使用fibTOF技术提升半导体故障分析

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       由意大利国家研究委员会微电子与微系统研究所领导、发表于ISTFA会议录的一项近期研究，首次提出利用fibTOF技术进行横截面飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析，以应对金属间介质层（inter-metal dielectric, IMD）日益缩小的特征尺寸所带来的故障分析挑战。该搭配飞行时间质谱检测能力的分析技术在硼磷硅玻璃（BPSG）层中对硼和磷的检测能力表现出良好前景，其性能接近传统的独立二次离子质谱仪，同时突显了改进实验方案以提升重复性和定量可靠性的必要性。

     通过化学气相沉积法（chemical vapor deposition, CVD）形成的硼磷硅玻璃薄膜是先进半导体制造中的关键介电材料，尤其应用于超大规模集成电路（VLSI）和极大规模集成电路器件（ULSI）。相较于磷硅玻璃，硼磷硅玻璃因其较低的流动温度、良好的回流特性、低应力及较强的碱离子吸收能力，能在狭窄导线分布间实现无空隙填充。精确控制硼和磷的浓度对于防止结晶化和接触失效至关重要，这些潜在故障会影响器件可靠性和成品率。传统方法如能量色散X射线光谱（EDX）难以检测硼等低浓度元素，而传统二次离子质谱仪则需要对大面积平坦区域进行分析。聚焦离子束-飞行时间二次离子质谱（FIB TOF-SIMS）技术克服了这些限制，能在复杂半导体结构中进行局部掺杂剂分布的深度剖析，支持设备层级的故障分析。

     研究人员展示了利用装载了fibTOF的FIB TOF-SIMS如何为跨越不同结构的BPSG薄膜提供可靠的硼和磷深度分布图。在裸晶圆上，基于刻蚀坑的剖析技术产生了平坦、清晰的侵蚀轮廓，并具有一致的溅射速率，尽管质谱空间分辨率较低，其掺杂剂趋势结果与传统二次离子质谱仪结果相当。在1微米接触链结构（contact chain structure）中，横截面飞行时间二次离子质谱成像成功区分了晶圆中心与边缘的掺杂剂浓度差异，这与电阻增加现象相关，并确认了工艺偏差。提取的局部深度分布图显示磷的测量结果与能量色散X射线光谱高度吻合，而硼元素则无法通过EDX方法检测到。在亚100 nm微控制器器件中，尽管存在复杂几何结构和较多噪声信号，通过精细区域成像仍能获得有意义的金属沉积前的介电质层掺杂剂（pre-metal dielectric dopant）分布图，证明了该方法在设备层级故障分析中的能力。

     简而言之，装备fibTOF的FIB TOF-SIMS在半导体故障分析中展现出巨大潜力。使用更高强度的初级离子束流可提升信号产出；通过配置更长离子飞行路径的检测器（TOFWERK）则能增强质谱质量分辨率。实际上，采用更高质量分辨率的fibTOF将显著减少谱图干扰并改善峰的分离效果（关于此配置及性能差异的更多细节，请移步重新定义分辨率：为您的应用选择合适 fibTOF 型号。

      虽然该技术无法达到扫描透射电子显微镜-能量色散X射线光谱、电子能量损失谱或原子探针断层扫描的空间分辨率，但FIB-TOF-SIMS所需样品制备过程极为简化，并能对标准聚焦离子束横截面进行快速成像分析。随着进一步的优化和校准标准建立，采用个fibTOF技术的FIB TOF-SIMS有望实现掺杂剂定量分析，这标志着相较于传统能量色散X射线光谱方法的重大进步。