STEM-EDS分析GaN晶体管栅极的元素分布

自硅基半导体作为一个规模庞大的产业发展起来后，集成电路单位面积上晶体管的数量增加趋势始终遵循摩尔定律。目前，硅基半导体中的关键尺寸（线宽或特征尺寸）已经降低到到 10nm 以下。相比于硅基半导体，化合物半导体如 SiC 和 GaN 基半导体可以满足更苛刻的工作条件（高击穿电场、高热导率、高电子迁移率、高工作温度等），具有更大的输出功率和更好的频率特性，市场需求方兴未艾。化合物半导体的应用场景面向射频、高电压大功率、光电子等领域，不追求硅基半导体级别的先进制程工艺。如GaN制程的基本线宽在0.25～0.50µm ，生产线以4英寸为主。

图1 电子束和样品的相互作用区域及逸出的信号

半导体器件结构的微细化演进对电子显微镜视野下的微区元素分析带来了很大的挑战。在电子显微镜中，电子束照射在观察区域上，形成水滴形的相互作用区域，如图1 所示。从该区域中会逸出多种信号，如观察表面形貌的二次电子（SE）、区分成分衬度的背散射电子(BSE）和分析成分的X射线。电子显微镜会配置不同的探测器来接收这些信号进行成像。能谱仪（EDS, Energγ Dispersive Spectrometer）以X射线为信号源分析微区成分分布。图1也显示，这几种信号源的深度不同，SE最浅，BSE次之，X射线最深。不同信号源的逸出深度可以解释同样条件下SE、BSE和EDS成像的空间分辨率差异。