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聚焦離子束顯微鏡應(yīng)用介紹

隨著半導(dǎo)體電子器件及集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，器件及電路結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，這對(duì)微電子芯片工藝診斷、失效分析、微納加工的要求也越來(lái)越高。FIB - SEM雙束系統(tǒng)所具備的強(qiáng)大的精細(xì)加工和微觀(guān)分析功能，使其廣泛應(yīng)用于微電子設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域。

基本原理：

FIB - SEM雙束系統(tǒng)是指同時(shí)具有聚焦離子束（Focused Ion Beam，F(xiàn)IB）和掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）功能的系統(tǒng)，如圖1。可以實(shí)現(xiàn)SEM實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)FIB微加工過(guò)程的功能，把電子束高空間分辨率和離子束精細(xì)加工的優(yōu)勢(shì)集于一身。其中，F(xiàn)IB是將液態(tài)金屬離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過(guò)加速，再聚焦于樣品表面產(chǎn)生二次電子信號(hào)形成電子像，或強(qiáng)電流離子束對(duì)樣品表面刻蝕，進(jìn)行微納形貌加工，通常是結(jié)合物理濺射和化學(xué)氣體反應(yīng)，有選擇性的刻蝕或者沉積金屬和絕緣層。在常見(jiàn)的雙束FIB-SEM系統(tǒng)中：電子束垂直于樣品臺(tái)，離子束與樣品臺(tái)呈一定的夾角，工作的過(guò)程中需要把樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)至52度位置，此時(shí)離子束與樣品臺(tái)處于垂直狀態(tài)，便于進(jìn)行加工，而電子束與樣品臺(tái)呈一定的角度，可以觀(guān)測(cè)到截面內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。                       

應(yīng)用一：截面分析

運(yùn)用離子束刻蝕或氣體增強(qiáng)刻蝕，F(xiàn)IB技術(shù)可以精確地在器件的特定微區(qū)進(jìn)行截面觀(guān)測(cè)，形成高分辨的清晰圖像，并且對(duì)所加工的材料沒(méi)有限制，同時(shí)可以邊刻蝕邊利用SEM實(shí)時(shí)觀(guān)察樣品，截面分析是FIB常見(jiàn)的應(yīng)用。這種刻蝕斷面定位精度*，在整個(gè)制樣過(guò)程中樣品所受應(yīng)力很小，制作的斷面因此也具有很好的完整性。這種應(yīng)用在微電子領(lǐng)域具體運(yùn)用場(chǎng)合主要有：定點(diǎn)觀(guān)測(cè)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；失效樣品分析燒毀的具體位置并定位至外延層；分析光發(fā)射定位熱點(diǎn)的截面結(jié)構(gòu)缺陷。如圖3(a)所示為FIB制作并觀(guān)測(cè)的芯片斷面圖，圖3(b)為利用SEM實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)FIB加工過(guò)程的功能所觀(guān)察到的介質(zhì)層空洞缺陷圖像。     

圖3. FIB-SEM雙束系統(tǒng)制作并觀(guān)測(cè)的芯片斷面圖

應(yīng)用二：透射電鏡樣品的制備

透射電子顯微鏡（TEM）由于具有*的分辨率，對(duì)樣品制備有著*的要求，通常樣品厚度需要小于100nm，才可以被電子束穿透，用于觀(guān)測(cè)。FIB由于具有精密加工的特性，是用來(lái)制備TEM樣品的良好工具，其制備過(guò)程如下圖4：在電子束下找到制備樣品的位置，樣品表面鍍上Pt作為保護(hù)層，把樣品的前后部分均挖開(kāi)，形成一薄片，再把底部和側(cè)邊挖斷之后用Easylift針把樣品提取出來(lái)，放置在銅網(wǎng)上。再通過(guò)離子束對(duì)樣品再進(jìn)行減薄，減薄至100nm以下，減薄工藝關(guān)系到能否得到高質(zhì)量的TEM樣品，首先值得注意的是樣品太薄容易折斷，其次由于樣品是用高能離子束減薄而成的，高能離子束的轟擊會(huì)使樣品表面產(chǎn)生非晶層，不便于TEM觀(guān)察。因此在后的減薄工藝中要特別注意離子束束流的選擇，盡量減小對(duì)樣品的損傷。

圖4. FIB-SEM雙束系統(tǒng)制備TEM樣品的過(guò)程

應(yīng)用三：線(xiàn)路修補(bǔ)

在芯片制造過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)流片得到的樣品沒(méi)有達(dá)到預(yù)期功能的情況，而重新設(shè)計(jì)版圖和流片的成本高、周期長(zhǎng)，不利于及時(shí)反饋和驗(yàn)證。因此，可以利用FIB高精度刻蝕和沉積金屬膜以及絕緣層的功能，來(lái)修改線(xiàn)路連接（圖5），可以極大地縮短反饋周期，節(jié)省成本。在線(xiàn)路修補(bǔ)中，GIS（氣體注入系統(tǒng)）輔助功能尤為重要，合適的輔助氣體可以提高效率和成功率，達(dá)到事半功倍的效果。

圖5 FIB-SEM雙束系統(tǒng)線(xiàn)路修補(bǔ)圖

微電子芯片內(nèi)部通常具有多層金屬布線(xiàn)，而多數(shù)情況下的線(xiàn)路修改操作點(diǎn)通常會(huì)分散在不同金屬層。舉一項(xiàng)案例說(shuō)明線(xiàn)路修補(bǔ)的基本過(guò)程，在此案例中，芯片為Cu制程，共有五層金屬化布線(xiàn)，從上層的metal 5到底層metal 1，客戶(hù)要求在metal 4和metal 2分別引出操作點(diǎn)，并進(jìn)行互聯(lián)。對(duì)于此案例，我們首先需要定位到操作點(diǎn)，定位越準(zhǔn)確，則頂層操作框越小，越不會(huì)損傷到旁邊的金屬線(xiàn)?？梢韵扔肐EE氣體去除表面鈍化層，然后用SCE氣體去除metal 5，再去除第二層鈍化層和metal 4，如此循環(huán)，直至到達(dá)metal 2操作點(diǎn)；用同樣的方法引出metal 4的操作點(diǎn)；沉積Pt之后將兩者互聯(lián)即可。

線(xiàn)路修補(bǔ)的難點(diǎn)主要在于：難點(diǎn)一是制定修補(bǔ)計(jì)劃，不只是芯片功能設(shè)計(jì)上的計(jì)劃，而且應(yīng)當(dāng)包括為了實(shí)現(xiàn)這一功能設(shè)置各個(gè)操作點(diǎn)進(jìn)行互聯(lián)的方案。需要整體進(jìn)行考量和規(guī)劃，否則可能無(wú)法引出操作點(diǎn)或者兩條線(xiàn)路交叉，導(dǎo)致方案失敗。因此定制好線(xiàn)路修補(bǔ)的方案和合理的布局操作點(diǎn)的位置是線(xiàn)路修補(bǔ)至關(guān)重要的步。難點(diǎn)二在于定位，刻蝕錯(cuò)位或者過(guò)刻蝕會(huì)增加失敗的機(jī)率，對(duì)于不是操作點(diǎn)的金屬線(xiàn)，越少暴露出來(lái)越好。暴露出來(lái)可能會(huì)引起沉積Pt時(shí)濺射到金屬線(xiàn)上，引起短路或者其他問(wèn)題，借助CAD工具可以較好的解決定位問(wèn)題及其引起的損傷其他金屬線(xiàn)的問(wèn)題。難點(diǎn)三是清理，盡管大多數(shù)Pt在離子束的引導(dǎo)下沉積在所設(shè)定的操作框內(nèi)，但是也不可避免會(huì)在操作框幾微米范圍內(nèi)擴(kuò)散。因此線(xiàn)路修補(bǔ)的后收尾工作是用IEE氣體清理操作框之外的Pt，避免引起不必要的金屬互聯(lián)從而導(dǎo)致短路。相對(duì)而言，W的擴(kuò)散范圍會(huì)比Pt小，也更容易被IEE清理，因此在小間距、高要求的線(xiàn)路修改中更多選用W作為金屬層沉積材料。

一項(xiàng)完整的線(xiàn)路修補(bǔ)工程，通常需要八連八切乃至更多，工程量較大，而線(xiàn)與線(xiàn)之間的刻蝕容錯(cuò)率通常只有幾百納米，一條金屬線(xiàn)的刻蝕問(wèn)題都可能導(dǎo)致整項(xiàng)工程的失敗?？傮w而言，大工程量的線(xiàn)路修補(bǔ)的成功率較低，只有30%-50%左右。因此需要操作者熟悉芯片操作點(diǎn)的定位，熟練的掌握FIB操作方法，同時(shí)具有敏銳的觀(guān)察力以及足夠的耐心才能提高成功率。

總結(jié)

FIB系統(tǒng)由于其強(qiáng)大的精細(xì)加工和微觀(guān)分析能力，被廣泛應(yīng)用于截面分析、TEM樣品制備和線(xiàn)路修補(bǔ)等方面。中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室具有FIB-SEM雙束系統(tǒng)和單束FIB裝置，可以為微電子器件和集成電路的分析提供解決方案，我們期待更多地促進(jìn)電子信息技術(shù)的發(fā)展。