应用分享丨Nexsa G2小束斑+特色SnapMap快照成像功能分析SnOₓ成分半导体器件

01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。

本文将通过赛默飞最 新一代XPS表面分析平台Nexsa G2，对半导体器件表面形成的窄条形SnOx成分进行小束斑+特色SnapMap快照成像测试，展示如何通过设备小束斑+成像功能，快速全面分析这类特殊小尺寸半导体器件表面成分及其在面内分布情况，来辅助评估表面处理效果及器件质量。

02样品情况、测试方案及测试设备

样品如下图1所示，为表面喷金形成的金箔，对金箔进行处理，中间形成了窄条形的SnOx成分，尺寸约22um（宽）╳193um（长），需要确定SnOx具体成分及其是否在金箔中有扩散，来辅助评估器件质量及表面处理效果。

图1 SnOx成分半导体器件示意图

由于形成SnOx成分区域的尺寸较小，测试时采用小束斑XPS测试+SnapMap快照成像解决方案：

小束斑XPS测试：采用10um束斑，直接聚焦到窄条形区域，可快速得到样品表面元素及其化学态信息，辅助确定SnOx具体成分。

SnapMap快照成像测试：Nexsa G2成像速度快，可快速得到样品表面元素及其化学态在面内分布信息，辅助评估SnOx成分分布及其扩散情况。

样品采用赛默飞Nexsa 系列最 新表面分析平台Nexsa G2进行测试。Nexsa G2是一款自动化程度高、小束斑性能优异；同时，也可实现多技术联用的高性能、高效率表面分析平台。设备特色的SnapMap快照成像功能，成像测试速度快，可实现高效成像分析。设备如下图2所示。

图2 赛默飞Nexsa G2 XPS产品

03

SnOx成分半导体器件小束斑XPS+SnapMap快照成像测试结果分析

3.1

SnOx成分半器件小束斑XPS测试结果分析

由于形成SnOx成分区域的尺寸较小，为快速分析此区域表面元素及化学态信息，采用小束斑（10μm），直接聚焦到样品窄条形区域进行测试，SnOx成分区域表面XPS测试数据如下图3所示：

图3 SnOx成分区域表面小束斑XPS测试谱图及定量结果

由上图SnOx成分区域常规XPS数据，可得到如下信息：

由O1s谱图，可看到此区域表面氧元素表现出不同化学态，主要为C-O/C=O污染成分和Sn-O成分。比较氧元素中Sn-O成分和氧化态锡元素相对含量，可看到：

原子百分比（At%）：

Sn(Oxide):O(Sn-O)≈1:2，可判断SnOx成分主要为SnO2。

此区域表面含较多Au元素。

此区域表面含较多C元素，可判断表面有一定程度污染。

3.2

SnOx成分半导体器件SnapMap快照成像测试结果分析

为分析形成SnOx成分的分布及扩散情况，采用小束斑（10um），选择Sn/Au/O元素进行SnapMap快照成像，成像区域大小：250μm╳250μm。元素成像图如下图4所示（成像图颜色以热图模式显示）。

图4 Au/Sn元素成像图及叠加图

由上成像图，可快速得到Au/Sn元素在面内分布情况。颜色越亮，表示对应成分含量越多：

分析Au/Sn元素成像谱图，可直观看到Au、Sn元素在面内分布区域互补。

分析Au/Sn元素成像谱图叠加，可直观看到Au、Sn两元素在面内分布情况；同时，可快速判断形成的SnOx成分没有出现明显扩散情况。

此外，对Au/Sn/O元素成像图进行了进一步处理。在成像谱图中，选10um╳10um的小尺寸区域，直接聚焦到Au/Sn元素分布特征区域回溯成谱，将成像图转化成XPS谱图，可快速分析不同区域元素及化学态差异，辅助进一步确认SnOx成分及其扩散情况。Au/Sn/O元素成像图不同区域回溯成谱，如下图5所示。

图5  Au/Sn/O元素成像图不同位置回溯成谱

由上图，分析Au/Sn/O元素成像图不同位置回溯成的XPS谱图，可直观看到：

SnOx成分区域表面检出明显Sn元素信号；同时，此区域也含有一定量Au元素。由Au/Sn/O元素不同化学态含量表格，可看到Sn(Oxide):O(Sn-O)≈1:2，进一步确定SnOx区域成分为SnO2。

Au元素区域表面未检出Sn信号，说明SnOx成分在此区域没有出现明显扩散情况。

为进一步判断SnOx成分在与Au分布区域交界处是否存在扩散情况，对Sn元素成像图进行线扫描处理，将成像图转化成Sn元素计数率随距离变化图，如下图6所示。

图6 Sn元素成像图线扫描

由上图Sn元素线扫描图，可直观看到SnOx成分在Au/Sn交界处也没有出现明显扩散情况。说明对Au箔处理后，处理效果好，形成SnOx成分的窄条形区域质量好。

04 小结

本文通过赛默飞最 新一代XPS表面分析平台Nexsa G2对金箔表面处理形成SnOx成分的小条形区域进行小束斑XPS+SnapMap快照成像测试，得到了丰富的样品信息。

小束斑XPS测试：Nexsa G2，可实现束斑大小10~400um连续可调，小束斑下也具有极 佳测试灵敏度，保证测试谱图质量。对于这类特殊小尺寸样品，直接选择小束斑，聚焦到小尺寸区域，可快速得到样品表面元素及其化学态信息。通过这些信息，可辅助快速判断样品表面处理形成的SnOx成分为SnO2。

SnapMap快照成像测试：Nexsa G2特色SnapMap快照成像功能，可实现高效成像测试，快速得到不同元素及化学态在面内分布信息。通过分析Au/Sn/O元素成像图，可进一步确定SnOx成分为SnO2；同时，可确定SnOx成分没有出现扩散情况，说明样品表面处理效果较好，形成SnOx成分的窄条形区域质量好。