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用XPS溅射深度剖面分析失效的新方法

用XPS溅射深度剖面分析失效的新方法

G. D. Davis, H. M. Clearfield, W. C. Moshier and G. 0. Cote

Martin Marietta Laboratories, 1450 South Rolling Road, Baltimore, Maryland 21227, USA

失效分析的方法和XPS溅射深度剖面在失效分析中的应用以三个例子说明:钛粘合剂、多层滤光片和欧姆接触。XPS溅射深度剖面补充了用AES获得的结果,对于非导电样品或易受电子束损伤的样品的失效分析至关重要。XPS溅射深度剖面还允许化学状态测定和改进定量,特别是对于不同元素的俄歇信号重叠的样品。

Ⅰ.简介

详细的失效分析,包括确定失效轨迹和失效原因或机理,对于复杂结构的生产、服务和改进,以及对加工过程和环境相互作用过程中发生的物理和化学的理解至关重要。在结构发生断裂或脱粘的情况下,表面的组成通常可以提供失效分析所需的信息。然而,在某些情况下,需要元素的深度分布来解决分析中的歧义或检查界面现象。俄歇电子能谱(AES)结合溅射深度剖面技术长期以来被用来获得这些信息

然而,对于某些样品,俄歇分析是不可能的-导电性差的样品表面充电会阻止获得有用的光谱,而电子束诱导的损伤会阻止对某些敏感材料的分析。这些样品的分析通常只能用x射线光电子能谱(XPS)进行。对于其他样品,XPS分析可能是首选,因为其优越的定量和化学状态测定。

然而,从历史上看,XPS分析与离子溅射并不兼容。与AES相比,XPS更严格的真空要求禁止在填充Ar的腔室中进行分析,以满足早期溅射离子枪的操作要求。因此,获得XPS溅射深度分布图需要对x射线源通电、获取光谱、切断x射线源电源、用Ar填充腔室、溅射并将腔室泵至其工作压力的循环程序。这项行动非常艰巨、耗时和昂贵,只有在绝对必要的情况下才会进行。

技术的最新发展和结合这些进步的设备的可用性增加,使得XPS剖面图更加快速和容易获得。差速泵离子枪允许分析室中的压力足够低,以运行x射线源,从而消除了上述循环回填和泵送程序。此外,小光斑XPS功能允许离子轰击更小的区域,从而提高溅射速率,而多通道检测可减少数据采集时间。这些进步的结合将获得XPS溅射深度剖面所需的时间从几天缩短到了一到两小时,这取决于所询问的总深度,并使得深度剖面几乎成为失效分析的常规。在本文中,我们给出了三个例子,其中XPS溅射深度剖面图对理解这个问题是必要的或非常有益的。这些例子还说明了失效分析中使用的一般方法。

Ⅱ.实验

我们选择使用钛附着体、光学滤波器和欧姆接触测试结构来演示XPS溅射深度剖面的实用性。钛试片表面处理后加热,然后进行粘结和抗拉强度测试。它的力量很小。需要XPS溅射深度剖面来确定失效的轨迹,并帮助建立失效机理。还获得了8个多层滤光片在湿度暴露过程中分层的深度剖面,以确定失效的轨迹和原因。最后,对接触测试结构的测量使我们能够识别和纠正GaAs调制掺杂场效应晶体管(modfet)高接触电阻的原因之一。

使用SSX-100-03型表面科学仪器对样品进行检查,该仪器包括一个具有多通道检测功能的半球形分析仪;一个单色聚焦的A1-Kor x射线源;以及一个Perkin-Elmer差分泵送离子枪。测量光谱是从初始表面获得的,在某些情况下,在溅射深度剖面的不同时间,使用600或300 pm的x射线点和150 eV的通过能量,对应于约1.4 eV的Au 4f7/2光电子峰的半最大宽度(FWHM)。

CAA-Ti失效表面在330°C下暴露165小时后以及随后的附着力试验后的溅射深度剖面图 

表1:CAA-Ti失效表面在330°C下暴露165小时后以及随后的附着力试验后的溅射深度剖面图:(a)金属侧;和(b)粘合面。深度分布图表明氧化物-金属界面出现故障。

样品与光谱仪电隔离,用低能电子流枪实现电荷中和。通过将不定烃的结合能标准化为284.6ev,对接收表面的光谱进行了残余电荷校正。一般来说,在溅射过程中,剩余电荷的变化范围为1-2ev。然而,分析不需要对这些变化进行进一步的修正。如果需要的话,使用50ev的通过能量获得了适当峰值的高分辨率光谱,而Au 4f7/2的半高宽为~1.0ev。

用 4 keV Ar+离子轰击离子在4x4mm区域上轰击样品,获得了Ta2O5,0.13nm·s-1的溅射刻蚀速率。利用测量光谱能量分辨率和300pm x射线点,在离子轰击交替的周期内,对每个感兴趣的光电子线进行窄范围光谱测量。光谱是在非扫描模式下拍摄的,这样多道探测器就可以同时从整个光谱区域积累数据。

利用积分(S形)背景减法,从测量或窄量程光谱中对每个元素的主光电子线进行峰面积测量,从而实现量化。使用仪器制造商提供的敏感系数进行量化。

Ⅲ.结果与分析

A、 钛粘合剂

对粘结性能较差的试验结构和零件进行失效分析,对于开发和生产坚固耐用的粘结结构至关重要。确定粘结试验中的失效点是确定粘结薄弱环节并加以改进的必要条件。同样,必须以最及时、最经济的方式分析生产故障。下面的一个钛环氧胶粘剂测试结构的例子说明了XPS深度剖面在胶粘剂粘接研究中的应用。

钛合金Ti-6Al4V用于高工作温度的粘接系统,因为它在高温下保持其机械性能。Ti-6A14V通常是在铬酸溶液(CAA)中通过阳极氧化制备的,其              结果形成130纳米厚的多孔非晶态氧化物。我们研究了这种氧化物和氧化物金属界面的长期耐久性,通过测试一个粘结的粘附物的拉伸强度,最初暴露在空气或真空中,在330到400℃的高温下。曝光和粘合测试在其他地方有更详细的描述。

所有阳极氧化钛制备的结构均表现出较高的抗拉强度,并在粘结层内失效。相比之下,环境暴露后产生的键在很小的拉力下失效。两个失效表面(“金属”和“粘合剂”侧)的XPS测量光谱相同;均显示Ti和0以及高浓度的C。这表明,失效发生在氧化物内部或金属氧化物界面(随后的天然氧化物覆盖金属),但没有指出故障的具体位置。碳信号可能是由不定烃或渗透到氧化层孔隙中的粘合剂引起的。

从金属和胶粘剂的失效表面获得了XPS溅射深度分布,以更精确地确定失效轨迹。如图1所示。在金属侧,Ti信号在离破坏面15nm内达到最终水平,C信号在5nm内消失。仅此深度分布就意味着失效发生在氧化物-金属界面附近(甚至是在界面上)。

从粘合面(图1(b))得出的深度分布证实了界面是失效轨迹。最初,C被迅速去除,Ti和0的浓度在30nm内保持相对恒定。然后,C和N信号缓慢上升,Ti和0信号相应减少。在150nm以下,C信号占主导地位。在之前的研究中,我们发现CAA氧化物在氧化物-金属界面上由一层30nm的阻挡层组成,覆盖着一个100nm的多孔蜂窝状结构。前30nm的稳定的Ti和0信号表示阻挡层,而在30-150nm深度处Ti和0的减少以及C和N的稳定上升表明粘合剂穿透了多孔氧化物。在150nm以下,浓度是典型的溅射蚀刻粘合剂。

我们的结论是,破坏发生在氧化金属界面,表面碳是不定的。(未粘合、暴露的粘附物的相似轮廓在界面处没有出现C升高。由于Ti-6Al-4V在高温下的相变而导致的金属氧化物界面破裂可能导致了观察到的失效。故障模式在别处有更详细的讨论。

多层滤光片示意图。A、 B和C表示基于测量光谱测量的可能失效位置 

表2:多层滤光片示意图。A、 B和C表示基于测量光谱测量的可能失效位置(图3)。

B、 光学滤波器

XPS分析的第二个例子是多层滤光片,在高湿度下会起泡或分层。在这种情况下,由于样品的绝缘性和对化学状态信息的需求,需要用XPS分析来确定失效的轨迹和原因。图2中的结构示意图显示了一系列由ThF4、ZnS和Sb2S3组成的蒸发层。德拉米层的两个互补面(“玻璃”面和“自由面”,图3)的测量光谱显示:(1)存在少量的常见污染(0,C,Na,CI);以及(2)破坏完全是一对ThF4和Sb2S3层之间的界面。i、 e.另一侧没有部件。高分辨率测量表明,每种元素都只存在于预期的化学状态,例如Sb和S只存在于+3和-2状态。分别。根据这些数据,失效轨迹可限定在图2中标记为A、B和C的三个界面中的一个。[如果沿着其他Sb2S3-ThF4界面发生故障,则应在基板(玻璃)侧发现ThF4层。

为了区分这三个可能的失效位置,并确定观察到的污染是固有的还是偶然的,从两侧获得了溅射深度分布图(图4)。沿着图2的界面A很容易识别出失效轨迹。此外,虽然这些元素不包括在这里,以减少这些复杂的概况混淆,概况表明,大多数污染显然是不确定的。在第一个溅射周期之后,C、Na和C1的浓度降到零,并且没有出现在失效的Sb2S3层的背面,也没有出现在本应相同的Sb,S3层的Sb2S3-ThF4界面上,在图4中,可以在玻璃(基板)侧溅射-40分钟后看到。由此,我们得出结论,这种污染发生在暴露于环境空气中的分层之后。

对O污染的分析就不那么直接了,因为O 1s线叠加在Sb 3d5/2上,而且XPS测量对Sb的敏感性比O高很多。(它们的敏感系数之比为-21。)为了解决这个问题,我们利用了没有暴露在大气中的等效Sb2S3层(在溅射时间为34到44分钟时出现)的存在。图5显示了这一层的Sb/O光谱。与用于建立曲线拟合参数的纯锑标准品的比较显示,埋置锑硫层的光谱中有一个小的O峰。(在对应于该层的剖面的每个周期中存在类似的O峰,但在对应于ThF4和ZnS层的周期中不存在类似的0峰。)尽管O峰强度较低,但它表明O浓度类似于Sb,表明Sb(O,S)的层化学。在彻底清洁蒸发室并消除潜在的O泄漏源后,过滤器没有分层,这表明Sb,S的部分氧化导致了故障。

C、 欧姆接触

n型GaAs的欧姆接触通常采用Ni-Au-Ge多层金属化(例如50 nm Au-35 nm Ni4O-nm Ge--80 nm Au)。“通过将结构加热到足以促进GaAs接触件合金化的温度来形成接触件。最近,一些器件的接触电阻增大。对加工过程变化的检查表明,使用两种不同类型的船蒸发锗层钼和涂有氧化铝的钼,以防止锗和钼之间发生反应。在随后对一系列试验装置进行的电气测量中,增加的接触电阻与铝涂层船。

为了确定电阻增加的原因,我们对沉积在硅衬底上的一系列交替的Ge-Au层进行了AES溅射深度剖面测量。“Ge层是从氧化铝涂层舟(第一层、第三层和第五层)或钼舟(第二层和第四层)蒸发的。图6所示的AES深度分布图表明,锗层中可能存在0污染,但几个俄歇峰的重叠使得使用峰间强度信号无法进行有意义的量化。整个结构中Au的浓度很高,包括最上面的Ge层和Si衬底。在整个Au和Ge层中也发现了类似的Si异常存在。根据这一概况得出的结论充其量只能是试探性的;对确定层状结构本身的信心有限。

使用XPS也获得了类似的溅射深度分布(图7)。它显示了一个明确的结构,尽管有些溅射诱导的原子混合随着溅射时间的增加而增加。更重要的是,这一曲线清楚地表明,在从氧化铝涂层船蒸发的锗层中没有污染,但在从裸钨船蒸发的锗层中没有污染。对污染层中锗峰的检测表明,大约十分之一的锗被氧化。

这些测量结果表明,锗可以在熔化和蒸发过程中与船上的氧化铝涂层发生反应。由此产生的氧化增加了接触电阻,从而降低了装置的性能。

 滤光片分层两侧(玻璃和自由)的测量光谱 

表3:滤光片分层两侧(玻璃和自由)的测量光谱。

Ⅳ.总结与结论

本文从粘接、光学、微电子等领域的三个实例说明了XPS溅射深度剖面在失效分析中的应用。在这三种情况下,XPS被证明是最适合分析的。在第一个例子中,测试了钛粘合结构的失效,粘合表面的绝缘特性排除了其他常用表面敏感技术的分析。光学滤波器也存在类似的情况。在这种情况下,XPS深度剖面还提供了其他技术无法获得的化学状态信息。在金锗多层结构的情况下,不同元素的光电子峰分离使原子浓度的测定比原子发射光谱法更好。后两个例子说明了XPS在识别非故意或生产故障的轨迹和机制方面的能力。在这三种情况下,XPS溅射深度剖面提供了对理解环境相互作用的物理和化学至关重要的信息。

仪器和软件的最新进展大大缩短了获取和分析XPS溅射深度剖面所需的时间。这些进展将AES和XPS溅射深度剖面的采集时间差异从一个或两个数量级减少到同一分析区域的2到3个因子。此外,使用xps溅射深度剖面,易受光束损伤的试样可能更容易和更有信心。因此,预计XPS溅射深度剖面将很快成为许多失效分析问题的常规程序。

滤光片失效面图 

表5:与埋置的Sb,S,层相对应的三维区域。小的O 1s峰代表O浓度,与锑相当。

Ge-Au测试结构的AES溅射深度剖面 

表6:Ge-Au测试结构的AES溅射深度剖面。一些俄歇峰的重叠阻止了使用峰对峰测量进行有意义的量化。

Ge-Au测试结构的XPS溅射深度剖面 

表7:Ge-Au测试结构的XPS溅射深度剖面。改进后的量化结果显示,交替Ge层中的污染为0。


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