哪种切片方法最适合我的样品?

白皮书

Daniel JD Sullivan博士,Amos Eppley,Jennifer Cooper,Bryan Tracy博士和Sara G.Ostrowski博士

半导体管芯的横截面是故障分析(FA)工作的基本步骤。 横截面可以用作一般或特定位置的层完整性检查。 验证层和层间连接(通孔)的尺寸也很常见。 通过缺陷定位技术(例如发射光谱,OBIRCH,IR,TIVA,XIVA等),电气证据或设计中的可疑缺陷,可以确定FA中截面的决定。1,2

一旦确定了横截面的位置,下一个问题就是要使用的横截面方法。 常用的选择有三种:(1)机械,用于将设备劈开或抛光到所需位置;(2)离子磨,可用于清理机械部件或整个部件,是一种工具。用高压离子或(3)双束聚焦离子束(DB-FIB)抛光样品边缘,该离子束使用Ga离子束将沟槽切入样品中,然后使用设置好的SEM观察沟槽看看沟渠。 本文讨论的每种方法都有优点和缺点。

图1:整个模具的机械横截面位置由红线显示。

图2:整个模具的机械x剖视图:图1的侧视图以红线剖开。

图3:右侧的Trench 1在浇口区域中,Trench 2在Source字段中。 红色箭头指向剖面。 每个沟槽的内部都通过SEM在仪器上成像,该仪器是双光束FIB的一部分。

图4和5:分别显示了沟槽的内部1和2。 氧化物裂纹,红色箭头下方有缺陷。

的优点和缺点

机械部分的优势是可以跨越整个芯片(或封装),从而可以在样品的任何一点进行检查。 可以通过湿法蚀刻或离子铣削对截面进行额外修改,以增加层或区域(例如氧化物或掺杂区域)的清晰度。 不仅可以通过光学显微镜和SEM来分析暴露区域,还可以通过扫描电容显微镜(SCM),微探测,傅立叶变换红外(FTIR),硬度测试等技术进行分析。 这是由于该部分的公开性质。

图6:上图:SCM dC / dV幅值图像,显示了相对的掺杂水平,下图:SCM dC / dV相图,显示了掺杂物的类型分布(棕色= n型,黄色= p型)

机械部分的缺点包括:在样品上施加压力可能会导致脆性材料破裂并填充软材料中的空隙/裂缝;进一步控制步骤进入样品的能力受到严重限制。执行部分的人员在很大程度上取决于部分的质量。

图7和8:半导体芯片的SEM图像(机械x截面)。

对下面显示的样品进行化学湿法蚀刻,以显示此类装饰的效果。 请注意,纯机械切片后,晶界(红色箭头)的外观和突出显示的氧化物层不清晰。 使用的蚀刻取决于样品材料以及需要突出显示的内容:硅中的氧化物,n或p掺杂区域…

图9:具有装饰性湿蚀刻的机械横截面(请注意,与图8相比,晶界得到了增强)。

可以将离子铣削应用于机械X截面以清理截面的一部分,或者可以从一开始就对其几何形状允许的样品进行离子铣削。 离子铣削比机械x截面更干净。 它也不会对样品施加压力,这意味着脆性材料(如GaAs,GaN和其他部分)没有机械部分常见的微裂纹。 同样,去除金,铟或聚合物之类的软材料,而不会在样品上填充小空隙或裂缝,比较图8和9,并注意在离子铣削样品上出现了几个小空隙。 但是,离子铣削会引入一些瑕疵,请注意显示铣削方向的垂直条纹。 通过精心设置和校准离子铣削工具,可以减少甚至消除这些误差。

图10:离子破碎机的机械部分。 请注意,现在可以看到小的空隙(红色箭头)

对于非半导体材料,离子铣削最适合保持小孔和其他效果,这些效果会随着机械截面的变化而变化,并且对于FIB而言尺寸太大。

图11和12:在铝上进行离子铣削的ANO中很好地显示了小的空隙和材料。

离子铣削的一个局限性在于,目标区域必须位于样品的边缘。 此外,样品的深度是有限的–取决于仪器,通常跨度为1.5毫米,样品为700微米(更昂贵的工具可以铣削更大的区域)。 可以购买带有低温台架和其他附件的离子磨机,这些设备可将易擦拭的材料(如某些聚合物)切成薄片而无需重新分配材料。

DB-FIB可以合理地在包括成像在内的标准操作中切开20微米的沟槽和10微米的沟槽。 DB FIB的最大优点是可以以可控的方式将切片移动到样品中很小的距离。 例如,每个20微米0.1微米的台阶都可以制成段(图4和5)以遍历感兴趣的区域。 每个步骤都可以成像,由EDX分析并最终制作成电影。 机械x截面无法控制得如此精细。

DB-FIB的缺点主要是暴露区域有限,并且难以处理非导电样品。 DB-FIB不允许对整个模具进行检查,但可以对关键位置进行成像,这些位置可以彼此非常靠近且角度不同(见图3)。 在查看封装问题(例如跨设备的焊球/凸点附着)时,裸露的小区域使DB-FIB不能被认真考虑。

在绝缘样品上工作时,充电问题非常严重,这使这些样品成为不好的选择。
DB FIB部分的有限区域和孔的几何形状使得通过湿蚀刻进行染色非常困难,并且其他技术无法访问该部分。

下表总结了每种方法的主要优点和缺点:

选项 优势 缺点
机械X剖面 整个模具/封装均可检查。 获得其他技术的机会很好。 无法对设备进一步采取小的受控步骤,将压力施加到样品上。
离子铣削 抛光非常干净,不会对设备施加任何力。 可以观察到晶粒结构。 使用稀有气体进行研磨,因此没有污染问题。 样品的几何形状受到限制,距离样品边缘的截面深度有限。
双光束FIB 可以通过感兴趣的区域采取较小的受控步骤,可以分析多个相邻区域。 非常容易进行TEM采样。 仅分析小区域,有限的切入深度,无法合理地分析大区域。 使用其他技术的机会非常有限。 使用Ga离子进行溅射,这可能是一个问题。 绝缘子的充电问题与SEM相同。

 

概要

哪种横截面最适合样品的决定取决于样品本身和所需的信息。 本文介绍了每种方法最常见的技术优缺点:机械,离子铣削和双束FIB,因为它们适用于大多数样品,尤其是半导体应用。 每种方法都有优点和缺点,重要的是要知道每种方法的局限性和功能。

所讨论的某些方法允许进行其他工作,而其他方法则不允许:具有FIB切口的模具可以进行机械切片,或者继续进行TEM工作,但是通常在进行切片之前先封装机械切片,然后再无法进行FIB作业。 离子铣削要求感兴趣的区域位于样品的边缘,这可能需要通过劈裂或事先进行机械抛光来制备样品。 因此,操作顺序也很重要。 对于所有分析工作而言,最重要的是在进行首次操作之前进行良好的讨论和计划。

参考文献:

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  6. 彭建昌,陈德健,谭大林,伦美玲,严国H,柯志明,蔡祖明,LJ Balk,“近红外光子发射显微镜和光谱学综述”,集成电路2005的物理和失效分析。 IPFA 2005。 12thth International Symposium的会议论文集,第275-281,2005页。
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