结合激光刻蚀和PFIB刻蚀进行超大尺寸失效分析

3DInCites中文 2021-11-25 16:38

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本文作者：JozefVincenc Oboňa, TESCAN半导体产品市场总监

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探究半导体失效的原因通常需要去除覆盖层材料，以暴露出失效的电路元件，以便在电子显微镜(EM)中进行高分辨率成像。机械切割和抛光等处理技术会诱导机械应力而产生额外的缺陷，并且与离子研磨技术一样，它们缺乏所需的定点特异性。聚焦离子束(FIB)可用于特定位置的加工，但对于大尺寸的处理任务来说速度很慢。通过激光刻蚀去除所需位点外围的大部分材料，再通过FIB切割和抛光得到横截面，两种技术相结合最终实现了超大尺寸样品处理所需的速度和精度。这种组合方式的最新阶段是采用激光刻蚀和PFIB刻蚀实现协同处理，进一步提高了分析通量、效率和灵活性。

FIB系统广泛用于制备电路元件截面，以便电子显微镜等仪器的后续分析。FIB技术具有纳米级精度和可精准操控性，这使得操作者能够对电路中微小特征精准测试分析。然而，高精度降低了FIB的铣削速率，特别是镓(Ga)源FIB，在去除覆盖材料的过程中速度缓慢和时间漫长。十年前，等离子体源(PFIB)引入了市场，PFIB拥有比传统液态镓源更高的束流，提高了FIB铣削速率，同时在铣削精度方面取得了可接受的折衷。然而，在同一时期，随着设备制造商开发出先进的异构集成和封装技术，将多个芯片集成封装在一起，故障分析的挑战也增加了。封装中感兴趣区可能隐藏在几层电路或多个晶体管之下，为了分析感兴趣区而必须去除的覆盖层的体积已从立方微米到立方毫米急剧增加，与此同时元件本身却在不断缩小。

激光刻蚀提供的最大铣削速率比镓源FIB快约100,000倍，比PFIB快约2,000倍，同时仍保持针对特定位点的足够铣削精度。将激光刻蚀（初始切削材料）与PFIB（最终切割和抛光）相结合可以将制备大尺寸横截面所需的总时间减少95%，在某些情况下甚至更多。如图1显示了镓源FIB、PFIB和激光刻蚀的光斑大小与材料去除率之间的关系。相邻表格提供了这3种技术在最大铣削和最终抛光束流条件下材料去除率的数值比较。

如图1：（左）所示，镓源FIB、PFIB和激光刻蚀占据不同的区域，其特点是光斑尺寸（光束直径）和材料去除率之间的制衡。一般来说，较高的束流或束流强度会更快地去除材料，但精度较低。表格(右)比较了材料在三种技术下最大束流和典型抛光条件下的束流(或激光的离子束等效电流)和材料去除率关系。此外，还显示了镓源FIB与激光刻蚀、PFIB与激光刻蚀的去除率之比。

第一个将激光刻蚀与FIB集成的系统是通过将激光集成到FIB室中实现的。在这种配置下，系统一次只能使用一个功能，而其他功能处于空闲状态。我们运用了一种新方式来实施集成显微镜技术，通过独立的激光刻蚀（microPrep PRO、3D-Micromac AG）和PFIB(TESCAN Solaris X)系统提供并行处理。两个系统都不会因为另一个系统的运行而空闲。激光刻蚀系统可以为多个联用工具准备样品，无论联用是多个FIB 还是各种其他故障分析仪器。最终结果都是增加了分析通量和产率，并降低了每次分析的成本

激光刻蚀系统提供约10微米的铣削精度(束斑尺寸)和厘米距离内约3微米的光束定位精度，使其快速准确地去除立方毫米的材料。基于电路设计的CAD数据或各种FA工具的2D图像叠加的相关对准技术有助于在两个系统中以高精度找到感兴趣区。独立系统中的并行处理有几个好处，超短激光脉冲最大限度地减少了激光引起热影响区，从而减少了必须通过PFIB中的最终抛光去除的材料量。单独在激光刻蚀系统中切削材料可避免PFIB仓内污染的风险，其中污染物会干扰仪器本身和分析结果。样品同时可以在各种气体环境中通过激光进行处理，并且可以使用解决方案来允许系统之间的转移，而不会暴露在周围环境中。激光刻蚀工具上的平台提供具有六个自由度的精确自动化运动，使其能够在需要时铣削复杂的图案。在激光刻蚀过程中倾斜样品的能力对于补偿由光束能量的高斯强度分布引起的锥度特别有益。尽管它可以使用FIB抛光消除，但在激光刻蚀操作期间避免它可以大大减少FIB抛光所需的时间。消除锥度对于半导体样品中准确对齐堆叠重复结构的横截面（例如TSV、锡焊球等）工艺至关重要。

PFIB系统针对高深度大尺寸铣削进行了优化，它提供高达3µA的束流，每秒可去除多达1,400µm3的材料。用于最终抛光的较低离子束电流(300nA)仍可去除高达141µm3/s，即使在具有挑战性的样品上也能提供原始横截面。最具挑战性的样品是那些需要不同切削速率的硬质和软质复合材料的样品。较硬的材料切削得慢，往往会遮挡下面的区域，产生独特的垂直形貌，描述性地称为“窗帘”。在复合材料中，较硬的纤维或颗粒分散在较软的基材（金属互连、Si和半导体样品中的电介质）从而引起的窗帘伪影可能会掩盖后续成像中的关键细节。在切削操作过程中，我们可以通过小角度反复摇摆样品可以减少窗帘伪影。角度的轻微变化使离子束能够更好地进入材料下方较硬的屏蔽区域，并平滑铣削过程。对于束流/铣削速率较高的FIB，窗帘效应可能是一个挑战，就像大通量工作流程中高速铣削所需的那些一样。对于该问题，PFIB系统配置的摆动台提供了一种自动摆动模式，可以予以解决

在某些材料中，包括碳化硅、聚酰亚胺、玻璃等，产生的阶梯是另一种伪影。这是由于材料的去除率与离子束的入射角有关。去除率通常在切线入射时最高，如在横截面的表面，而在垂直入射时最低。由于这个原因，阶梯一旦出现，就会自我强化，很难移除。我们可以在铣削前在样品表面创建一个硬掩模来避免分层，使用光束分解样品表面的特定气体，在FIB中沉积掩膜，但沉积过程很慢，速率低，不适合高容量的工作流程。一种创新的解决方案(True x-section，用户指导程序)是允许操作人员在要切片的区域放置一个小的保护硬面罩。这种方法消除了阶梯效应，比大面积FIB沉积速度快得多。

具体案例

图2至图6显示了使用激光刻蚀和PFIB来曝光电路元件以进行成像和分析的示例。每个示例都包括每次操作所花费的时间以及相对于单独使用PFIB制备样品所节省的总时间。

先进芯片集成

图2:中间的图像显示了一个超大的横截面，宽几百微米，深几百微米，穿过集成电路和连接到插入器的焊锡球和触点。左边和右边的图像显示了该截面的细节，左边是IC的放大倍数更高的图像，右边是锡球和接触垫之间的空隙。横切过程在激光刻蚀仪器中耗时10分钟，在PFIB中耗时90分钟，与单独使用PFIB相比节省了70%的时间。

锥度校正

图 3：（右）显示了在高带宽存储器(HBM)器件中硅穿孔(TSV)堆栈的数百微米深和宽的横截面，它说明了系统切割贯通每个TSV中心的精确垂直横截面的能力。在激光刻蚀过程中倾斜样品以补偿锥角对于减少最终PFIB铣削操作要去除的材料量至关重要，从而减少横截面所需的总时间。横截面在激光刻蚀仪器中耗时10分钟，在PFIB中耗时120分钟，与单独的PFIB相比，节省了80%的时间。

FIB层析成像的激光刻蚀准备

图4:FIB的层析成像通过FIB逐层切片的方式，从捕获的一系列图像中重建了样本体积的3D模型。准备工作首先使用激光刻蚀从一个立方体/矩形体的三面去除材料，如“俯视图”(左)所示。在此视图中，最终将与FIB连续剖切的面位于立方体形状的底部。在“正视图”（中间）中，样品已旋转90°以显示横截面。插图（右）放大了横截面的一个区域以显示其切削质量。使用激光烧蚀制备样品需要10分钟，与PFIB 相比节省了70%的时间。

有机发光二极管面板

图5：手机和其他移动设备的显示器含有关键的微结构，在样品制备过程中容易被机械应力损坏。这种精致的样品需要一种特殊的处理方法:在PFIB进行最后切削和抛光之前，在边缘的一个几毫米长的区域被有意地用激光削尖。左上方的第3张图像显示了激光刻蚀切口。下图显示了经过PFIB切削和抛光后长约0.5mm截面(PFIB可以切割和抛光长达1mm的截面)。最右边的顶部图像显示了最终横截面的更高倍放大图。横切面在激光刻蚀中花费了74分钟，在PFIB中花费了165分钟，与单独PFIB相比节省了95%的时间。

微机电系统

图 6：MEMS设备对样品制备过程中的机械损伤特别敏感。在这个例子中，激光刻蚀被用来打开一个窗口，进入封装的 MEMS 设备进行检查和分析。

在单个封装中互连多个芯片的先进异构集成和封装工艺的使用正在迅速增长。分析这些封装中的故障通常需要在特定地点移除覆盖材料以暴露可疑电路以进行检查和分析。要去除的材料量可能是很大的。尽管FIB系统具有针对特定电路元件所需的精度，但它们速度较慢，尤其是在使用镓源时。PFIB速度快得多，但对于先进的异构集成和封装所需的大截面，仍然会被认为是缓慢的。激光刻蚀速度快但不够精确，无法以纳米精度瞄准单个电路元件。使用激光刻蚀去除大部分材料并使用FIB刻蚀和抛光最终横截面可以大大减少制备所需的总时间。将激光刻蚀功能嵌入FIB系统的系统本质上是低效的，因为一次只能使用一种功能。

该技术的最新迭代在独立的激光刻蚀和PFIB中实现并行处理，通过允许同时在两种工具中进行处理来提高通量和产率。这些工具通过相关的图像对齐程序和CAD叠加导航进行集成。在并行配置中，单个激光刻蚀系统可以供给多个FIB和其它FA工具。这种方法具有消除污染FIB系统的风险的优势，其中污染物会干扰成像和分析或损坏系统。我们展示了几个大的、高质量的横截面示例，并计算出与单独使用PFIB制备相比节省的时间，所示示例中节省的时间从70%到95%以上。

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