サンプルに最適なセクショニング方法はどれですか?

白書

ダニエル・J・D・サリバン博士、アモス・エプリー、ジェニファー・クーパー、ブライアン・トレーシー博士、サラ・G・オストロフスキー博士

半導体ダイの断面は、故障解析(FA)作業の基本的なステップです。 断面は、一般的に、または特定の場所でレイヤーの整合性のチェックとして使用できます。 レイヤーと層間接続(ビア)の寸法を確認することも一般的です。 セクションの決定は、発光分光法、OBIRCH、IR、TIVA、XIVAなどの欠陥位置特定技術、電気的証拠、または設計の脆弱性の疑いによってFAで決定されます。1,2

断面の位置が決定したら、次の質問は、使用する断面法です。 一般的に使用される3つの選択肢があります:(1)デバイスを所望の位置にc開または研磨する機械式、(2)機械的セクションのクリーンアップに使用できる、またはセクション全体に使用できるイオンミル高電圧イオンでサンプルの端を研磨します。または、(3)デュアルビームフォーカスイオンビーム(DB-FIB)は、Gaイオンビームを使用してサンプルにトレンチを切り込み、セットアップされたSEMでトレンチを表示しますトレンチを調べる。 ここで説明する各方法には長所と短所があります。

図1:赤い線で示された機械的断面位置を持つダイ全体。

図2:ダイ全体の機械的x断面:赤い線で切断された図1の側面図。

図3:右側のトレンチ1はゲート領域にあり、トレンチ2はソースフィールドにあります。 赤い矢印は断面を指しています。 各トレンチの内部は、デュアルビームFIBの一部である機器のSEMによって画像化されます。

図4および5:トレンチの内部、それぞれ1および2を示します。 赤い矢印の位置で下に欠陥がある酸化物の亀裂。

長所と短所

機械的セクションには、ダイ(またはパッケージ)全体に広がるという利点があり、サンプル全体の任意のポイントで検査が可能です。 セクションは、酸化物またはドープ領域などの層または領域の定義を増やすウェットエッチングまたはイオンミリングによってさらに変更できます。 露出領域は、光学顕微鏡法やSEMだけでなく、走査型静電容量顕微鏡(SCM)、マイクロプローブ、フーリエ変換赤外線(FTIR)、硬度試験などの手法でも分析できます。 これは、セクションの公開された性質によるものです。

図6:上:相対的なドーパントレベルを示すSCM dC / dV振幅画像と下:ドーパントタイプの分布を示すSCM dC / dV位相画像(茶色= nタイプ、黄色= pタイプ)

機械的セクションの欠点には、サンプルに圧力を加えて脆性材料に亀裂を生じさせたり、柔らかい材料の空隙/亀裂を充填したり、制御されたステップをさらにサンプルに入れる能力が厳しく制限されていること、セクションを実行する人は、セクションの品質に大きく影響します。

図7および8:機械的x断面による半導体ダイのSEM画像。

このタイプの装飾の効果を示すために、以下に示すサンプルに化学ウェットエッチングを適用しました。 純粋に機械的なセクショニング後、粒界(赤い矢印)の外観と強調表示された酸化物層が明確ではないことに注意してください。 使用するエッチングは、サンプル材料と強調表示するものによって異なります:シリコンの酸化物、nまたはpドープ領域…

図9:装飾的なウェットエッチングを使用した機械的断面図(図8と比較して粒界が強化されていることに注意してください)。

機械的なxセクションにイオンミリングを適用してセクションの一部をクリーンアップしたり、ジオメトリが許可されているサンプルの最初からイオンミリングを実行したりできます。 イオンミリングは、機械的なX断面よりもきれいな断面を提供します。 また、サンプルに圧力を加えないため、GaAs、GaN、その他のセクションのような脆い材料でも、機械的なセクションに共通する微小な亀裂がありません。 また、金、インジウム、ポリマーなどの柔らかい素材は、サンプルの小さな空隙や亀裂を埋めることなく除去されます。図8と9を比較し、イオンミル加工されたサンプルのいくつかの小さな空隙の外観に注意してください。 ただし、イオンミリングでは、アーティファクトが発生する可能性があります。ミリングの方向を示す縦縞に注意してください。 これらは、イオンミリングツールの注意深いセットアップとキャリブレーションにより削減でき、さらには排除できます。

図10:イオンミルを使用した機械セクション。 小さなボイドが見えるようになりました(赤い矢印)

非半導体材料の場合、イオンミリングは、微細な孔や、FIBでは大きすぎるスケールで変化する可能性のある他の効果を維持するのに最適です。

図11および12:このボイドと材料は、Al上でイオンミル加工されたANOによく現れます。

イオンミリングの1つの制限は、対象領域がサンプルの端にある必要があることです。 さらに、サンプルへの深さは制限されます。一般的に、機器によっては1.5 mmの直径と700ミクロンのサンプルまでが使用されます(より高価なツールではより大きな領域を切削できます)。 イオンミルは、クライオステージや、一部のポリマーなどの塗抹可能な材料を再分配せずに切断できるその他のアクセサリとともに購入できます。

DB-FIBは、イメージングを含む標準操作として、溝20ミクロンと10ミクロンの深さを合理的にカットできます。 DB FIBの大きな利点は、非常に制御された方法でサンプルを非常に短い距離でセクションを移動できることです。 たとえば、20ミクロンの0.1ステップをそれぞれセクション(図4および5)に入れて、関心のあるエリアを歩くことができます。 各ステップは、EDXで画像化、分析し、最終的にムービーにすることができます。 機械的なX断面はそれほど細かく制御することはできません。

DB-FIBの不利な点は、主に露出面積が限られていることと、非導電性サンプルの取り扱いが難しいことです。 DB-FIBでは、ダイ全体の検査はできませんが、互いに非常に近く、さまざまな角度で配置できる重要な場所の画像を作成できます(図3を参照)。 露出した小さな領域は、デバイス全体のはんだボール/バンプの取り付けなどのパッケージングの問題を検討する際に、DB-FIBを深刻な考慮から除外します。

絶縁サンプルで作業する場合、帯電の問題は非常に深刻であり、これらのサンプルにとってこれは不適切な選択です。
DB FIBセクションの限られた領域と穴の形状により、ウェットエッチングによる染色が非常に困難になり、追加のテクニックではセクションにアクセスできません。

各方法の主な長所と短所を次の表にまとめます。

方法 Advantages デメリット
機械的X断面 ダイ/パッケージ全体を検査できます。 追加の技術へのアクセスは良好です。 デバイスに小さな制御されたステップをさらに進めることはできません。サンプルに圧力が加えられます。
イオンミリング 非常にきれいなつや出し、デバイスに力を加えない。 粒構造が観察できます。 希ガスを使用して粉砕するため、汚染の問題はありません。 サンプルジオメトリは制限され、サンプルエッジからの断面の深さは制限されています。
デュアルビームFIB 関心のある領域で小さな制御手順を実行でき、隣接する複数の領域を分析できます。 TEMサンプルに非常に簡単に進行できます。 小さな領域のみが分析され、切り込みの深さが制限され、大きな領域は合理的に分析できません。 追加の技術へのアクセスは非常に制限されています。 Gaイオンを使用してスパッタするため、これが問題になる可能性があります。 絶縁体の充電問題はSEMと同じです。

 

概要

サンプルに最適な断面のタイプの決定は、サンプル自体と必要な情報によって異なります。 このペーパーでは、ほとんどのサンプル、特に半導体アプリケーションに適用される、機械式、イオンミリング、デュアルビームFIBの各メソッドの最も一般的な技術的な利点と欠点について説明します。 それぞれの方法には長所と短所があり、それぞれの制限と機能を知ることが重要です。

議論された方法のいくつかは追加の作業を許可しますが、他の方法は許可しません:FIBカットのあるダイを機械的に切断するか、TEM作業に移すことができますが、通常、切断前に機械的セクションがカプセル化され、FIB作業は不可能になります。 イオンミリングでは、対象領域がサンプルの端にある必要があります。そのため、開または事前の機械研磨によってサンプルを準備する必要があります。 そのため、操作の順序も重要になる場合があります。 すべての分析作業で最も重要なのは、最初の操作を行う前に適切な議論と計画を立てることです。

参考文献

  1. J. Devaney、G。Hill、R。Seippel、故障解析メカニズム、テクニック、および写真アトラス、故障認識およびトレーニングサービス、1986、セクション8。
  2. Microelectronic Failure Analysis Desk Reference、3rd Edition、eds。 TW Lee、およびSV Pabbisetty、ASM International、1993、pp。97-110。
  3. 障害分析手法–手順ガイド、eds。 E. DoyleJr。およびB.Morris、IITRI、1980年、セクション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、「近赤外光子放出顕微鏡法および分光法のレビュー」、集積回路2005の物理および故障解析。 IPFA 2005。 12th国際シンポジウム、pp。275-281、2005の議事録。
  7. Act Quah、Ls Koh、Cm Chua、M Palaniappan、Jm Chin、Jch Phang、「マイクロエレクトロニクス故障解析における故障位置特定のためのDC結合レーザー誘起検出システム」、集積回路2006の物理および故障解析。 13th国際シンポジウム、pp。327-332、2006。
  8. P.ローレンス、「デュアルビーム(FIB / SEM)とそのアプリケーション-ナノスケールサンプルの準備と変更」、2006年第19回国際真空ナノエレクトロニクス会議、桂林、2006年、127〜128ページ。
    土井:10.1109 / IVNC.2006.335390
  9. Y. Chuang、C。Huang、J。Hsu、およびY. Wu、「GaAsデバイスの2017ステップ接合ジャンクション染色および走査型静電容量顕微鏡サンプルの準備」、19 IEEE 2017th Electronics Packaging Technology Conference(EPTC)、シンガポール、1、pp。3 -XNUMX。
    土井:10.1109 / EPTC.2017.8277565

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