聚焦离子束显微镜应用介绍

聚焦离子束显微镜应用介绍

随着半导体电子器件及集成电路技术的飞速发展，器件及电路结构越来越复杂，这对微电子芯片工艺诊断、失效分析、微纳加工的要求也越来越高。FIB - SEM双束系统所具备的强大的精细加工和微观分析功能，使其广泛应用于微电子设计和制造领域。

基本原理：

FIB - SEM双束系统是指同时具有聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）和扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）功能的系统，如图1。可以实现SEM实时观测FIB微加工过程的功能，把电子束高空间分辨率和离子束精细加工的优势集于一身。其中，FIB是将液态金属离子源产生的离子束经过加速，再聚焦于样品表面产生二次电子信号形成电子像，或强电流离子束对样品表面刻蚀，进行微纳形貌加工，通常是结合物理溅射和化学气体反应，有选择性的刻蚀或者沉积金属和绝缘层。在常见的双束FIB-SEM系统中：电子束垂直于样品台，离子束与样品台呈一定的夹角，工作的过程中需要把样品台旋转至52度位置，此时离子束与样品台处于垂直状态，便于进行加工，而电子束与样品台呈一定的角度，可以观测到截面内部的结构，如图2所示。                       

应用一：截面分析

运用离子束刻蚀或气体增强刻蚀，FIB技术可以精确地在器件的特定微区进行截面观测，形成高分辨的清晰图像，并且对所加工的材料没有限制，同时可以边刻蚀边利用SEM实时观察样品，截面分析是FIB常见的应用。这种刻蚀断面定位精度*，在整个制样过程中样品所受应力很小，制作的断面因此也具有很好的完整性。这种应用在微电子领域具体运用场合主要有：定点观测芯片的内部结构；失效样品分析烧毁的具体位置并定位至外延层；分析光发射定位热点的截面结构缺陷。如图3(a)所示为FIB制作并观测的芯片断面图，图3(b)为利用SEM实时观测FIB加工过程的功能所观察到的介质层空洞缺陷图像。     

图3. FIB-SEM双束系统制作并观测的芯片断面图

应用二：透射电镜样品的制备

透射电子显微镜（TEM）由于具有*的分辨率，对样品制备有着*的要求，通常样品厚度需要小于100nm，才可以被电子束穿透，用于观测。FIB由于具有精密加工的特性，是用来制备TEM样品的良好工具，其制备过程如下图4：在电子束下找到制备样品的位置，样品表面镀上Pt作为保护层，把样品的前后部分均挖开，形成一薄片，再把底部和侧边挖断之后用Easylift针把样品提取出来，放置在铜网上。再通过离子束对样品再进行减薄，减薄至100nm以下，减薄工艺关系到能否得到高质量的TEM样品，首先值得注意的是样品太薄容易折断，其次由于样品是用高能离子束减薄而成的，高能离子束的轰击会使样品表面产生非晶层，不便于TEM观察。因此在后的减薄工艺中要特别注意离子束束流的选择，尽量减小对样品的损伤。

图4. FIB-SEM双束系统制备TEM样品的过程

应用三：线路修补

在芯片制造过程中，经常会出现流片得到的样品没有达到预期功能的情况，而重新设计版图和流片的成本高、周期长，不利于及时反馈和验证。因此，可以利用FIB高精度刻蚀和沉积金属膜以及绝缘层的功能，来修改线路连接（图5），可以极大地缩短反馈周期，节省成本。在线路修补中，GIS（气体注入系统）辅助功能尤为重要，合适的辅助气体可以提高效率和成功率，达到事半功倍的效果。

图5 FIB-SEM双束系统线路修补图

微电子芯片内部通常具有多层金属布线，而多数情况下的线路修改操作点通常会分散在不同金属层。举一项案例说明线路修补的基本过程，在此案例中，芯片为Cu制程，共有五层金属化布线，从上层的metal 5到底层metal 1，客户要求在metal 4和metal 2分别引出操作点，并进行互联。对于此案例，我们首先需要定位到操作点，定位越准确，则顶层操作框越小，越不会损伤到旁边的金属线。可以先用IEE气体去除表面钝化层，然后用SCE气体去除metal 5，再去除第二层钝化层和metal 4，如此循环，直至到达metal 2操作点；用同样的方法引出metal 4的操作点；沉积Pt之后将两者互联即可。

线路修补的难点主要在于：难点一是制定修补计划，不只是芯片功能设计上的计划，而且应当包括为了实现这一功能设置各个操作点进行互联的方案。需要整体进行考量和规划，否则可能无法引出操作点或者两条线路交叉，导致方案失败。因此定制好线路修补的方案和合理的布局操作点的位置是线路修补至关重要的步。难点二在于定位，刻蚀错位或者过刻蚀会增加失败的机率，对于不是操作点的金属线，越少暴露出来越好。暴露出来可能会引起沉积Pt时溅射到金属线上，引起短路或者其他问题，借助CAD工具可以较好的解决定位问题及其引起的损伤其他金属线的问题。难点三是清理，尽管大多数Pt在离子束的引导下沉积在所设定的操作框内，但是也不可避免会在操作框几微米范围内扩散。因此线路修补的后收尾工作是用IEE气体清理操作框之外的Pt，避免引起不必要的金属互联从而导致短路。相对而言，W的扩散范围会比Pt小，也更容易被IEE清理，因此在小间距、高要求的线路修改中更多选用W作为金属层沉积材料。

一项完整的线路修补工程，通常需要八连八切乃至更多，工程量较大，而线与线之间的刻蚀容错率通常只有几百纳米，一条金属线的刻蚀问题都可能导致整项工程的失败。总体而言，大工程量的线路修补的成功率较低，只有30%-50%左右。因此需要操作者熟悉芯片操作点的定位，熟练的掌握FIB操作方法，同时具有敏锐的观察力以及足够的耐心才能提高成功率。

总结

FIB系统由于其强大的精细加工和微观分析能力，被广泛应用于截面分析、TEM样品制备和线路修补等方面。中国赛宝实验室具有FIB-SEM双束系统和单束FIB装置，可以为微电子器件和集成电路的分析提供解决方案，我们期待更多地促进电子信息技术的发展。