X射线光电子能谱技术（XPS）在半导体领域的应用

X射线光电子能谱技术（XPS）原理

X射线光电子能谱技术（XPS）是电子材料与元器件显微分析中的一种先进分析技术，它不但为化学研究提供分子结构和原子价态方面的信息，还能为电子材料研究提供各种化合物的元素组成和含量、 化学状态、分子结构、化学键方面的信息。它在分析电子材料时，不但可提供总体方面的化学信息，还能给出表面、微小区域和深度分布方面的信息。 另外，因为入射到样品表面的X射线束是一种光子束，所以对样品的破坏性非常小，这一点对分析有机材料和高分子材料非常有利。

X射线光电子能谱技术（XPS）设备

以下以全自动、成像型多技术X射线光电子能谱仪——AXIS SUPRA+作为示例，展示XPS在半导体领域当中的应用。AXIS SUPRA+集样品全自动传输、全自动分析、智能数据采集处理于一体，体现了便捷性；拥有多种X 射线源、大半径双层能量分析器，杰出的荷电中和技术，使其获得了最优异的性能；通过丰富的硬件接口和灵活的软件接口，具备了多种功能附件和完善的表面分析技术。

X射线光电子能谱技术（XPS）在半导体领域的应用

XPS检测半导体表面污染

XPS是检测半导体表面的检测方法之一，半导体晶片在保存放置过程中，免不了要受到环境气氛的氧化或者污染，在使用晶片进行外延生长或加工器件之前，表面的清洁至关重要。XPS由于表面灵敏度高，且为无损检测，因此检测之后还可继续用于后续的使用。

半导体器件失效分析

“金手指”是指电脑硬件如内存条上与内存插槽、显卡与显卡插槽之间等进行电信号传输的介质，金手指涂敷工艺不良或由于使用时间过长导致其表面产成了氧化层，均会导致接触不良，甚至造成器件报废。

单晶硅表面被氧化污染后出现SiO2

硅片表面分布岛状SiO2的XPS成像，Si(绿色)、SiO2(红色)

岛津高能Ag靶表征GaN半导体材料

GaN可作为蓝绿光半导体材料，XPS分析该材料时，要注意Ga的俄歇峰对N 1s峰的干扰，单色Al靶测试时，Ga LMM对N 1s的干扰最为严重；双阳极Mg靶测试时，该干扰并不能完全消除；使用岛津高能Ag靶测试时，则可以得到完全分离的N 1s结果。

岛津高能Ag靶分析GaN材料

高K介电常数介质材料（用做栅极）分析

半导体业界常利用高K介电常数介质材料HfO2来代替传统SiON来改善栅极漏电流问题。使用XPS角分辨功能，对HfO2栅极氧化物多层结构进行分析可获得栅极氧化物的结构及厚度。

HfO₂栅极氧化物表面结构分布及结构示意图

由于X射线光电子能谱的表面灵敏度以及优秀的化学状态分析能力，已广泛应用于大规模集成电路芯片、计算机硬盘、光盘等领域的研发、工业化生产检测中。通过XPS成像技术对半导体期间微区表面元素进行分析，能够清楚地了解各元素在期间表面的散布，结合污染元素的组成以及化学的状态进行有目的的排查，能够有效对器件的质量和失效机制进行解析与把控，有效对污染和器件材料失效进行控制，达到对产品技艺的优化。