11、FIB与TEM技术在半导体缺陷分析及金膜沉积中的应用

FIB与TEM技术在半导体缺陷分析及金膜沉积中的应用

1. FIB与TEM技术结合分析细微缺陷

在半导体制造中，新产品的可靠性问题一直是关注的焦点。尤其是当产品在温度循环应力（TC）或高温稳态寿命应力（HTSSL）下出现故障时，准确找出缺陷根源至关重要。

1.1 背景与技术优势

聚焦离子束（FIB）技术在集成电路（IC）失效分析中应用广泛，包括设计调试和制造工艺调试。它能快速进行精确切割，且与传统方法相比，减少了对样品的损伤和涂抹。然而，随着器件尺寸缩小到深亚微米级别，FIB或扫描电子显微镜（SEM）技术的分辨率无法满足获取详细信息的需求。此时，具有高空间分辨率的透射电子显微镜（TEM）在深亚微米器件和IC失效分析中得到了更广泛的应用。不过，TEM技术耗时且成本高。因此，将FIB和TEM技术结合使用，先通过FIB识别缺陷的存在，再用TEM揭示缺陷细节，大大提高了失效分析的准确性和吞吐量，同时降低了成本。

1.2 失效特征与初步分析

在新产品鉴定过程中，一款采用0.5μm CMOS技术制造的Cache RAM产品，在300次温度循环应力（-65°C至150°C）后出现大量故障，而在高温稳态寿命应力（静态偏置，Vcc = 5.75V，150°C）后故障比例较低。该产品采用双金属（TiW/Al/TiW）、双局部互连（薄金属）和单多晶硅结构。早期研发阶段及不同批次产品在经过1000次TC应力后均未出现此故障模式。

初步的失效分析步骤如下：
- 位图分析 ：用于确定故障模式和位置。故障表现为双部分行故障，包含来自两个相邻行的72位。
- 显微镜检查 ：使用发射显微镜和液晶检查故障样品，未发现热点。
- 逐层去处理 ：对几个故障样品进行逐层去处理，并在每一层用光学显微镜和SEM仔细检查，但未清晰观察到缺陷。

经过对电气特征和单元布局的审查，怀疑全局字线中的一种特定过孔（Via）若存在缺陷，可能导致双部分行故障。

1.3 确认缺陷存在

为了确认疑似过孔位置的缺陷存在，使用FIB（Seiko SMI9800，束能量30keV）对疑似过孔位置进行精确横截面切割。通过FIB横截面图像和静态电荷诱导的FIB电压对比图像，发现故障过孔与相邻电气良好的过孔外观明显不同。故障的M2/过孔/M1/堆叠接触结构在图像中显得更暗，表明该结构处于较高电位，可能处于电浮动状态。这主要是由于样品上电气隔离区域和电气连接区域发射的二次电子不同所致。

1.4 TEM揭示缺陷细节

尽管FIB静态电压对比图像确认了故障过孔的存在，但为了确定根本原因并改变工艺条件，还需要更详细的信息。因此，使用精密横截面TEM技术对故障过孔进行分析。TEM图像显示，在温度循环应力下，W插头在Ti层与金属1分离，过孔左侧壁的Ti/TiW衬垫被蚀刻掉，过孔底部的Ti/TiW衬垫也部分被底切。右侧壁的Ti/TiW衬垫同样被蚀刻掉，形成的空隙在后续处理步骤中部分被Al层填充。而相邻电气良好的过孔虽也有类似蚀刻情况，但W插头在应力后未与金属1分离。

通过比较不同批次产品的TEM图像，发现过孔底部的空隙对TC应力故障至关重要。应力会使过孔与金属1界面的空隙更容易扩展。此外，该故障模式受TC应力和HTSSL应力的影响不同，TC应力下的故障率约为HTSSL应力下的十倍，说明该故障更受热膨胀和压缩的影响，而非高温下的电压应力。

以下是FIB与TEM结合分析缺陷的流程：

graph LR
    A[新产品出现故障] --> B[位图分析确定故障模式和位置]
    B --> C[显微镜检查未发现热点]
    C --> D[逐层去处理并检查未发现缺陷]
    D --> E[怀疑特定过孔缺陷]
    E --> F[FIB精确横截面切割确认缺陷存在]
    F --> G[TEM揭示缺陷细节]
    G --> H[确定根本原因并改变工艺]

2. FIB诱导沉积金膜在IC器件修改和修复中的应用

随着超大规模集成电路（VLSI）设计的不断发展，对聚焦离子束（FIB）手术技术提出了新的挑战，特别是在沉积低电阻率导电材料方面。传统的沉积方法使用铂（Pt）或钨（W）有机金属化合物，沉积速率约为3 - 7μm³/nA/min，电阻率为200μΩ - cm。然而，随着VLSI设计的进步，需要更低电阻的连接和更短的沉积时间。因此，研究使用二甲基金三氟乙酰丙酮（Dimethyl Gold Trifluoroacetylacetonate，C₇H₁₀AuF₃O₂）作为前驱气体进行FIB诱导金膜沉积。

2.1 金沉积过程与结果

将二甲基金三氟乙酰丙酮[Me₂Au(tfac)]通过直径为800μm的气体喷嘴注入FIB真空室，喷嘴位于器件上方700μm处，角度为45°。初始腔室压力为7.5 x 10⁻⁷托，引入Me₂Au(tfac)后压力增加到2.5 x 10⁻⁵托。金化合物最初加热到30°C以达到该压力，此压力产生约10¹⁰分子/s/μm²的局部气体通量。

初始沉积使用10 - 100pA/μm²的电流密度，得到的薄膜电阻率约为2000μΩ - cm。为去除残留水蒸气或其他污染物，将化合物在50°C下吹扫12小时。吹扫后，需将化合物加热到50°C才能达到2.5 x 10⁻⁵托的腔室压力。

通过不同束电流密度的沉积测试，确定了最佳沉积参数。对于时间 - 电阻比，最佳束电流密度约为50pA/μm²；最低电阻率沉积发生在约25pA/μm²，此时沉积薄膜的电阻率在50pA/μm²时约为75μΩ - cm，在25pA/μm²时约为40μΩ - cm。

初始的俄歇分析显示，沉积的金膜成分约为65% Au、29% C、2% O、2% F和2% Ga，与当前的有机金属沉积结果显著不同。该金属膜中碳和镓的百分比显著降低，可能是有机载体分子中的氟成分将碳和镓氧化掉。较高的金浓度与较低的电阻率结果一致。

金的沉积速率约为5μm³/minutes/nA，略低于铂。较慢的沉积速率导致金沉积的台阶覆盖性较差，但通过将金化合物与一些铂混合（如使用甲基环戊二烯基（三甲基）铂[(CH₃C₅H₄)(CH₃)₃Pt]与二甲基金三氟乙酰丙酮按1:1比例混合），可以解决台阶覆盖问题。混合后的薄膜电阻率约为50μΩ - cm，沉积速率约为10μm³/minutes/nA。

以下是金沉积的参数对比表格：
| 沉积参数 | 初始沉积 | 最佳电流密度（50pA/μm²） | 最低电阻率电流密度（25pA/μm²） | 金铂混合沉积 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 电阻率（μΩ - cm） | 约2000 | 约75 | 约40 | 约50 |
| 沉积速率（μm³/minutes/nA） | - | 约5 | 约5 | 约10 |

2.2 金化合物的稳定性问题

在测试过程中，为维持输出压力，金化合物的温度需从50°C逐渐升高到58°C。随着时间推移，沉积材料的电阻率增加，30天后沉积层失去连通性。俄歇分析显示，化合物变为94% C、4% O和2% F，外观虽无明显变化，但沉积效果明显不同。高温可能导致金有机金属化合物分解，若有机载体分子与金分离，将无法向FIB腔室引入金。此外，沉积后开始出现小颗粒，俄歇分析表明这些颗粒约90%为碳，可能是化合物无法升华成气体，颗粒被带入腔室，或者气体在器件表面冷凝。

2.3 金膜的电迁移和枝晶形成测试

为测试FIB沉积金膜的电迁移和枝晶形成特性，设计了一个测试结构。在测试结构上沉积3000Å厚的金膜，并施加恒定电流30天。30天后，FIB沉积层未观察到物理变化，电阻变化约为 - 5%，可能是由于连续电流流动所致，未发现电迁移或枝晶形成现象。

金膜沉积的流程如下：

graph LR
    A[准备金化合物Me₂Au(tfac)] --> B[注入FIB真空室]
    B --> C[初始加热到30°C达到压力]
    C --> D[初始沉积测试]
    D --> E[12小时50°C吹扫]
    E --> F[不同电流密度沉积测试]
    F --> G[确定最佳参数]
    G --> H[金铂混合沉积改善台阶覆盖]
    H --> I[长期稳定性测试]
    I --> J[电迁移和枝晶形成测试]

综上所述，FIB与TEM技术结合在半导体细微缺陷分析中具有强大的能力，能够准确找出缺陷根源，通过适当的工艺和设计规则改变，成功消除故障模式，提高产品可靠性。而FIB诱导沉积金膜在IC器件修改和修复中具有低电阻率和快速达到低电阻的优势，但金化合物的稳定性问题需要解决，可通过冷却材料或寻找更稳定的化合物版本来改善。这些技术的应用对于半导体行业在短产品生命周期和高竞争压力的市场环境中具有重要意义。

FIB与TEM技术在半导体缺陷分析及金膜沉积中的应用

3. 工艺改进与效果验证

为了进一步确定过孔缺陷的根本原因以及其他参数的影响，对不同工艺条件的批次产品进行了仔细研究。通过对比不同批次产品的SEM和TEM图像，发现TiW在W回蚀过程中被蚀刻，Ti/TiW在M2蚀刻和抗蚀剂剥离过程中被蚀刻。基于这些发现，采取了相应的工艺改进措施。

改进后的工艺效果通过TEM图像进行验证。改进后过孔的Ti/TiW衬垫几乎完好无损，仅在金属2蚀刻时顶部左上角有部分被蚀刻。同时，将设计规则修改为过孔尺寸相对M2尺寸更小，以减少工艺缺陷。经过工艺和设计规则的改变后，多个批次产品经过TC应力测试，均未出现双部分行故障模式，证明了改进措施的有效性。

以下是工艺改进的关键步骤列表：
1. 分析不同批次产品的SEM和TEM图像，确定蚀刻问题的根源。
2. 调整W回蚀、M2蚀刻和抗蚀剂剥离等工艺参数，减少Ti/TiW衬垫的蚀刻。
3. 修改设计规则，减小过孔尺寸与M2尺寸的比例。
4. 对改进后的产品进行TC应力测试，验证改进效果。

4. 金膜沉积技术的优化思路

虽然二甲基金三氟乙酰丙酮在FIB沉积中展现出低电阻率和快速达到低电阻的潜力，但化合物的快速分解问题亟待解决。为了优化金膜沉积技术，可以考虑以下几种思路：

• 冷却材料 ：在不使用金化合物时对其进行冷却，降低温度有助于减缓分解过程，保持化合物的稳定性。
• 寻找更稳定的化合物版本 ：研发或寻找具有更高热稳定性的二甲基金三氟乙酰丙酮类似物，从根本上解决化合物分解的问题。
• 优化沉积工艺参数 ：进一步研究不同的束电流密度、温度和压力等沉积参数，寻找更优的组合，提高沉积质量和稳定性。

以下是金膜沉积技术优化思路的表格总结：
| 优化思路 | 具体方法 | 预期效果 |
| ---- | ---- | ---- |
| 冷却材料 | 在不使用时冷却金化合物 | 减缓化合物分解，延长使用寿命 |
| 寻找更稳定的化合物版本 | 研发或筛选具有高热稳定性的类似物 | 从根本上解决化合物分解问题 |
| 优化沉积工艺参数 | 研究不同束电流密度、温度和压力组合 | 提高沉积质量和稳定性 |

5. 技术应用的综合分析

FIB与TEM技术结合以及FIB诱导沉积金膜技术在半导体领域的应用具有重要意义。FIB与TEM技术结合能够高效、准确地分析半导体器件中的细微缺陷，为工艺改进和产品可靠性提升提供关键依据。而FIB诱导沉积金膜技术在IC器件修改和修复中具有低电阻率的优势，有望满足未来VLSI设计对高性能导电材料的需求。

然而，这两项技术也面临一些挑战。FIB与TEM技术结合虽然提高了分析的准确性和吞吐量，但TEM技术本身耗时且成本高，需要在实际应用中合理安排资源。FIB诱导沉积金膜技术中，金化合物的稳定性问题限制了其广泛应用，需要进一步研究和改进。

为了更好地应用这些技术，半导体企业可以采取以下策略：
1. 建立完善的失效分析流程，合理利用FIB和TEM技术，提高分析效率和准确性。
2. 加强对金膜沉积技术的研究和开发，解决化合物稳定性问题，推动技术的实际应用。
3. 培养专业的技术人才，提高企业在半导体失效分析和器件修改修复方面的能力。

以下是技术应用综合分析的流程图：

graph LR
    A[FIB与TEM技术结合] --> B[分析细微缺陷]
    B --> C[提供工艺改进依据]
    C --> D[提高产品可靠性]
    E[FIB诱导沉积金膜技术] --> F[IC器件修改和修复]
    F --> G[满足VLSI设计需求]
    H[面临挑战] --> I[TEM成本高]
    H --> J[金化合物稳定性问题]
    K[应用策略] --> L[建立失效分析流程]
    K --> M[加强技术研发]
    K --> N[培养专业人才]

6. 总结与展望

FIB与TEM技术结合以及FIB诱导沉积金膜技术在半导体缺陷分析和器件修改修复中具有重要的应用价值。通过准确分析过孔缺陷的根源并采取有效的工艺改进措施，能够显著提高半导体产品的可靠性。而金膜沉积技术虽然存在稳定性问题，但通过优化思路的实施，有望在未来得到更广泛的应用。

在未来的半导体发展中，随着器件尺寸的不断缩小和设计复杂度的增加，对失效分析和器件修改修复技术的要求也将越来越高。因此，持续研究和改进FIB与TEM技术结合以及FIB诱导沉积金膜技术，对于半导体行业的发展至关重要。同时，半导体企业应积极采用优化策略，提高自身的技术水平和竞争力，以适应市场的变化和需求。

总之，FIB与TEM技术结合以及FIB诱导沉积金膜技术为半导体行业带来了新的机遇和挑战，通过不断的探索和创新，有望推动半导体技术向更高水平发展。