聚焦离子束制样条件对TEM样品形貌的影响_孙紫涵.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202301004January2023Semiconductor Technology Vol48 No125聚焦离子束制样条件对 TEM 样品形貌的影响孙紫涵1，2，李明1，高金德1，吴涛2，*(1 上海华力集成电路制造有限公司，上海201314;2 上海科技大学 信息科学与技术学院，上海201210)摘要:聚焦离子束(FIB)因其制样成功率和效率高，可定点精确制样等特点已经成为半导体失效分析领域重要的透射电子显微镜(TEM)制样方法。利用双束 FIB 系统针对 TEM 样品制备条件对样品形貌的影响进行了分析和研究。通过控制变量法等方法分析了 FIB 的电子束或离子束等制样条件可能对样品带来的损伤。通过实验发现，FIB 的离子束能量对 TEM 样品热损伤影响较小，电子束的电压和电流是引起样品损伤的主要因素。实验证明，在电子束辅助沉积保护层时适当降低电子束的电压和电流，可有效改善样品的微观形貌。关键词:透射电子显微镜(TEM);制样;失效分析;聚焦离子束(FIB);热损伤;电子束辅助沉积;保护层中图分类号:TN401文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)01002506Effects of FIB Preparation Conditions on TEM Sample MorphologySun Zihan1，2，Li Ming1，Gao Jinde1，Wu Tao2，*(1 Shanghai Huali Integrated Circuit Manufacturing Co Ltd，Shanghai 201314，China;2 ShanghaiTech University，School of Information Science and Technology，Shanghai 201210，China)Abstract:Focused ion beam(FIB)has become the primary transmission electron microscope(TEM)sample preparation method in the field of semiconductor failure analysis due to its high successfulrate，efficiency，and precision The influence of TEM sample preparation conditions on the sample mor-phology was analyzed and studied by using a dual-beam FIB system The possible damage to the samplecaused by the FIB electron beam or ion beam and other sample preparation conditions was analyzed by thecontrol variable method It is found through experiments that the ion beam energy of FIB has little effecton the thermal damage of TEM samples，and the voltage and current of the electron beam are the mainfactors causing sample damage Experiments have shown that properly reducing the voltage and current ofthe electron beam during the electron beam assisted deposition of the protective layer can effectivelyimprove the microscopic morphology of the sampleKeywords:transmission electron microscope(TEM);sample preparation;failure analysis;focusion beam(FIB);thermal damage;electron beam assisted deposition;protective layerEEACC:0170L0引言纵观集成电路产业的发展，半导体的制程越来越先进，线宽越来越小，晶体管的工作频率更高，而能耗逐步降低，芯片的性能得到了有效提升。线宽越小意味着晶体管的体积越小，即在同样大小的面积上可以容纳更多晶体管，集成更多电路。但线宽越小，意味着引起线路短路或开路的缺陷的临界尺寸越小，且更难被发现，良率的提高更加困难。而找到影响器件性能或产品良率低的原因，并降低孙紫涵等:聚焦离子束制样条件对 TEM 样品形貌的影响=26半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月产品的缺陷率是芯片失效分析的主要目的。透射电子显微镜(TEM)因其高解析度和高精确度的特点在半导体集成电路失效分析领域占据着越来越重要的地位1。为了对 TEM 样品的微观形貌进行准确表征以进行失效分析，必须发现、分析和尽可能避免 TEM 样品制备条件对样品形貌造成的损伤，目前普遍采用双束聚焦离子束(FIB)加工技术制备 TEM 样品，双束系统将电子束和离子束相结合，利用高能离子束对样品进行微细加工，高能电子束实现 TEM 样品的高分辨成像。目前有关制样条件对样品表面形貌的影响的分析研究多数集中在 FIB的离子束能量对样品造成的损伤2，而电子束能量的改变对样品造成的损伤研究鲜有报道。本文从TEM 分析结果中观察到疑似缺陷，并以此为出发点分析了电子束和离子束 FIB 制样条件对 TEM 样品形貌的影响，提出 TEM 分析结果中疑似缺陷的形成原因和机理，并为优化 FIB 制样条件，以最有效的方法制备出合格的 TEM 样品提供理论和实践参考。1TEM 样品常规制备流程业界常采用的 TEM 制样方法有“研磨+离子减薄”以及利用 FIB 进行切削制样。其中采用 FIB制备 TEM 样品的优点是定位准确，具有超高的切割精度，目前 FIB 系统的加工精度已达 5 nm;此外 FIB 的制样速度快、成功率高，一般制备 1 个普通样品只需要 1 h，且成功率高达 90%以上3。采用 FIB 进行 TEM 样品制备的常规流程如图 1 所示。图 1采用 FIB 进行 TEM 样品制备流程图Fig.1Flow chart of FIB for TEM sample preparationFIB 的工作原理是利用高电压抽取带正电的离子，通过静电透镜聚焦，形成高能离子束轰击样品表面，从而达到对样品进行微纳米精度的可选择性加工4。若 FIB 制样条件选择不合理会出现很多新问题，如引入人工缺陷以至于影响对 TEM 分析结果的正确解读，此外离子束具有高能量，不可避免地会对样品表面带来损伤。离子束能量选择不当甚至会将目标区域打成非晶态，离子(如 Ga 离子)能量越高，样品表面被破坏的深度越大(表 15)。因此采用 FIB 制备样品时，如果目标位置接近样品表面，通常会在进行样品切削之前在其表面制备一定厚度的保护层，保护层的面积根据实际样品面积决定，一般要略大于并且完全覆盖住需要观测的部分。表 1Ga离子能量与样品表面损伤层厚度的关系5 Tab.1elationship between Ga ion energy and surface damagedepth of the sample5 Ga 离子能量/keV损伤层厚度/nm57.81012.62019.93026.2针对目标位置上层有比较厚(通常400 nm)的金属层的样品，可以不用对其进行沉积保护层，直接对样品进行离子束的切削。对于需要沉积保护层的样品，有 3 种处理方法:仅采用离子束辅助沉积薄膜保护层，但由于 FIB 是利用强电流离子束作用于样品表面，此方法会对 TEM 样品表面造成损伤;在沉积离子束保护层之前先沉积一层电子束保护层，电子束辅助沉积保护层时使用的电子束由双束 FIB 系统中的电子束提供，此方法可以降低方法中离子束对样品表面造成的损伤;仅采用电子束辅助沉积保护层，但沉积速率比离子束辅助沉积慢得多，极大地影响了制样效率，而较薄的电子束保护层又不能完全阻挡掉样品切削过程中离子束对样品的刻蚀。FIB 成像衬度大，但对样品损伤大且分辨率较低，扫描电子显微镜对样品损伤小且分辨率高，但图像衬度相对较低，将两者优势互补组合起来可获得更准确的样品信息6。本文所用设备为美国赛默飞世尔科技公司的双束 FIB 系统，以某工艺生产的器件为研究对象，分析 TEM 结果中疑似缺陷的形成原因和机理。孙紫涵等:聚焦离子束制样条件对 TEM 样品形貌的影响=January2023Semiconductor Technology Vol48 No1272实验与分析以 FIB 常规制样条件制备 TEM 样品，在样品TEM 图中发现样品表面疑似存在缺陷(图 2 红圈处)。为此设计了一系列实验分析其产生的原因，主要从以下几个方面加以考虑:制造工艺的影响、离子束切削参数的影响、保护层沉积条件的影响(含离子束/电子束辅助沉积)、保护层类型的影响。图 2FIB 常规条件制备样品的 TEM 图Fig.2TEM image of the sample prepared by conventionalFIB conditions2.1制造工艺的影响首先分析该缺陷是否可能由晶圆生产过程中的离子注入工艺引起。离子注入工艺是将杂质电离成离子并聚焦为离子束，在电场中加速并获得极高的动能后注入到半导体中而实现掺杂，离子注入时由于高能杂质离子的轰击会在半导体中产生晶格缺陷，其中特定的离子注入和退火工艺是引起此类缺陷的主要因素，严重时还会导致非晶层出现，这种缺陷可以通过热处理修复，如在离子注入后进行低温退火来消除这些缺陷。为了研究该缺陷是否由制造工艺引起，以相同的制样方法，对采用离子注入和其他制造工艺的晶圆均进行了制样，从样品的TEM 图中可以发现，尽管制样条件完全相同，但不是每片晶圆都会产生缺陷。所以在不排除制造工艺引起缺陷的推理下，也怀疑缺陷可能是制造工艺和制样因素综合作用的结果，需要改变制样条件以分析制样因素对缺陷的影响。2.2FIB切削能量的影响离子带正电且其质量是电子的千万倍，将其加速到很高速度时具有比电子大得多的撞击动能。当高能 Ga 离子轰击样品表面所传递的能量超过样品表面原子或分子间结合力时，样品表面的原子或分子被溅射出来，达到刻蚀的目的。由于 FIB 在偏转线圈的作用下具有良好的操控性，因此可以非常精准地对样品制样区域进行离子刻蚀。离子束的扫描范围决定刻蚀的形状，刻蚀深度由 FIB 的加速电压、离子束电流、刻蚀时间等参数共同决定 7。采用 FIB进行 TEM 制样时，需要将目标制样区加工至可进行TEM 观察的“薄墙”结构，其厚度不超过0.1 m。褚维群等人8 研究表明，FIB 制样过程中的离子束加速电压会对样品顶部和侧面的非晶层厚度产生影响，而离子束电流基本不影响非晶层厚度，加速电压越高，非晶层厚度越厚。当非晶层厚度超过整个 TEM 样品厚度的 50%时，就会对 TEM 分析的成像质量产生影响;当样品厚度很薄时，如果切削阶段的离子束加速电压选取不当，甚至会导致整个样品的非晶化而无法进行有效的 TEM 分析。因此，在 FIB 制样过程中的不同阶段，选取合适的离子束加速电压是制样成功的关键因素。但由于离子束加速电压对样品造成的非晶损伤是面分布性质的，而图 2 所示的缺陷仅在局部区域出现，因此可认为离子切削过程中的离子束能量不是引起该缺陷的主要原因。2.3保护层沉积条件的影响FIB 系统诱导沉积保护层是利用