电子束辐射导致的氮化硅降解及其对半导体失效分析的影响：原位透射电镜的研究

根据方程（1），与电压相关的 Emax 如图 5 所示。在 200 kV 下，Si 和 N 原子的 Emax 分别为 15.63 eV 和 31.41 eV。根基文献报道，氮化硅中Si和N原子的阈值位移能分别约为11~13 eV和21~27 eV[7]。因此，200 kV的高能电子辐射可以通过高能电子的弹性正面碰撞导致氮化硅材料中的Si和N原子直接位移。

2.2.2     电子束辐射引起的热损伤的可能性

热损伤是电离损伤中一种。对于非弹性电子散射引起的电离损伤，它涉及从高能入射电子到目标原子的显诸的能量转移。大部分传递的能量最终可能会转化为样品内的热能，导致局部温度升高，从而导致电子辐射区域出现热损伤。

基于Fisher和Jencˇicˇ等人的模型，[22-23]SixNy薄膜中电子束辐射引起的温升可以通过方程（2）来估计，

2.2.3 电子辐射引起辐射分解损伤 （radiolysis）的可能性

辐射分解损伤(radiolysis damage)也是由于非弹性电子散射过程引起的。根据材料的成分和化学键合性质，它会导致材料发生多种物理和化学变化。它可能发生在有机和无机化合物中，导致化学键解离、原子位移、结晶度损失、质量损失（材料升华）、材料扩散和相变[14、17-19]。

D. G. Howitt等人对不同加速电压下TEM高聚焦电子束辐射在氮化硅薄膜材料中的钻孔过程进行了详细研究 [7]。他们的结果表明，通过电子束辐射在氮化硅中钻孔主要归因于电子碰撞损伤造成的直接原子位移。我们假设 200 kV 高能电子束对连锁损伤具有类似的关键作用。尽管如此，非弹性电子散射导致的辐射分解也有可能导致氮化硅薄膜的辐射损伤，包括有形成趣的气泡状缺陷，以及辐射实验中观察到的 N 和 O 扩散行为。这将在下面进一步讨论。

2.2.3    电子束辐射加快ONO结构中材料扩散

基于上述讨论，我们排除了电子辐射引起热损伤的可能性，并证实弹性碰撞损伤可能是NVM单元中氮化硅工艺层辐射损伤的关键因素。然而，由于辐射实验是在TEM模式下进行的，其中电子辐射本质上是平行束照射模式下进行的。因此，碰撞损伤引起的原子位移应该具有各向同性，将在电子束照射区域中的所有氮化物工艺层上全局发生。因此，直接碰撞损伤无法解释ONO中氮化物层的持续变薄现象，以及图2和图3中所展示的氮化物spacer层中间出现气的泡状缺陷。

就电子辐射引起的氮化硅快速扩散而言，如上所述，由于电子束辐射导致的局部温度最高仅为 9.8 oC 左右。因此，热效应不可能引起如此快的氮化硅扩散速率。我们怀疑这种氮化物扩散引起的减薄和气泡状缺陷的形成是由高剂量电子束辐射下的辐射增强扩散（RED）效应引起的。

图7所示的结果证实了这一点。在电子辐射开始时，ONO介电层被很好地区分，并且EELS图显示了明确的氧化物-氮化物-氧化物界面，如图7(a)所示。在电子束流为 10.31 nA 的电子辐射约 7.5 分钟后，图 7 (b) 中的 EELS 面扫和线扫描显示 N 从氮化物层扩散出来，并在氧化物和多晶硅层间的界面偏析 。电子辐射11.8分钟后，N和O发生严重扩散，ONO结构被完全破坏，从而导致氮化物层和两层氧化物层完全混合，如图7（c）中的O和N EELS面扫图所示。以上结果表明，高剂量电子束辐射不仅会导致弹性碰撞损伤，还会导致O和N原子的快速扩散。这种原子扩散行为很好地解释了ONO中氮化物减薄速率的线性的时间依赖性，如图3和图4所示。以上的结果可以归因于所谓的辐射增强扩散（RED）效应，类似的RED效应也是广泛报道发生在其他材料系统中。[14, 27-28]

上述结果表明，200kV高剂量电子辐射不仅导致原子扩散，而且导致N元素的质量损失。这种现象可能归因于氮化物spacer层有相对较大的厚度。一方面，电子辐射引起的RED效应促进了N原子向spacer层两侧扩散。另一方面，对于那些在spacer层中间被电子辐射轰击出的N原子，由于氮化物spacer层的厚度较大，它们不能及时扩散出去。相反，它们凝结在一起并扩散到表面，最后蒸发掉，导致氮损失，进而导致气泡状缺陷的形成。这种质量损失过程类似于卤化物材料中的卤素损失，即基于电子辐射形成双卤素离子（H中心）。[17-19]

在这项工作中，我们研究了电子辐射对典型 NVM 单元结构中氮化硅薄膜工艺层的影响。结果表明，高剂量电子辐射可以对氮化硅薄膜工艺层造成快速辐射损伤，同时改变氮化硅的微观结构和化学成分。电子辐射引起的氮化硅工艺层的连续减薄和气泡状缺陷微结构的形成归因于Si-N键的断裂, 原子位移，点缺陷的形成，以及RED效应。

在对具有氮化物薄膜工艺层的半导体器件进行TEM失效分析时，我们需要谨慎对待TEM物理失效分析的过程以及与氮化硅相关的失效分析结果的解释。否则，电子辐射引起的微观结构和相变可能会给出一些与某些关键半导体结构（例如上面讨论的 ONO）相关的误导性结果。为了获得与氮化硅材料相关的真实材料表征和失效分析的结果，我们应该利用低剂量TEM技术。这对于捕捉氮化物工艺层的真实物理特征至关重要。有了这些作保障，我们才可以真正建立其物理表征和半导体器件电性和可靠性失效之间的关联性，从而达到失效分析的目的。

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