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芯片器件失效分析切片技术,您了解多少?

2024-06-13 03:15:30 105

  切片的需求与必要性


  半导体芯片器件的失效分析和微结构观察,横截面切片可提供有关器件的大量信息,例如各层厚度、层结构、层中各种晶体的晶粒大小以及是否存在空隙,分层及缺陷。应用阶段从IC的单一晶体管结构(transistor)、芯片金属接线(inter-connection)、封装打线(wire bonding)/锡球接合结构(solder joint)到PCB的翘曲(bending)异常现象。


  切片处理的最佳境界是快、准、宽、亮。


  快即是从试样制备到观察所需的时间要短;准则是可达成切片目标点的最小尺寸;宽是说所需要观察的面积要大;亮就是所呈现横截面的表面干净等级。所以针对尺寸非常小的目标点(如数纳米的制程缺陷)或大面积范围的结构(如数百微米的硅穿孔)就必须有不同的切片方式以求快、准、宽、亮四个主要需求。


  切片方式介绍


  机械研磨


  这方式最为简单使用,针对各式各样的产品或材质皆可以快速执行,如金属、陶瓷、粉末、电子产品等。机械研磨可做大面积的观测范围(数微米到数厘米的宽度)。


  缺点是研磨过程中容易产生机械应力效应,如变形、弯曲、刮痕、裂缝等人为缺陷存在试样表面或界面,造成观察的误判。图一显示研磨过程的各种缺陷。


    


  图一、CP(Cross-section Polisher)


  CP其操作原理是利用文件板将目标物遮住,再用离子束切割,作用时间长短可控制出观察范围的大小,试样切割出可观察的区域呈现U字型(如图二)。针对不同的样品的硬度,制备出镜面样品。


  此方式可以避免在研磨过程中所产生的应力、刮痕、抛光液粒子的残留,完成的样品表面光滑无损伤,同时可以表现出材料内部的真实结构,有利于后续使用SEM、EDS或其它分析设备对样品进行进一步的观察和分析。


    


  图二、试样切割U字型区域


    


  图三、光滑无损伤的品表面


    


  图四、机台外观图


  Dual Beam FIB


  DBFIB是结合了聚焦离子束(FIB)和扫描电子显微镜(SEM),其中离子束可用于去除特定位置的材料,而SEM可用于无损成像和分析。图五介绍了双光束系统配置,其切割和侧面观察的方向及夹角架构。DBFIB是目前切片设备中精准度最高的利器,可以精准至纳米等级这是其他方式无法达成的境界,其优势是切片的范围在数十至数百微米之内,适合小范围的精密切片。


    


  图五、机台外观图

  关键技术和应用


  试样制作


  特别是透射电镜(TEM)及扫描式电镜(SEM)试样制作。


    


  图六、透射电镜(TEM)


  试样制作(FIB lift-off method)


  精准缺陷及制程工艺切片


  精准度可应用于5nm以下的先进制程工艺。


    


  图七、最新鳍式晶体管


  (FINFET)的横截面观察


  失效点VC(Voltage Contrast)定位


  可以定位精准到单个晶体管位置。


    


  图八、一个典型的via open


  造成VC异常的失效分析


  SEM取向衬度


  可以依晶粒对比分析晶粒大小。


    


图九、不同散射角度呈现晶粒的晶体取向


  IC线路修补


    


  图十、典型FIB线路修补的案例


  以下方表格归纳出三种切片方式可以达到的需求及存的缺点,有助于客户判断产品或分析出规格对应的最佳切片工具。

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