Quelle méthode de sectionnement convient le mieux à mon échantillon?

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La coupe transversale d’une puce semi-conductrice est une étape fondamentale du travail d’analyse de défaillance (FA). Une section peut être utilisée pour vérifier l'intégrité de la couche en général ou à des emplacements spécifiques. La vérification des dimensions des couches et des connexions entre couches (vias) est également courante. La décision sur l'emplacement d'une section est déterminée dans une FA par des techniques de localisation de défauts telles que la spectroscopie d'émission, OBIRCH, IR, TIVA, XIVA, etc., par des preuves électriques ou par des faiblesses présumées de la conception.1,2

La question suivante une fois l'emplacement de la section déterminé est la méthode de la section à utiliser. Trois choix sont couramment utilisés: (1) mécanique dans lequel le dispositif est clivé ou poli à l'emplacement souhaité, (2), un broyeur à ions (3), qui peut être utilisé pour nettoyer des sections mécaniques ou pour toute la section, est un outil qui élimine le bord de l'échantillon avec des ions haute tension ou (X-FIB) à faisceau double faisceau (XNUMX) qui utilise un faisceau d'ions Ga pour creuser une tranchée dans l'échantillon, puis effectue une vue dans la tranchée avec un SEM configuré regarder dans la tranchée. Chaque procédé présente des avantages et des inconvénients qui sont décrits ici.


Figure 1: Une matrice complète avec l'emplacement de la section transversale mécanique indiqué par la ligne rouge.


Figure 2: Coupe en X mécanique sur toute la matrice: vue latérale de la figure 1 en coupe à la ligne rouge.


Figure 3: Trench 1 à droite est dans la zone de la porte et Trench 2 est dans le champ Source. La flèche rouge pointe vers les faces de la section. L'intérieur de chaque tranchée est imagé par le MEB sur l'instrument faisant partie du FIB à double faisceau.


Les figures 4 et 5: montrent l'intérieur des tranchées, 1 et 2, respectivement. Fissure dans l’oxyde avec un défaut en dessous de l’emplacement de la flèche rouge.

AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS

Les sections mécaniques ont l'avantage de s'étendre sur toute la matrice (ou l'emballage), ce qui permet une inspection en tout point de l'échantillon. Les sections peuvent en outre être modifiées par gravure humide ou par gravure ionique, ce qui augmente la définition de couches ou de zones telles que des oxydes ou des régions dopées. La zone exposée peut également être analysée non seulement par microscopie optique et MEB, mais également par des techniques telles que la microscopie à balayage capacitif (SCM), le micro-sondage, la technologie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), les tests de dureté, etc. Cela est dû à la nature exposée de la section.


Figure 6: En haut: image d'amplitude SCM dC / dV indiquant les niveaux relatifs de dopant et en bas: image de phase SCM dC / dV indiquant la distribution du type de dopant (type brun = n et type jaune = p)

Les inconvénients des sections mécaniques comprennent: l'application d'une pression sur l'échantillon pouvant provoquer des fissures dans les matériaux fragiles et combler les vides / fissures dans les matériaux mous, la capacité à effectuer des étapes contrôlées plus avant dans l'échantillon est sévèrement limitée La personne qui exécute la section est très dépendante de la qualité de la section.


Figures 7 et 8: Images SEM de puces à semi-conducteurs par section x mécanique.

Une gravure chimique humide a été appliquée sur l'échantillon ci-dessous pour montrer l'effet de ce type de décoration. Notez l’aspect des joints de grain (flèche rouge) et les couches d’oxyde mises en évidence ne sont pas claires après un sectionnement purement mécanique. La gravure utilisée dépend du matériau de l'échantillon et de ce que l'on souhaite mettre en valeur: régions dopées n, p ou oxydes dans le silicium…


Figure 9: Coupe transversale mécanique avec gravure humide décorative (notez l'amélioration des limites de grain par rapport à la figure 8).

Le broyage ionique peut être appliqué à une section en x mécanique pour nettoyer une partie de la section. Le broyage ionique peut être effectué dès le début pour les échantillons dont la géométrie le permet. Le broyage ionique donne une section plus propre que la section x mécanique. Il n’exerce pas non plus de pression sur l’échantillon, ce qui signifie des matériaux fragiles tels que GaAs, GaN et d’autres sections sans les micro-fissures communes aux sections mécaniques. En outre, les matériaux mous tels que l'or, l'indium ou les polymères sont éliminés sans remplir de petits vides ou fissures sur l'échantillon, comparez les figures 8 et 9 et notez l'apparition de plusieurs petits vides sur l'échantillon moulu par ion. Le broyage ionique peut toutefois introduire des artefacts, notez les traînées verticales indiquant le sens du fraisage. Celles-ci peuvent être réduites et même éliminées grâce à une configuration et à un étalonnage minutieux de l'outil de broyage ionique.


Figure 10 : Coupe mécanique suivie d'un broyeur ionique. Notez les petits vides maintenant visibles (flèches rouges).


Figures 11 et 12: Les petits vides et matériaux apparaissent bien dans cet ANO broyé par ions plutôt que par Al.

Une des limites du broyage ionique est que la zone d'intérêt doit se situer au bord de l'échantillon. En outre, la profondeur dans l'échantillon est limitée - généralement en mm et en microns 1.5 dans l'échantillon, en fonction de l'instrument utilisé (des outils plus coûteux peuvent fraiser des surfaces plus grandes). Les broyeurs à ions peuvent être achetés avec des cryo-étages et d'autres accessoires permettant de sectionner des matériaux odorants tels que certains polymères sans redistribuer les matériaux.

Le DB-FIB peut raisonnablement couper une tranchée en microns 20 et en profondeur 10 en tant qu’opération standard, y compris l’imagerie. Le grand avantage de DB FIB est que la section peut être déplacée de manière très contrôlée sur une très petite distance dans l’échantillon. Par exemple, chaque étape 20 de 0.1 micron peut être transformée en sections (figures 4 et 5) pour parcourir une zone d'intérêt. Chacune des étapes peut être imagée, analysée par EDX et éventuellement transformée en film. Les sections x mécaniques ne peuvent pas être contrôlées dans un degré si fin.

Les inconvénients du DB-FIB sont principalement la faible surface exposée et la difficulté à travailler avec des échantillons non conducteurs. DB-FIB ne permet pas d’inspecter l’ensemble de la matrice mais autorise l’imagerie des emplacements clés, qui peuvent être très proches les uns des autres et à des angles variables (voir la figure 3). Les petites zones exposées excluent toute considération sérieuse de la part de DB-FIB lorsque l’on examine des problèmes d’emballage tels que la fixation de billes / bosses de soudure sur un périphérique.

Le problème de la charge est très grave lorsque l'on travaille sur des échantillons isolants et en fait un mauvais choix pour ces échantillons.

La surface limitée de la section DB FIB et la géométrie du trou rendent la coloration par gravure humide très difficile et des techniques supplémentaires ne peuvent pas accéder à la section.

Les principaux avantages et inconvénients de chaque méthode sont résumés dans le tableau ci-dessous:

Méthodologie Avantages Inconvénients
X-section mécanique La matrice entière / l'emballage peut être inspecté. L'accès à des techniques supplémentaires est bon. Impossible d'effectuer de petites étapes contrôlées plus avant dans l'appareil, la pression est appliquée à l'échantillon.
Ion Milling Polissage très propre, aucune force appliquée à l'appareil. La structure du grain peut être observée. Utilise du gaz noble pour moudre, donc pas de problèmes de contamination. La géométrie de l'échantillon est limitée, la profondeur de la section à partir du bord de l'échantillon est limitée.
FIB à double faisceau De petites étapes contrôlées peuvent être effectuées à travers la zone d'intérêt, plusieurs zones adjacentes pouvant être analysées. Très facile de progresser vers un échantillon TEM. Seule une petite zone est analysée, la profondeur de coupe limitée et les grandes zones ne peuvent pas être analysées de manière raisonnable. L'accès aux techniques supplémentaires est très limité. Utilise les ions Ga pour la pulvérisation et cela peut poser problème. A les mêmes problèmes de charge pour les isolateurs que SEM.

RÉSUMÉ

La décision sur le type de section transversale qui convient le mieux à un échantillon dépend de l'échantillon lui-même et des informations nécessaires. Cet article aborde les avantages et les inconvénients techniques les plus courants de chaque méthode : mécanique, broyage ionique et FIB à double faisceau, car ils s'appliquent à la plupart des échantillons, en particulier pour les applications de semi-conducteurs. Chaque méthode présente des avantages et des inconvénients et il est important de connaître les limites et les capacités de chacune. Certaines des méthodes discutées permettent un travail supplémentaire tandis que d'autres ne le font pas : une matrice qui a des coupes FIB peut ensuite être sectionnée mécaniquement ou transférée vers un travail TEM, mais une section mécanique est généralement encapsulée avant la section et aucun travail FIB n'est alors possible. Le broyage ionique nécessite que la zone d'intérêt se trouve au bord de l'échantillon, ce qui peut nécessiter la préparation de l'échantillon par clivage ou par polissage mécanique préalable. Ainsi, l'ordre des opérations peut également être important. Le plus important pour tout travail analytique est une bonne discussion et une bonne planification avant la première opération.

Références

  1. J. Devaney, G. Hill, R. Seippel, Mécanismes, techniques et atlas photographiques d'analyse des défaillances, Services de reconnaissance des défaillances et de formation, Inc. 1986, section 8.
  2. Manuel de référence du bureau d'analyse des défaillances microélectroniques, édition 3rd, éds. TW Lee et SV Pabbisetty, ASM International, 1993, p. 97-110.
  3. Techniques d'analyse des défaillances - Un guide de procédure, éds. E. Doyle Jr. et B. Morris, IITRI, 1980, Section III-N.
  4. https://www.semitracks.com/reference-material/failure-and-yield-analysis/failure-analysis-die-level/mechanical-cross-section.php
  5. https://microscopy-analysis.com/editorials/editorial-listings/preparation-cross-sectional-semiconductor-ic-device-sample-sem
  6. JCH Phang, DSH Chan, SL Tan, WB Len, KH Yim, LS Koh, CM Chua, LJ Balk, «Examen de la microscopie et de la spectroscopie par émission de photons dans le proche infrarouge», Analyse physique et défaillance des circuits intégrés 2005. IPFA 2005. Actes du 12th International Symposium on the, pp. 275-281, 2005.
  7. Act Quah, Ls Koh, Cm Chua, M Palaniappan, Jm Chin, Jch Phang, «Système de détection induite par laser couplé CC pour la localisation de défauts dans l'analyse de défaillances microélectroniques», Analyse physique et analyse de défaillances de circuits intégrés 2006. 13th Symposium international sur le, pp. 327-332, 2006.
  8. P. Lawrence, "The Dualbeam (FIB/SEM) and its Applications - Nanoscale Sample Preparation and Modification," 2006 19th International Vacuum Nanoelectronics Conference, Guilin, 2006, pp. 127-128. doi: 10.1109/IVNC.2006.335390
  9. Y. Chuang, C. Huang, J. Hsu et Y. Wu, « GaAs device two-steps Junction Stain and scanning capacitance microscopy sample preparation », 2017 IEEE 19th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC), Singapour, 2017, pp. 1 -3. doi: 10.1109/EPTC.2017.8277565

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