Wolframfüllung (Abb. 2). Das Titansignal kann vom Stickstoffsignal getrennt werden. Si, Ta und W können ebenfalls gut getrennt und korrekt zugeordnet werden (Abb. 3).

Abb. 1: High Angle Annular Darkfield (HAADF)-Abbildung einer Halbleiterstruktur. Die Probe wurde mit freundlicher Genehmigung von Synergie4 zur Verfügung gestellt.
Abb. 2: Daten extrahiert aus einem 355 Pixel x 678 Pixel großen Elementmap, Erfassungszeit: 15 min. Links: Netcountdarstellung einiger relevanter Elemente. Mitte: Quantitative Analyse von Ta mit 4x4 Pixel Binning. Rechts: Ti-Verteilung mit 8x8 Pixel Binning.
Abb. 3: Trennung von Si-, Ta- und W EDS-Elementlinien in ESPRIT.