21、聚焦离子束在材料分析与故障追踪中的应用

聚焦离子束在材料分析与故障追踪中的应用

1. 聚焦离子束制备透射电镜样品技术

1.1 研究背景与目的

在材料分析领域，对于化学气相沉积（CVD）的钨塞（W - plug）和硅化钨（WSix）等材料的微观结构表征十分重要。传统的透射电子显微镜（TEM）样品制备方法在处理这些高Z因子材料时存在一定局限，而聚焦离子束（FIB）铣削技术为制备横截面透射电子显微镜（XTEM）样品提供了新的途径。其目的是制备出极薄且均匀的样品，以实现高空间分辨率的TEM观察，同时解决高Z因子材料制备过程中的问题和伪像。

1.2 实验材料与步骤

• 材料 ：选用CVD的W - plug和WSix作为样品，它们是超大规模集成电路（ULSI）中常用的通孔互连和栅极材料。
• 切片制备 ：遵循特定的XTEM样品制备方法，通过激光切割或FIB标记可能存在电气故障或关键工艺结构的特定位置，然后进行切割、研磨至20 - 50μm厚度，并安装到改进的铜网上。与传统方法不同的是，改进铜网的形状和位置可防止气体喷嘴撞击TEM样品。
• FIB制备过程 ：
  1. 镀膜 ：在FIB制备前，在TEM样品两侧涂上几百埃厚的金属膜，作为导电路径，防止充电效应和热损伤。
  2. 粗铣 ：使用FIB在XTEM样品两侧进行卤素气体辅助铣削，采用I₂气体和大电流模式（870 pA），直至样品厚度达到1μm。由于XeF₂蚀刻速率高，不适合长时间蚀刻。
  3. 精铣 ：逐步降低离子束电流（300 pA、150 pA和60 pA），将膜铣至200 - 300 nm厚。
  4. 去除裙边 ：将离子束入射角设置为与样品表面垂直方向偏离5° - 3°，以去除锥形膜的裙边。
  5. 镀牺牲层 ：在膜两侧涂上牺牲性Pt膜，在厚度为200 - 300 nm时，采用低电流模式（60 - 10 pA）沉积，使用I₂作为气体源，以补偿不同材料溅射/蚀刻速率的差异。

1.3 结果与问题解决

• 充电效应导致的离子束偏移 ：通过在膜两侧涂覆导电Pt膜，克服了充电效应引起的离子束偏移问题。牺牲性Pt膜不仅是良好的导电膜，还能作为热传导膜，减少FIB制备过程中的热损伤和充电效应。
• FIB制备的条纹/掩蔽效应 ：这是XTEM样品制备中常见的伪像，特别是对于具有不同溅射/蚀刻速率、表面形貌变化和离子束诱导化学蚀刻（IBICE）的材料更为明显。采用牺牲性Pt膜补偿W - plug / W - 硅化物栅极的溅射/蚀刻速率差异，并使用低电流模式沉积，减少了这种效应。
• 双轴倾斜导致的孔洞形成 ：为了去除楔形轮廓并获得超薄膜，采用双轴倾斜技术。在最终步骤中，将偏移角度设置为0°，在W - plug / W - 硅化物栅极位置进行特定位置铣削，使用低电流模式（10 pA）和IBICE，可减少孔洞形成。

1.4 实验示例与结论

制备了两种类型的STEM样品，分别用于观察W - plug结构的胶层和晶粒以及W - 硅化物栅极结构。通过优化的FIB工艺制备的样品，在TEM观察中显示出较少的辐射损伤和均匀的厚度，底部无孔洞形成。这种新颖的技术提供了一种及时、可靠且高产的方法，可将XTEM分析作为ULSI工艺表征工具，整个分析过程可在工作日内甚至5小时内完成，包括研磨、机械抛光（1 - 1.5小时）和FIB制备（3 - 4小时）。

2. 基于电子束测试仪的自动故障追踪系统

2.1 研究背景与目的

定位有缺陷的逻辑LSI的故障起源需要昂贵的设备，如电子束测试仪和LSI测试仪。为了最大限度地利用这些设备，提高故障分析吞吐量并节省人力，开发了一种自动故障追踪系统。该系统通过控制电子束测试仪和LSI测试仪，在无需人工干预的情况下，通过比较故障LSI样品和良好LSI样品的行为，逆向追踪故障传播路径，定位故障起源。

2.2 系统结构

2.2.1 硬件结构

• 基本的电子束测试仪（IDS5000HX），将真空室盖替换为双芯片加载器（DCL）单元。
• DCL可在几秒钟内交换样品，通过LAN、GP - IB和RS - 232C，可由软件控制电子束测试仪、LSI测试仪和DCL。

2.2.2 软件结构

• 回溯控制器（BC） ：从观察到故障的输出焊盘开始，逆向追踪故障传播路径，确定要测量逻辑电压电平（高或低）的网络和测试向量。参考预先提取的晶体管级网表，即使存在多个故障，也只指出一个故障。
• 图像采集控制器（IAC） ：通过控制电子束测试仪和DCL，对指定LSI样品的指定区域进行SEM图像微调并采集。在微调过程中，改变影响图像质量的参数，如对比度、焦点、像散和透镜对准，使互连边缘清晰。还可在指定测试向量下采集电压对比图像。
• 模式匹配器（PM） ：将IAC采集的未激活SEM图像与布局进行匹配，推导从布局坐标到SEM图像位置的位置映射。不使用电压对比图像进行模式匹配，因为相同电压电平的相邻互连边缘会变得不可检测。
• 电压分析仪（VA） ：根据采集的电压对比图像的亮度，判断指定位置的逻辑电压电平（高或低）。
• 角注册工具（CR Tool） ：在自动故障追踪之前，在用户的协助下，对两个LSI样品的4个角进行位置注册和初始调整。推导布局坐标与SEM坐标之间的关系，以及SEM坐标与适当参数值之间的关系。

2.3 回溯控制

2.3.1 基本回溯方法

• 引入导电路径和输入网络的概念，从预先指定的聚焦网络和测试向量开始回溯。在回溯过程中，指定一个电压在两个样品中不同的网络作为聚焦网络。只要聚焦网络序列不形成循环，就从聚焦网络的输入网络中选择下一个未知网络进行测量。如果测量的网络电压在两个样品中不同，则将聚焦网络更改为测量的网络。
• 避免循环：当聚焦网络序列即将形成循环时，尝试找到序列中被忽略的其他输入网络进行测量。如果找不到，则在测试向量中向后移动，找到两个样品中电压不同的第一个测试向量。

2.3.2 电压推断方法

• 正向推断 ：如果存在从某个网络X到Vdd的导电路径，且仅通过栅极电压为低的p沟道晶体管，则推断网络X的电压为高。
• 反向推断 ：如果某个网络X的电压为高，则在从该网络到GND的每个仅通过n沟道晶体管的导电路径中，至少有一个n沟道晶体管的栅极电压为低。
• 推断抑制 ：如果某个网络可能同时与Vdd和GND导电，则抑制对该网络的推断。

2.3.3 处理推断错误

通过引入真值维护系统的形式化方法，记录推断结果的前提条件和测量结果，检测和记录矛盾，使依赖于矛盾假设的推断结果无效，并避免依赖这些假设的推断。必要时进行实际测量，以纠正推断错误。

2.4 图像采集与模式匹配

2.4.1 微调SEM图像

IAC通过控制DCL加载指定样品，参考CR Tool推导的布局坐标与SEM坐标之间的关系，调整SEM图像质量参数，如对比度、焦点、像散和透镜对准，通过评估图像的垂直和水平边缘清晰度，逐渐提高图像的清晰度。

2.4.2 获取电压对比图像

在获取电压对比图像时，为了应对电子电荷导致的对比度下降问题，采用周期性电源开关方法。在每次运行测试向量序列之前关闭样品的电源，使互连电压接地，电子束照射使钝化层上的电荷均匀，从而获得高对比度的电压分布图像。

2.4.3 模式匹配

• 要求 ：考虑SEM图像与布局之间的中心位置差异、放大倍数差异和角度差异，目标是推导线性函数的最佳参数。
• 方法 ：
  1. 提取线段 ：从SEM图像中提取互连边缘，将其近似为线段，计算平均倾斜度并修正线段倾斜度。
  2. 选择长线段 ：垂直和水平划分图像，选择每个划分中最长且最孤立的线段，用于确定放大倍数。
  3. 提取大空间 ：提取由线段包围的空间，按大小排序并选择大空间。
  4. 匹配线段 ：重复选择大空间对、确定放大倍数和评估重叠的步骤，找到最佳匹配，推导从布局坐标到SEM图像位置的位置映射。

2.5 判断逻辑电压电平

VA通过以下步骤判断指定位置的逻辑电压电平：
1. 查找连接区域 ：参考布局中的多边形，找到目标位置所在层的电气连接区域。
2. 读取像素值 ：读取连接区域的像素值分布。
3. 确定确定电压电平 ：根据像素值大小和直方图或相邻区域比较，确定连接区域的逻辑电压电平。
4. 判断指定位置电压电平 ：推导阈值，根据阈值确定指定位置的电压电平。

2.6 实验结果与结论

该自动故障追踪系统的原型版本应用于一个具有20k门的LSI，在回溯控制、图像采集、模式匹配和判断逻辑电压电平方面都取得了成功。从有故障的输出焊盘开始，成功回溯到故障起源。省略测量的网络数量为156个，约占总所需测量网络数量（540个）的30%，整个自动追踪过程耗时8小时。该系统目前正在进行增强，以处理更大规模的LSI和采用先进平面工艺（如CMP）生产的LSI。

2.7 相关流程与表格

2.7.1 FIB制备流程

graph LR
    A[切片制备] --> B[镀膜]
    B --> C[粗铣]
    C --> D[精铣]
    D --> E[去除裙边]
    E --> F[镀牺牲层]

2.7.2 自动故障追踪系统软件流程

graph LR
    A[CAD工具提取网表] --> B[Backtrace Controller]
    B --> C[Image Acquisition Controller]
    C --> D[Pattern Matcher]
    C --> E[Voltage Analyzer]
    F[CR Tool角注册] --> C

2.7.3 自动故障追踪实验结果表格

项目	数值
自动追踪时间	8小时
电压对比图像数量	163
总测量网络×样品数量	384
每张图像平均测量网络数	2.35
测试向量从开始到结束的差异	145
聚焦网络数量	70
省略测量的网络×样品数量	156

3. 技术对比与综合分析

3.1 聚焦离子束制备样品技术与传统方法对比

传统的透射电镜样品制备方法在处理高Z因子材料如CVD的W - plug和WSix时，难以达到极薄且均匀的厚度要求，容易在样品中引入较多的伪像和损伤。而聚焦离子束制备样品技术通过采用双轴倾斜、气体增强聚焦离子束铣削和牺牲金属涂层等方法，能够有效克服这些问题。例如，牺牲性Pt膜的使用可以补偿不同材料溅射/蚀刻速率的差异，从而获得具有W - plug / WSix栅极结构的均匀厚度膜。与传统方法相比，该技术制备的样品在TEM观察中具有更高的空间分辨率和更少的辐射损伤。

3.2 自动故障追踪系统与人工故障分析对比

人工故障分析依赖于经验丰富的技术人员，通过获取和检查电压对比图像来定位故障起源。这种方法不仅需要昂贵的设备，而且人力成本高、分析效率低。自动故障追踪系统则通过控制电子束测试仪和LSI测试仪，在无需人工干预的情况下，能够快速、准确地定位故障起源。该系统采用了模式匹配、图像微调、电压推断等技术，减少了测量网络的数量，提高了故障分析的吞吐量。例如，在对一个20k门的LSI进行故障分析时，自动故障追踪系统成功回溯到故障起源，且省略了约30%的测量网络，整个过程耗时仅8小时。

4. 技术应用拓展与前景展望

4.1 聚焦离子束制备样品技术的应用拓展

聚焦离子束制备样品技术在材料科学、半导体制造等领域具有广泛的应用前景。除了用于CVD的W - plug和WSix材料分析外，还可以应用于其他高Z因子材料和复杂结构的微观表征。例如，在纳米材料研究中，该技术可以制备出高质量的TEM样品，用于观察纳米材料的晶体结构、界面特性等。此外，随着半导体工艺的不断发展，对器件尺寸和性能的要求越来越高，聚焦离子束制备样品技术可以为半导体器件的失效分析和工艺优化提供有力支持。

4.2 自动故障追踪系统的应用拓展

自动故障追踪系统可以应用于各种类型的逻辑LSI故障分析，特别是对于大规模集成电路和复杂系统的故障定位具有重要意义。随着集成电路的集成度不断提高，故障分析的难度也越来越大，传统的人工故障分析方法已经难以满足需求。自动故障追踪系统通过自动化的操作和先进的算法，能够快速、准确地定位故障起源，提高故障分析的效率和准确性。此外，该系统还可以与其他测试设备和分析工具相结合，形成更加完善的故障分析平台。

4.3 技术前景展望

聚焦离子束制备样品技术和自动故障追踪系统作为先进的材料分析和故障诊断技术，将在未来的科学研究和工业生产中发挥越来越重要的作用。随着技术的不断发展和创新，这两种技术将不断完善和优化，提高分析精度和效率。例如，聚焦离子束制备样品技术可能会采用更先进的离子源和铣削工艺，进一步提高样品制备的质量和速度；自动故障追踪系统可能会引入人工智能和机器学习算法，提高故障诊断的智能化水平。

5. 总结

5.1 技术要点总结

• 聚焦离子束制备样品技术 ：通过切片制备、镀膜、粗铣、精铣、去除裙边和镀牺牲层等步骤，制备出具有均匀厚度和较少伪像的TEM样品。采用双轴倾斜、气体增强聚焦离子束铣削和牺牲金属涂层等方法，克服了高Z因子材料制备过程中的问题。
• 自动故障追踪系统 ：由硬件和软件组成，通过控制电子束测试仪和LSI测试仪，在无需人工干预的情况下，逆向追踪故障传播路径，定位故障起源。采用了模式匹配、图像微调、电压推断等技术，减少了测量网络的数量，提高了故障分析的吞吐量。

5.2 技术优势总结

• 聚焦离子束制备样品技术 ：能够制备出高质量的TEM样品，提高了材料分析的精度和效率。减少了样品制备过程中的伪像和损伤，为材料的微观结构研究提供了可靠的支持。
• 自动故障追踪系统 ：实现了故障分析的自动化，提高了故障定位的准确性和效率。减少了人力成本和设备使用时间，提高了设备的利用率。

5.3 技术应用总结

• 聚焦离子束制备样品技术 ：应用于材料科学、半导体制造等领域，用于高Z因子材料和复杂结构的微观表征。为纳米材料研究、半导体器件失效分析和工艺优化提供了有力支持。
• 自动故障追踪系统 ：应用于各种类型的逻辑LSI故障分析，特别是对于大规模集成电路和复杂系统的故障定位具有重要意义。与其他测试设备和分析工具相结合，形成更加完善的故障分析平台。

6. 相关表格与流程图补充

6.1 技术对比表格

技术类型	传统方法	聚焦离子束制备样品技术	人工故障分析	自动故障追踪系统
样品制备质量	一般	高	-	-
分析效率	低	高	低	高
人力成本	高	低	高	低
设备利用率	低	高	低	高
故障定位准确性	一般	-	一般	高

6.2 技术应用拓展流程图

graph LR
    A[聚焦离子束制备样品技术] --> B[材料科学研究]
    A --> C[半导体制造]
    A --> D[纳米材料研究]
    E[自动故障追踪系统] --> F[逻辑LSI故障分析]
    E --> G[大规模集成电路故障定位]
    E --> H[复杂系统故障诊断]
    B --> I[微观结构表征]
    C --> J[失效分析]
    C --> K[工艺优化]
    F --> L[故障起源定位]
    G --> M[提高生产效率]
    H --> N[保障系统可靠性]

通过以上对聚焦离子束制备样品技术和自动故障追踪系统的介绍和分析，我们可以看到这两种技术在材料分析和故障诊断领域具有重要的应用价值和发展前景。随着技术的不断进步，它们将为科学研究和工业生产带来更多的便利和创新。