失效分析 | 透射电子显微镜（TEM）在封装工艺中的应用

在明视距离下，人的眼睛能够分辨的两点之间的最小距离约为0.1 mm。为了观察更小的物质结构，人们利用透镜的聚光能力，发明了光学显微镜。光学显微镜的诞生是人们认识微观物质世界的一个里程碑，但是其放大能力并不是无止境的，光学显微镜最小分辨率极限为200 nm。如果想追求更小的分辨率，需要找到更短波长的光源代替可见光；由此，电子显微镜应运而生。

电子显微镜利用被加速的电子束作为光源，照射固体材料，以电子束散射的电子为信号，对材料表面形貌进行高分辨成像，其分辨率可以达到1 nm以下。本文的主角就是目前电子显微镜中分辨率最优秀的透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）。接下来将简要介绍TEM的工作原理以及广电计量TEM的分析能力，重点介绍利用TEM进行半导体失效分析的相关案例。

TEM是一种把经加速和会聚的电子束照射到非常薄的样品上，电子束能够穿透非常薄的样品，并且与样品中的原子发生碰撞，激发出相干弹性散射电子、非相干非弹性散射电子、透射电子以及特征X射线等信号；采用不同的方法收集这些信号，来实现对样品形貌、晶体结构、化学成分等分析的超高分辨显微分析设备。

由于透射电子显微镜收集透过样品的电子束的信息，因而样品必须要足够薄，使电子束能够穿透，因此需要特别为TEM制造分析样品。常见的TEM样品制样方法包括：电解双喷，冷冻切片，离子减薄以及双束扫描电子显微镜 (DB-FIB，点击链接回顾上期文章)。DB-FIB可以实现纳米级精度的定点TEM样品制备，制备方法包括截面制样、平面制样以及平面转截面制样。利用DB-FIB制备的TEM超薄切片，除了可以满足先进制程晶圆制造工艺分析的要求，还可以进行芯片和半导体器件的失效分析。比如芯片的漏电、短路、烧毁、异物等异常失效点位的截面制样分析、平面制样分析以及平面转截面分析；利用TEM可以对相关失效点位进行形貌观察、尺寸量测、成分分析等，其分辨率最高可达到原子级(<0.1 nm)。

广电计量集成电路测试与分析实验室，目前配有赛默飞公司的Talos F200X透射电子显微镜。该型号具有最为快速、准确且量化的多维纳米材料表征分析能力；融合了出色的高分辨率 STEM 和 TEM 成像功能与行业领先的能谱仪 (EDS) 信号检测功能，可为 EDS 数据处理和量化分析提供极高的速度和精确度。

图1  TEM型号：赛默飞 Talos F200X

加速电压：200 kV

TEM 信息分辨率：0.12nm；STEM HAADF 分辨率：0.16nm

EDS能谱分析的能量分辨率：≤136 eV

已知Via和衬底界面的结构为衬底/Ti/Seed Cu/电镀Cu，且通过DB-FIB分析观察到该界面产生了裂纹。客户想要进一步分析该裂纹具体是在上述哪两种物质的界面萌生的，进而分析其失效机理并回溯改进相关工艺。

在Via的直径处提取截面TEM样品，样品深度约为30 μm。减薄后的TEM样品全貌如图2所示。这种远大于常规TEM样品深度（一般为~5-10 μm）的尺寸表明广电计量具备大尺寸TEM样品的制备和分析能力。两个红色框处是后续TEM拍照分析区域。

图2  利用DB-FIB制备的透射切片样品的全貌图，样品深度~30 μm

用TEM的明场模式观察图2中左边的红色框区域，低倍和高倍图像如图3所示。从高倍TEM图片（图3c）可以看出，裂纹两侧的缺口形貌吻合，拼接后可以还原出界面的原始形貌。再利用EDX进行元素分析，结果如图4。由图4可知，裂纹两侧均为Cu元素，而EDX无法区分Seed Cu和电镀铜，因此需要借助衍射分析来确定裂纹两侧区域Cu的晶体结构和相应的晶格参数，从而判断两侧的铜是同种类型还是不同类型。

图4  裂纹两侧区域EDX元素分析结果

a) HAADF图像；b) Ti元素分布；c) Cu元素分布

裂纹附近区域的衍射分析结果如图5。由此可知，三个不同区域采集的衍射斑点，标定结果均为Cu的fcc结构（从不同的晶带轴入射）。但是经过计算和对比，这三个区域对应的衍射斑点，其晶面间距有所不同；也就是说虽然都是fcc结构，但是其晶格参数（fcc晶胞的a值）不同，表明其是不同的工艺所得。尤其是区域2（绿色框）和区域3（黄色框）的晶格参数差异，表明该裂纹是在不同工艺的Cu的界面产生。

图5  a)裂纹区域高倍TEM图像和衍射斑点采集位置示意图

b) 衬底区域的Cu衍射斑点

结论：衍射结果证明裂纹两侧为不同类型的 Cu，也就是说裂纹是从seed Cu与电镀Cu的界面产生并沿着此界面扩散。基于此可以作为改进相关工艺的依据。

刘辰 英国曼彻斯特大学 材料学博士。

2019年毕业后进入赛默飞世尔科技公司，双束电镜应用工程师。主要负责售后培训以及售前的现场demo演示等。2022年4月起加入广电计量上海集成电路测试与分析实验室，担任半导体技术副经理，主要负责MA技术线的技术支持和实验室的日常管理工作。具有近十年的材料分析经验和电镜实操及理论经验。