28、扫描电子显微镜与离子束电压衬度技术在半导体失效分析中的应用-优快云博客

扫描电子显微镜与离子束电压衬度技术在半导体失效分析中的应用

1. 扫描电子显微镜（SEM）的评估

1.1 评估背景与目的

随着半导体器件几何尺寸向亚四分之一微米发展，失效分析技术需不断改进。扫描电子显微镜（SEM）是为制造提供失效分析数据以提高良率和工艺的重要工具。在购买 SEM 时，其载物台的能力常被忽视，而这对于准确分析半导体器件至关重要。本次评估旨在为失效分析实验室购买最适合分析亚半微米半导体器件和晶圆的 SEM。

1.2 评估方法

1.2.1 确定应用与需求

评估过程的第一步是明确 SEM 的应用和设备的合格因素，确定优先需求列表，包括易用性、环境和安装考虑、分析样品的大小和材料、设备正常运行时间以及客户支持等。

1.2.2 十大重要特征

以下是半导体失效分析实验室选择 SEM 时最重要的十大特征：
1. 精确的软件控制载物台
2. 在 1kV 或更低电压下具有高图像分辨率，采用肖特基或冷场发射（FE）
3. 由 Microsoft Windows95 或 Windows NT 控制
4. 成本约为 50 万美元
5. 可靠性 - 每周 5 天，每天 12 小时的正常运行时间超过 95%
6. 样品导航 - 能够读取晶圆厂的缺陷审查工具数据和测试仪的位图
7. 腔室尺寸 - 理想情况下能通过负载锁容纳 150mm 晶圆样品
8. 样品交换时间少于 3 分钟
9. 易于使用 - 适合不同专业水平的多个用户
10. 系统可用性 - 交货时间少于 4 个月

1.2.3 选择供应商与样品测试

选择了五家主要的 SEM 供应商和三家载物台制造商进行研究和评估。准备了两片处理过的晶圆样品发送给各制造商进行分析。一个样品是经过去处理以显示重复几何形状的晶圆片，用于测试 SEM 载物台和成像能力；另一个样品是未装饰的聚焦离子束（FIB）切割样品，用于评估 SEM 在 FIB 截面上的成像能力。

1.2.4 设备演示与测试

对每个制造商的一到两款 SEM 产品进行评估。通过实际操作演示设备，检查载物台的功能和控制、成像能力以及设备在超出规格限制时的性能。同时，进行验收测试以验证设备是否满足客户要求和供应商规格，并在采购订单中包含设备正常运行时间的保证。

1.3 分辨率评估

在演示设备时，不仅要考虑载物台，还要关注设备在低加速电压下的成像能力。肖特基场发射和冷场发射 SEM 有根本区别，肖特基 FE SEM 具有更高的束流/信号、更好的束稳定性等优点，而冷 FE SEM 往往具有更好的最终图像分辨率。对于本次应用，SEM 源的选择不是主要因素，但对于其他客户，设备使用环境或分析样品材料可能会影响 FE 源的选择。

1.4 载物台评估

1.4.1 应用需求

在半导体失效分析中，准确的载物台对于定位特定的存储单元至关重要。例如，64MDRAM 存储节点的间距约为 0.7μm，载物台需要以 0.35μm 的精度驱动到所需位置。

1.4.2 术语解释

以下是一些载物台相关术语的解释：
- 精度：载物台移动到指定“未访问”样品位置的接近程度
- 计算机中心旋转：样品旋转后，软件控制使感兴趣区域回到视野中心
- 共心点：倾斜轴与电子束光轴的交点
- 共心性：真正居中
- 焦心度：载物台在 x 或 y 方向移动后，样品保持聚焦
- 图像位移：载物台移动后，居中特征不在视野中心
- 重复性/再现性/精度：载物台回到指定“存储”位置的接近程度
- 堆叠顺序：描述载物台运动配置的顺序
- 倾斜共心性：倾斜时图像无位移

1.4.3 载物台类型与理想设计

主要有三种载物台设计：笛卡尔载物台、倾斜共心载物台和焦心载物台，每种都有其缺点。理想的载物台应结合两种共心载物台的优点，完全电动化，每次运动精度在 0.25μm 以内，且不降低 SEM 的图像分辨率能力。

1.4.4 样品操作与控制

准确的样品操作关键在于对齐。三点对齐是最有益的方法，可校正样品的正交性。样品安装方法也很重要，应使用夹具机制确保样品稳定。软件用于驱动载物台、计算尺寸和导航样品，实现精确控制。

1.4.5 评估测试

使用两片样品对载物台的机械性能和软件控制进行测试，包括对齐能力、精度和重复性测试等。测试内容如下：
1. 使用机器提供的最精确对齐程序对齐晶圆，三点对齐最佳。
2. 选择两个易于识别的特征，测量 x 和 y 方向的距离，输入距离移动载物台，测量与屏幕中心的差异以获取精度数据。
3. 在不同区域重复上述步骤，观察对齐和驱动载物台的效果。
4. 进行另一个精度测试，移除并更换设备或晶圆，重新对齐后回到存储位置。
5. 进行重复性测试，随机存储多个点，多次驱动载物台到这些点，检查与存储位置的距离。
6. 进行倾斜共心性/重复性测试，倾斜样品并测量起始和结束位置的距离。
7. 进行计算机中心旋转精度和重复性测试，旋转样品并测量特征位置的变化。

1.4.6 评估结果

不同的 SEM 和载物台在图像分辨率、载物台精度、软件控制等方面表现各异。最终，选择了一款具有 2μm 精度载物台的旧 FE SEM 进行改造，并购买了一款图像分辨率最佳的新 SEM，希望在一年内开发出精确的载物台改造方案。

1.5 评估总结

通过本次评估，发现 SEM 行业在开发适用于半导体应用的精确载物台方面有所忽视，而将大部分开发精力放在了提高设备的成像能力上。载物台是实验室 SEM 开发的薄弱环节，需要在未来解决诸如样品充电、磁场影响等问题，以满足亚四分之一微米器件对 0.1μm 精度载物台的需求。

2. 聚焦离子束（FIB）与被动电压衬度（PVC）技术在 SRAM 单比特失效分析中的应用

2.1 背景与问题提出

静态随机存取存储器（SRAM）中的单比特失效是最常见且最难分析的失效模式，随着芯片特征尺寸减小，难度进一步增加。传统失效分析技术对于高温工作寿命（HTOL）失效往往无效，因为 HTOL 失效通常由细微的物理缺陷引起。

2.2 新技术介绍

2.2.1 聚焦离子束（FIB）技术

FIB 技术不仅可以修改设计，还能进行顺序横截面切割和原位观察，能快速准确地对单个特征进行多次切割，对整体器件的损伤最小。

2.2.2 被动电压衬度（PVC）技术

PVC 技术在 SEM 技术中已被观察到 50 多年。电子束扫描器件表面使其表面结构充电，建立局部电位，影响二次电子发射，使表面结构呈现明暗差异，从而增强定位和识别 IC 电路中异常的能力。离子诱导的 PVC 与电子束诱导的类似，该技术在 IC 失效分析中已得到应用。

2.3 实验过程

2.3.1 SRAM 单比特失效情况

一个 1M SRAM 批次在 500 小时动态老化应力测试后出现单比特失效，这是该批次的主要失效模式。这些器件采用 0.45μm 的 6 晶体管（6T）CMOS 技术制造，失效分析具有挑战性。

2.3.2 传统分析方法

首先采用传统的逐层去处理方法进行分析，但无法确定缺陷的确切位置，排除了缺陷与金属、多晶硅等其他层相关的可能性，推测缺陷位于局部互连层，但无法确定是否遗漏了其他可能的缺陷。

2.3.3 FIB 横截面切割 + PVC 分析

选择一个具有单比特失效的样品进行分析。去除顶部金属层后，使用 SEIKO - 9800 FIB 系统从失效位边缘进行切片，共进行约 20 次切割，并在每次关键切割后获取 FIB 图像。通过观察图像，发现了 LIl 和 LI2 之间的残留物，该残留物导致了两层之间的短路。

2.4 结果与讨论

通过能量色散 X 射线光谱（EDX）分析和映射，确定残留物中含有铝，这是在钨通孔图案化过程中引入的。基于此分析，修改了制造工艺，解决了问题。

2.5 总结

结合 FIB 和 PVC 技术，能够快速定位传统方法难以检测到的细微缺陷。这种方法在 SRAM 失效分析中具有重要应用价值，可提高分析成功率，为半导体制造工艺的改进提供有力支持。

2.6 相关表格

SEM 评估因素	说明
图像分辨率与加速电压	加速电压降低，图像分辨率下降，低 kV 用于减少样品充电和污染
倾斜与工作距离	样品倾斜时，工作距离增加
分辨率与工作距离	工作距离增加，分辨率下降
关键尺寸测量	需要 CD 工具准确测量工艺几何形状
EDX 能力与工作距离	必须能够在指定工作距离下对感兴趣元素进行成像和元素分析
最大样品尺寸通过负载锁	样品无法通过负载锁时，需缩小尺寸或从前门放入，负载锁抽气时间短
样品支架	样品应牢固固定，位置可重复，碳带不稳定
负载锁控制	自动控制更方便，涡轮泵操作更清洁
双束对齐	kV 变化时，束保持对齐
混合探测器/背散射电子图像	混合图像可能显示更多细节
视频帧缓冲大小	像素越多，图像记录和存储越好
图像增强与注释	记录图像
模拟与数字	数字图像更易处理
TV 速率模式，记录模式	成像时可移动样品且不丢失位置
源寿命	更换成本和停机时间
安装要求	冷却液、压缩空气成本
环境条件	振动、磁场、室内照明影响设备运行
肖特基场发射与冷场发射	环境和样品材料可能影响图像分辨率
传统透镜与锥形或透镜内透镜	锥形或 1TL 透镜在低加速电压下分辨率更高
加热光阑	更清洁，维护更少
电磁光阑与机械光阑	电磁光阑无需外部调整
LN 防污染杜瓦瓶/指状物	减少腔室内样品污染
N2 吹扫线	夜间吹扫可去除腔室内部分污染

载物台特征	说明
精度	当前重复几何形状间距小于 2μm，需高精度定位
重复性	重复性小于 1μm，高精度载物台需要高重复性
可靠性	SEM 运行依赖载物台，系统正常运行时间要求高
成本	应小于 SEM 总成本的 20%，或改造时小于 10 万美元
样品支架	样品应牢固固定，位置可重复
振动/晃动规格	避免因振动降低 SEM 图像分辨率
共心性	决定载物台操作样品的易用性
连杆和齿轮	连杆会增加载物台操作的偏差
内部与外部电机	内部电机无需长连杆
步进电机与直流电机	步进电机控制更精确
电动轴数量	电动轴越多，操作越容易，但可能引入更多振动
激光干涉仪与线性编码器	激光干涉仪定位更准确
样品尺寸与覆盖范围	能够分析整个样品
倾斜范围	45°倾斜用于分析 FIB 横截面，90°倾斜用于观察长横截面
间隙补偿	确保载物台位置准确
载物台控制校正/最小轴移动	小于 1μm 的移动可通过图像移动或电机校正
载物台映射软件	校准载物台以提高定位精度
放大倍数校准	图像放大倍数变化时，中心不偏移
晶圆校正	考虑晶圆翘曲和器件正交性，将晶圆与载物台对齐
CAD 导航	读取 DRT 格式或测试仪位图，快速驱动到所需位置
计算机中心旋转	分析时旋转特征有用
存储载物台位置数量	希望存储位置数量不受限制
样品/柱碰撞避免	自动保护避免柱接触
对齐操作	1、2、3 点对齐用于准确导航样品，3 点对齐校正正交性
x, y 对齐独立性	工作距离或加速电压变化后，样品无需重新对齐
倾斜/不倾斜后重新对齐	倾斜后重新对齐的方法

2.7 mermaid 流程图

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px

    A([开始评估 SEM]):::startend --> B(定义 SEM 应用和合格因素):::process
    B --> C(确定优先需求列表):::process
    C --> D(选择 SEM 供应商和载物台制造商):::process
    D --> E(准备样品并发送给制造商):::process
    E --> F(比较初始图像，筛选 SEM):::process
    F --> G(进行设备演示):::process
    G --> H(进行验收测试和正常运行时间保证):::process
    H --> I(选择最佳 SEM 和载物台):::process
    I --> J([结束评估]):::startend

    K([开始 SRAM 失效分析]):::startend --> L(采用传统逐层去处理方法):::process
    L --> M{确定缺陷位置?}:::decision
    M -->|否| N(采用 FIB + PVC 技术分析):::process
    N --> O(进行 FIB 切片和图像分析):::process
    O --> P(确定缺陷原因):::process
    P --> Q(修改制造工艺):::process
    Q --> R([结束分析]):::startend
    M -->|是| R

以上内容详细介绍了扫描电子显微镜的评估方法和聚焦离子束与被动电压衬度技术在 SRAM 单比特失效分析中的应用，为半导体失效分析提供了重要的参考和技术支持。

3. 技术对比与综合分析

3.1 SEM 不同载物台技术对比

为了更清晰地了解不同载物台在 SEM 评估中的表现，我们对几种常见载物台进行了对比分析，具体如下表所示：
|载物台类型|精度（μm）|重复性（μm）|特点|局限性|
| — | — | — | — | — |
|笛卡尔载物台| - | - |无共心点，x 或 r 方向移动时保持聚焦，可进行计算机中心旋转|倾斜时失去标本，y 方向移动且倾斜时失去焦点|
|倾斜共心载物台| - | - |倾斜时图像无位移，x 或 y 方向移动时标本保持聚焦，可进行计算机中心旋转|只有一个共心点|
|焦心载物台| - | - |x 或 y 方向移动时标本保持聚焦，低倍时标本可保持在视野内，可进行计算机中心旋转|标本未靠近共心点或高倍观察时，倾斜载物台会出现大的图像位移|
|Stage #1|0.25| - |使用激光干涉仪和压电电子元件实现高精度|不能旋转或倾斜样品，样品尺寸受限，成本高|
|Stage #2|2（0°倾斜时）|1|使用线性编码器，软件控制优秀，可定制|倾斜或旋转时失去对齐和精度|

从上述对比可以看出，不同载物台各有优劣。在选择载物台时，需要根据具体的应用需求和实验条件进行综合考虑。例如，如果需要对样品进行多角度观察，倾斜共心载物台可能更合适；而对于对精度要求极高且样品尺寸较小的应用，Stage #1 可能是一个选择，但要考虑其成本和功能限制。

3.2 SEM 成像技术对比

在 SEM 的成像技术方面，肖特基场发射和冷场发射是两种常见的技术，它们的对比如下：
|成像技术|优点|缺点|适用场景|
| — | — | — | — |
|肖特基场发射|束流/信号高，束稳定性好，抗环境杂散磁场和地板振动能力强，无需闪光或烘烤| - |对图像分辨率要求不是极高，但对束流和稳定性要求较高的场景|
|冷场发射|最终图像分辨率好| - |对图像分辨率要求极高的场景|

此外，不同的透镜类型（传统透镜、锥形或透镜内透镜）在不同加速电压下的分辨率也有所不同。锥形或 1TL 透镜在低加速电压下具有更高的分辨率，适用于需要在低电压下进行高分辨率成像的应用。

3.3 FIB 与传统失效分析技术对比

当 FIB 技术与 PVC 技术结合时，能够大大提高检测细微缺陷的能力，弥补了 FIB 单独使用的不足。

4. 技术应用案例分析

4.1 SEM 在半导体失效分析中的应用案例

在某半导体失效分析实验室中，需要对一批亚半微米半导体器件进行失效分析。实验室按照以下步骤进行了 SEM 的评估和选择：
1. 确定需求 ：明确 SEM 需要具备精确的载物台控制、在低加速电压下的高图像分辨率、易用性等特点。
2. 选择供应商 ：根据市场调研，选择了五家主要的 SEM 供应商和三家载物台制造商。
3. 样品测试 ：准备了两片处理过的晶圆样品，分别用于测试载物台和成像能力。
4. 设备演示 ：对各供应商的 SEM 产品进行了演示，检查了载物台的功能和控制、成像能力等。
5. 评估与选择 ：经过综合评估，选择了一款具有 2μm 精度载物台的旧 FE SEM 进行改造，并购买了一款图像分辨率最佳的新 SEM。

通过使用这两款 SEM，实验室成功地对半导体器件进行了失效分析，提高了分析效率和准确性。

4.2 FIB + PVC 技术在 SRAM 失效分析中的应用案例

如前文所述，一个 1M SRAM 批次在 500 小时动态老化应力测试后出现单比特失效。实验室首先采用传统的逐层去处理方法进行分析，但无法确定缺陷位置。随后，采用 FIB + PVC 技术进行分析，具体步骤如下：
1. 样品准备 ：去除顶部金属层，以便更容易计数到失效位。
2. FIB 切片 ：使用 SEIKO - 9800 FIB 系统从失效位边缘进行切片，共进行约 20 次切割。
3. 图像分析 ：在每次关键切割后获取 FIB 图像，通过观察图像发现了 LIl 和 LI2 之间的残留物。
4. 缺陷确定 ：通过能量色散 X 射线光谱（EDX）分析和映射，确定残留物中含有铝，是在钨通孔图案化过程中引入的。
5. 工艺改进 ：基于分析结果，修改了制造工艺，解决了问题。

这个案例充分展示了 FIB + PVC 技术在 SRAM 失效分析中的强大作用，能够快速准确地定位传统方法难以检测到的细微缺陷。

5. 未来发展趋势与展望

5.1 SEM 技术的发展趋势

随着半导体器件几何尺寸的不断缩小，对 SEM 的性能要求也越来越高。未来，SEM 技术可能会朝着以下方向发展：
1. 更高的分辨率 ：进一步提高在低加速电压下的图像分辨率，以满足亚四分之一微米甚至更小尺寸器件的分析需求。
2. 更精确的载物台 ：开发具有更高精度和稳定性的载物台，减少样品振动对图像分辨率的影响，同时提高载物台的操作便利性。
3. 智能化与自动化 ：引入人工智能和自动化技术，实现 SEM 的自动对焦、自动图像分析和缺陷识别，提高分析效率和准确性。

5.2 FIB + PVC 技术的发展趋势

FIB + PVC 技术在半导体失效分析中已经取得了显著的成果，未来可能会有以下发展：
1. 更广泛的应用 ：不仅应用于 SRAM 失效分析，还将拓展到其他类型的半导体器件和集成电路的失效分析中。
2. 技术的改进与创新 ：进一步提高 FIB 切片的精度和效率，优化 PVC 技术的检测灵敏度，开发新的分析方法和算法。
3. 与其他技术的结合 ：与其他先进的分析技术如原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）等结合，实现更全面、更深入的失效分析。

5.3 mermaid 流程图：未来技术发展趋势

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A([SEM 技术发展]):::startend --> B(更高的分辨率):::process
    A --> C(更精确的载物台):::process
    A --> D(智能化与自动化):::process

    E([FIB + PVC 技术发展]):::startend --> F(更广泛的应用):::process
    E --> G(技术的改进与创新):::process
    E --> H(与其他技术的结合):::process

6. 总结

本文全面介绍了扫描电子显微镜（SEM）的评估方法和聚焦离子束（FIB）与被动电压衬度（PVC）技术在半导体失效分析中的应用。通过对 SEM 载物台和成像能力的评估，我们了解到载物台是 SEM 开发中的薄弱环节，需要进一步改进以满足半导体器件不断发展的需求。同时，FIB + PVC 技术在 SRAM 失效分析中表现出了强大的优势，能够快速定位传统方法难以检测到的细微缺陷。

未来，随着半导体技术的不断进步，SEM 和 FIB + PVC 技术也将不断发展和创新。我们期待这些技术能够在半导体失效分析中发挥更大的作用，为半导体产业的发展提供更有力的支持。在实际应用中，我们应根据具体的需求和场景，合理选择和应用这些技术，以提高失效分析的效率和准确性。