聚焦離子束顯微鏡應用介紹

隨著半導體電子器件及集成電路技術的飛速發展，器件及電路結構越來越復雜，這對微電子芯片工藝診斷、失效分析、微納加工的要求也越來越高。FIB - SEM雙束系統所具備的強大的精細加工和微觀分析功能，使其廣泛應用于微電子設計和制造領域。

基本原理：

FIB - SEM雙束系統是指同時具有聚焦離子束（Focused Ion Beam，FIB）和掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）功能的系統，如圖1。可以實現SEM實時觀測FIB微加工過程的功能，把電子束高空間分辨率和離子束精細加工的優勢集于一身。其中，FIB是將液態金屬離子源產生的離子束經過加速，再聚焦于樣品表面產生二次電子信號形成電子像，或強電流離子束對樣品表面刻蝕，進行微納形貌加工，通常是結合物理濺射和化學氣體反應，有選擇性的刻蝕或者沉積金屬和絕緣層。在常見的雙束FIB-SEM系統中：電子束垂直于樣品臺，離子束與樣品臺呈一定的夾角，工作的過程中需要把樣品臺旋轉至52度位置，此時離子束與樣品臺處于垂直狀態，便于進行加工，而電子束與樣品臺呈一定的角度，可以觀測到截面內部的結構，如圖2所示。                       

應用一：截面分析

運用離子束刻蝕或氣體增強刻蝕，FIB技術可以精確地在器件的特定微區進行截面觀測，形成高分辨的清晰圖像，并且對所加工的材料沒有限制，同時可以邊刻蝕邊利用SEM實時觀察樣品，截面分析是FIB常見的應用。這種刻蝕斷面定位精度*，在整個制樣過程中樣品所受應力很小，制作的斷面因此也具有很好的完整性。這種應用在微電子領域具體運用場合主要有：定點觀測芯片的內部結構；失效樣品分析燒毀的具體位置并定位至外延層；分析光發射定位熱點的截面結構缺陷。如圖3(a)所示為FIB制作并觀測的芯片斷面圖，圖3(b)為利用SEM實時觀測FIB加工過程的功能所觀察到的介質層空洞缺陷圖像。     

圖3. FIB-SEM雙束系統制作并觀測的芯片斷面圖

應用二：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，用于觀測。FIB由于具有精密加工的特性，是用來制備TEM樣品的良好工具，其制備過程如下圖4：在電子束下找到制備樣品的位置，樣品表面鍍上Pt作為保護層，把樣品的前后部分均挖開，形成一薄片，再把底部和側邊挖斷之后用Easylift針把樣品提取出來，放置在銅網上。再通過離子束對樣品再進行減薄，減薄至100nm以下，減薄工藝關系到能否得到高質量的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使樣品表面產生非晶層，不便于TEM觀察。因此在后的減薄工藝中要特別注意離子束束流的選擇，盡量減小對樣品的損傷。

圖4. FIB-SEM雙束系統制備TEM樣品的過程

應用三：線路修補

在芯片制造過程中，經常會出現流片得到的樣品沒有達到預期功能的情況，而重新設計版圖和流片的成本高、周期長，不利于及時反饋和驗證。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，來修改線路連接（圖5），可以極大地縮短反饋周期，節省成本。在線路修補中，GIS（氣體注入系統）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，達到事半功倍的效果。

圖5 FIB-SEM雙束系統線路修補圖

微電子芯片內部通常具有多層金屬布線，而多數情況下的線路修改操作點通常會分散在不同金屬層。舉一項案例說明線路修補的基本過程，在此案例中，芯片為Cu制程，共有五層金屬化布線，從上層的metal 5到底層metal 1，客戶要求在metal 4和metal 2分別引出操作點，并進行互聯。對于此案例，我們首先需要定位到操作點，定位越準確，則頂層操作框越小，越不會損傷到旁邊的金屬線。可以先用IEE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，直至到達metal 2操作點；用同樣的方法引出metal 4的操作點；沉積Pt之后將兩者互聯即可。

線路修補的難點主要在于：難點一是制定修補計劃，不只是芯片功能設計上的計劃，而且應當包括為了實現這一功能設置各個操作點進行互聯的方案。需要整體進行考量和規劃，否則可能無法引出操作點或者兩條線路交叉，導致方案失敗。因此定制好線路修補的方案和合理的布局操作點的位置是線路修補至關重要的步。難點二在于定位，刻蝕錯位或者過刻蝕會增加失敗的機率，對于不是操作點的金屬線，越少暴露出來越好。暴露出來可能會引起沉積Pt時濺射到金屬線上，引起短路或者其他問題，借助CAD工具可以較好的解決定位問題及其引起的損傷其他金屬線的問題。難點三是清理，盡管大多數Pt在離子束的引導下沉積在所設定的操作框內，但是也不可避免會在操作框幾微米范圍內擴散。因此線路修補的后收尾工作是用IEE氣體清理操作框之外的Pt，避免引起不必要的金屬互聯從而導致短路。相對而言，W的擴散范圍會比Pt小，也更容易被IEE清理，因此在小間距、高要求的線路修改中更多選用W作為金屬層沉積材料。

一項完整的線路修補工程，通常需要八連八切乃至更多，工程量較大，而線與線之間的刻蝕容錯率通常只有幾百納米，一條金屬線的刻蝕問題都可能導致整項工程的失敗。總體而言，大工程量的線路修補的成功率較低，只有30%-50%左右。因此需要操作者熟悉芯片操作點的定位，熟練的掌握FIB操作方法，同時具有敏銳的觀察力以及足夠的耐心才能提高成功率。

總結

FIB系統由于其強大的精細加工和微觀分析能力，被廣泛應用于截面分析、TEM樣品制備和線路修補等方面。中國賽寶實驗室具有FIB-SEM雙束系統和單束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電子信息技術的發展。