ARTICULO TECNICO / TECHNICAL PAPER

Observación de Secciones Transversales de Dispositivos Serniconductores con el Microsco-pio Electrónico de Barrido .

José Folgueras Méndez y Magali Estrada del Cueto

Instituto Central de Investigación Digital (ICID), Ciudad ·deLa Habana, Cuba.

ElMicroscopio Electrónico de Barrido -MEB- se utiliza ampliamente en aplicaciones relacionadas con los dispositivos semi-conductores. Una de estas es la observaci6n de perfiles en los cortes transversales dé las capas de distintos materiales que for-man el dispositivo. En este trabajo se ha aplicado el método del clivaje para obtener secciones transversales de las muestras,seguido de un proceso de mordido químico para resaltar los contornos. Se describe el método de preparación de las muestras yse presentan algunos de los resultados obtenidos en circuitos integrados complejos,

Sem Observation of Cross Sections in Semiconductor Devices

The Scanning Electron Microscope -SEM- is widely used in several applications regarding semiconductor devices. One ofthese is the observation of cross sectíons which supplies information on the edge profiles of the different layers that form thedevice. In thíswork cross sections of complex integrated circuits have been obtained viasample cleaving, foJlowed by a chemi-·cal etch. The sample preparation method i~ descríbed and sorne results are shown.

INTRODUCCIÓN

Los procesos tecnológicos sucesivos a que sesomete una oblea de silicio durante la fabricación deun circuito integrado con alto nivel de integraciónproducen en ella estructuras formadas por capassuperpuestas de diferentes materiales, que son some-tidas a la acción de procesos de mordido, húmedos osecos. Debido a esto se producen bordes o perfilescaracterísticos en1ascapas, que pueden ser utilizadoscomo indicadores de las características de los proce-sos de mordido y permiten detectar anomalías, biendurante el proceso de fabricación o en dispositivosterminados,

Cuando se dispone de dispositivos especiales,incluidos en "chíps" de prueba en cada oblea, esposible empleados con el fin antes mencionado. Sinembargo, para el análisis de circuitos terminados,donde no existen estructuras de prueba, es necesarioutilizar los dispositivos individuales que formanparte del circuito. Un ejemplo vívido de esto, cono-cido para todos los que trabajan en el campo de lamícroelectrónica, es la investigación de los fallos y delos mecanismos ·que los originan.

Como es conocido, el Microscopio Electrónicode Barrido -MEB- resulta útil y en muchos casosimprescindible para este tipo de análisis.

El MEB ha sido empleado con anterioridad parala observación de secciones de dispositivos semicon-ductores [1], [2]. En un trabajo reciente, Wilson [2]describe los dos métodos típicos para preparar estetipo de muestras: el clivaje empleando un láser y eldesbastado mecánico.

En el presente trabajo sus autores han utilizadoel clivaje sin láser para la observación de secciones dedispositivos semiconductoresde diverso tipo, perte-necientes a circuitos integrados complejos. A conti-nuación se explica el método de elaboración delas muestras y se muestran algunos .resultados ob-tenidos.

PREPARACION DE LAS MUESTRAS

Como muestras se emplearon circuitos integra-dos comerciales que 1.bían presentado fallas du-rante su empleo en síst mas electrónicos. Después.de extraído el "chip" e su envase se sometió a undesbastado por su cara posterior, con el doble propó-sito de eliminar los restos del eutéctíco con queestaba soldado y disminuir su espesor a menos de10'0 ¡.tm. .

Posteriormente se limpiaron empleando agua yfrotándolas con un cepillo suave, enjuagándolas en

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LatinAmerican [ournal o/ Metaflurgy and Materials. VoL 3. N° 2. 1983

agua abundante. Después de realizado el clivaje lasmuestras fueron introducidas en una solución deHF:HN03:H20 en la proporción 1:50:40, a tempera-tura ambiente y bajo las condiciones de iluminaciónnormales del laboratorio. El tiempo de permanenciaen la solución se varió hasta 2 minutos, obteniéndoseresultadossatisfactorios- 'para tiempos entre 30 se-gundos y 1 minuto. Al extraerse de la solución lasmuestras se enjuagaron en agua abundante y se seca-ron al vado para ser observadas al MEB.

En la Fig. 1 se muestra un dibujo con el soporteutilizado para elmontaje de lasmuestras, que puedenfijarse a la cara 1 para la observación de la superficiedel circuito o a las caras 2 o 3 para observar la seccióntransversal producida por el clivaje. En estos dos últi-mos casos el haz de electrones del MEB incide verti-calmente sobre la sección transversal, 10 que facilitasu observación.

Fig. 1. Esquema del soporte metálico utilizado para el montajede las muestras en el MEB.

RESULTADOS OBTENIDOS

Acontinuación se muestran algunos de los resul-tados obtenidos tratando una memoria EPROMcomercial.

En la Fig. 2 se muestra un corte de la/celda dememoria, formada por un transistor MOS con doblecompuerta de polisilicio. Se distinguen claramentelas zonas de conductividad N correspondientes aldrenaje y la fuente del transistor, la compuerta flo-tante, la compuerta exterior que selecciona la celda ylas capas de Si02• Es observable el mayor tamaño delos granos de polisilicio en la compuerta flotante,sometida a más procesos térmicos de alta tempera-tura que la compuerta exterior.

Fig. 2. Corte transversal de una celda de memoria EPROM.1 y 2: drenaje y fuente, 3: substrato de silicio, 4; com-puerta flotante, 5: compuerta exterior.Aumento: 15000 X, 20 kV.

Un corte de una zona donde las dos compuertasestán situadas sobre Si02 con un espesor mayor de 1p.m se muestra en la Fíg. 3. En la foto son visibles lasdos compuertas, la capa interna de vidrio fosfosilica-

Fig. 3. Corte transversal mostrando la línea de palabra sobreóxido grueso. 1: SiOl, 2: substrato de silicio, 3: com-puerta flotante, 4: compuerta exterior (línea de palabra),5: vidrio fosfosilicatado, 6: SiO" 7: aluminio.Aumento: 3750 X, 20 kV.

tado, las capas de Si02 y una línea de aluminio. Se haseñalado con una flecha la zona del extremo de lasdos compuertas superpuestas.

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Fig. 4. Detalle de la zona señalada con una flecha en la Fig. 3.Aumento: 37500 X, 20 kV.

En la Fig. 4 puede verse esta última zona, conmayor aumento, para un corte semejante al mos-trado en la Fig. 3. Tanto en la Fig. 2 como en la Fíg. 4

se observan las formas características de los extre-mos de las compuertas de polisilicio, dependientesdel proceso de fabricación y los procesos de mor-dido empleados.CONCLUSIONES

Se ha descrito uri 'proceso mediante el cual esposible obtener secciones transversales de los dispo-sitivos semiconductores de un circuito integradopara su análisis con el MEB.

De esta forma son visibles las distintas capas quecomponen el dispositivo y es posible realizar medi-ciones de los efectos de los procesos de mordidosobre los bordes de las capas, bien durante 10$proce-sos de fabricación de los circuitos o en circuitosterminados.RECONOCIMIENTOS

Los autoresdesean expresar su ageadecírniento alaLic. Blanca Tormo y a laDra. TeresaRodríguez porlas facilidades brindadas para el uso del MBMdel Ins-tituto de Oncología y Radiología.

BlBLIOGRAFIA

1. E. S. Meiren, T. l. Kamins, Solid State Electronics, 16(1973),545.

2. C. L. Wilson, Solid State Electronícs, 23 (1980), 345.

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