实战案例 | 双束聚焦离子束（DB-FIB）和透射电子显微镜（TEM）在芯片失效分析中的组合应用

此前推文（失效分析 | 透射电子显微镜（TEM）在封装工艺中的应用）简单介绍了TEM的原理和广电计量的TEM测试能力。这一篇推文主要是分享另外一个TEM和DB-FIB用于芯片失效分析的案例。

在做HTGB（高温栅偏测试）项目时，出现了Pass die漏电较小，Fail die IGSS漏电过大 (＞200nA) 的情况。需要对漏电大的芯片进行复测，同时定位漏电所在的位置（热点Hot spot）。之后再利用FIB/TEM对漏电位置进行微观结构/成分分析，找到漏电点所在的膜层；最后基于电镜分析的结果对失效机理做初步判断。

首先根据InGaAs（砷化镓铟微光显微镜）测试给出的热点位置坐标图（图1 a，低倍），在电子束窗口中大概找到目标热点所在的区域（图1 b为该芯片样品的低倍SEM表面形貌图，红色小框即为根据a中坐标位置定位的大概区域）。再利用带有网格坐标的高倍InGaAs热点图像（图1 c），在电子束窗口中精确地找到该热点位置（图1 d红色框所示即为热点区域）。确认位置后利用Stage rotation功能微调芯片样品的方向，使MOS结构在SEM图像中平行于FIB加工方向（即图1 d蓝色粗线）。

热点区域的FIB截面加工最关键的步骤是精抛光。在精抛光的过程中需要打开软件的iSPI功能，将离子束加工的模式设置为间隔特定时间的自动暂停，同时在SEM窗口采集横截面的图像，实时监控截面加工的进展。当加工到热点区域的中心位置附近时开始出现异常点，此时暂停横截面加工并用SEM拍照，得到的横截面的低倍全貌图和异常点的高倍图像，如图2 a)和b) 所示。由此可知该异常点（白色颗粒）的特征尺寸较小，FIB中的能谱分析可能难以满足分辨率的要求，因此需要终止FIB加工，在已经加工出的横截面基础上原位提取出异常点的透射样品切片，并对该异常点做TEM上的纳米级能谱分析，以解析其元素成分。

在已经加工的截面的基础上，进行TEM样品制备，原位提取出透射样品切片。样品制备完成后，进行TEM/EDX分析。图3为图2 b) 中两个异常位置（裂纹和白色particles）的TEM明场像；由高倍图像可知，该裂纹终止于poly与下方氧化层的界面处（图3 b红色箭头处）。仅从高倍TEM明场像无法判断异常点的成分，要想进一步分析异常点的失效机理，需要进行EDX元素分析。

图4 是白色particles的TEM/EDX元素分析结果。由元素的面扫描分布图可知，该异常点的主要成分是SiO₂以及一些 P元素，与原始的Poly熔融在一起。图5 是裂纹处的TEM/EDX元素分析结果，图5 c) 和e）中红色箭头所指的位置，可观察到有SiO₂沿着裂纹进入Poly层，与poly发生熔融。由此可以推测，很可能是在Poly的生长工艺阶段产生了裂纹，而后SiO₂沿裂纹进入Poly层。因此，应该从Poly生长工艺排查该异常点产生的原因，进而改进工艺，提高产品良率。

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。