崔 帥，曹德峰，李志勇，陳 斌（1. 上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203； 2. 中國科學院微小衛(wèi)星重點實驗室，上海 201203）

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聚焦離子束加工技術在元器件可靠性領域中的應用研究

崔 帥1,2，曹德峰1,2，李志勇1,2，陳 斌1,2
（1. 上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203； 2. 中國科學院微小衛(wèi)星重點實驗室，上海 201203）

摘要：FIB技術通過截面加工實現部分失效樣品的原位觀察，通過截面加工獲得的圖像獲取相關信息；能夠進行TEM制樣，是材料微分析領域中不可缺少的分析技術；能夠進行納米器件加工，是微加工領域的一種新型技術。FIB技術可操作性強、樣品損傷小，對航天型號元器件可靠性質量保證技術具有一定的指導意義。

關鍵詞：FIB；結構分析；失效分析；TEM制樣

sample preparation

引言

航天型號用元器件是航天型號工程的基礎。元器件可靠性的高低已經成為制約航天型號工程可靠性的關鍵因素之一。由于航天型號工程的高可靠性、低風險度以及不可維修性等特點，在型號工程研制及系統(tǒng)調試方面需要進行大量的可靠性試驗。通過進行可靠性試驗，為了暴露因元器件選用及使用、產品設計以及系統(tǒng)集成方面的質量缺陷，以提高型號工程的可靠性，保證航天型號工程的高可靠運行。

就目前國內國際元器件級可靠性質量保證技術而言，通用技術主要有元器件補充篩選試驗、破壞性物理分析（DPA）、結構分析（CA）、失效分析（FA）以及應用驗證等。結構分析是近幾年航天型號工程逐漸推廣的新型技術。該技術可以從材料、生產工藝等方面對元器件進行分析，對元器件可靠性起著至關重要的作用。在結構分析中，需要觀察芯片截面，掌握器件生產工藝，檢驗器件工藝對可靠性的影響。目前，裸芯片截面加工主要有兩種方式：一為裸芯片截面研磨加工工藝，二為聚焦離子束（Focused ion beam，簡稱FIB）截面加工。二者各有利弊。Si基器件截面觀察，兩種方式均可進行。然而，對于部分特殊工藝（如GaAs基器件），由于材料為脆性材料，觀察芯片截面只能通過FIB截面加工技術。部分需要截面觀察器件需要借助投射電子顯微鏡（TEM），采用FIB加工技術為TEM制樣。本文就雙束聚焦離子束加工技術進行分析，探討其在集成電路的應用研究，對航天型號可靠性工程具有極其深刻的指導意義。

1 設備組成及原理構成

雙束FIB由掃描電子顯微鏡和聚焦離子束兩個部分構成。目前商用系統(tǒng)的離子源多數采用液相金屬離子源（Liquid Metal Ion Source，LMIS），金屬材質為鎵（Gallium，Ga）。在離子束加工過程中，外加電場于液態(tài)金屬離子源，使液態(tài)鎵形成細小尖端，再加上負電場（Extractor）牽引尖端的Ga，而導出Ga離子束，以電透鏡聚焦，經過一連串變化孔徑（Automatic Variable Aperture，AVA）可決定離子束的大小，再經過二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來達到切割之目的，完成微納米級材質的加工[1]。而后在電子束下對樣品進行觀察并配備能譜分析（EDS）探頭進行成分分析。單束FIB檢測系統(tǒng)如圖1所示，雙束FIB檢測系統(tǒng)示意圖如圖2所示。雙束FIB是目前國內國際市場較為先進的設備。與傳統(tǒng)的單束FIB相比，雙束FIB增加了掃描電子顯微鏡（SEM）功能，優(yōu)勢體現為加工后樣品能及時觀察、能夠對失效器件進行原位觀察等。

圖1　單束FIB檢測系統(tǒng)

2 FIB的應用

2.1 原位失效分析

雙束FIB的一個基本應用是解析樣品缺陷，進行失效分析。相比較單束聚焦離子束而言，雙束電鏡可以利用掃描電鏡作為常規(guī)的表征工具對缺陷部位高分辨表征和精確定位，然后將樣品傾斜至垂直于聚焦離子束，用聚焦離子束來定點加工出一個光滑的截面。由于掃描電鏡和聚焦離子束鏡筒呈一定的角度的夾角，掃描電鏡可以原位對缺陷部位進行分析。

目前半導體行業(yè)失效分析定位技術有多種，如EMMI、ORBICH、SDL單一技術或是組合技術等，它們的測量領域不同，對不同器件采用不同的測量技術。如某些技術能夠量測微安量級電流，但是精度達不到納安級電流量測。有些技術能夠對模擬電路進行定位，有些能夠對數字電路失效定位。在某些失效器件中，FIB切割技術也可以進行失效定位，進行原位測量，該技術和芯片截面加工的原理相同。

圖2　雙束FIB檢測系統(tǒng)示意圖

在雙束FIB中，大束流的聚焦離子束可以實現快速加工；掃描電鏡的高分辨能力可以較為容易地表征樣品的精細結構，束流調節(jié)范圍很寬，可以對失效部位進行快速X射線元素分析[2]。目前市場上雙束在電子束找到失效點，能精確定位，離子束進行切割，電子束實時進行觀察，不僅能得到失效點的清晰圖形，而且大大節(jié)約了時間。圖3(a)為某集成電路失效器件表面形貌，制備的薄膜表面出現鼓包現象（箭頭所指區(qū)域）。表3(b)為(a)圖所指區(qū)域經過FIB截面加工后的形貌?？梢钥闯?，薄膜制備工藝存在空洞缺陷。

2.2 TEM樣品制備

就目前半導體行業(yè)集成電路TEM樣品制備技術而言，主要有以下兩類：其一，機械研磨拋光。需要分析的塊體材料樣品先后通過機械研磨拋光、離子減薄技術，獲取所需觀察區(qū)域，從而在透射電鏡下進行材料分析。相關研究已發(fā)表較多的學術論文。但此加工技術有其局限性，主要表現在：樣品表面易受到污染；制備技術重復率低，對于脆性材料的加工難于進行；制備納米級厚度的材料顯得無能為力；耗費時間較多。其二，聚焦離子束截面加工技術[3-5]。

與傳統(tǒng)的機械研磨加工技術相比，FIB截面加工技術有無可比擬的優(yōu)點，表現在：①樣品表面一般不易受到污染。傳統(tǒng)的機械研磨拋光技術在制備TEM樣品時，由于研磨過程中顆粒鑲嵌等問題，在后續(xù)的清洗工藝中也難于全部去除，制備的樣品通常會受到污染；②制備的樣品重復高，尤其對于脆性材料能夠順利加工；③在工藝合適的前提下，能夠制備納米級厚度的材料進行分析，對于某些表面敏感的樣品能夠做到“零損傷”；④整個樣品制備過程較為省時。一般對于加工一個 10 μm寬度的透射電鏡樣品，用雙束聚焦離子束修補系統(tǒng)一般來說1～2 h既能完成，其樣品厚度能夠達到幾十納米，而采用機械研磨拋光技術制備的器件最低要10～12 h；⑤對于一些加工界面的樣品（如非金屬和金屬界面、不同的金屬之間的界面），傳統(tǒng)方法難于加工。表現在：傳統(tǒng)方法制備的器件表面厚度一致性較差，通常出現在被加工器件一側較薄而另一側較厚，甚至會導致界面的開裂，使分析工作難于進行。但是運用聚焦離子束已經專業(yè)的加工模式，能很好的解決上述問題[6,7]。

采用FIB加工技術制備TEM樣品中，較高的離子束能量會造成器件被加工部位的非晶化，合理選擇加工工藝能夠最大限度地減小非晶化。本文以Si為例，探索了30 kV、5 kV、2 kV條件下加工的樣品TEM形貌，如圖4所示。

圖3　FIB截面加工圖像

聚焦離子束的制備樣品采用一般是30 kV加工到100 nm左右的薄片，然后再用低電壓進行減薄，以降低高電壓的離子束對樣品的損失。2 kV的離子束加工后對樣品的非晶損傷可降低到1～2 nm，便于觀察分析。非晶化層形成的原因是：離子注入單晶半導體的表面，深入幾個、幾十個原子層的距離后與單晶原子發(fā)生碰撞，把原子撞擊出點陣位置，在點陣位置產生一個空位，被擠出的原子停留在晶格之間，形成一個間隙原子?？瘴弧g隙原子不斷積累起來，形成可觀察到的晶格損傷。相關研究表明，當點缺陷密度達到1022/ cm3時，原先的單晶變成非晶態(tài)[6]。

2.3 納米器件加工

納米器件制作工藝最為關鍵的因素是納米尺度材料的加工，目前主要有聚焦離子束和電子束曝光技術，等。最小圖形尺寸已經達到10 nm，甚至更小。利用這些技術可以比較容易地加工獲得納米量級的微細結構。

采用FIB技術進行納米器件加工，利用的是離子質量較大的功能，加速聚焦后的離子轟擊材料表面會發(fā)生濺射，采用逐點掃描的方式對材料微區(qū)表面進行刻蝕加工。被加工材料的刻蝕深度由離子束流大小、刻蝕面積和刻蝕時間等參數決定，而刻蝕的形狀由離子束的掃描范圍所決定。

采用FIB技術進行周期性微納米器件結構加工，目前主要有兩種加工方案：一種是通過改變束斑與束斑之間的重疊度，使能量在空間具有周期性的不均勻分布，從而制備出規(guī)則的納米結；另一種是通過引入位圖圖形，對加工過程進行控制，從而得到與位圖相同的結構[1]。后種方法的原理是圖形的顏色與離子束斑在每一掃描點的駐留時間存在對應關系，即不同顏色的區(qū)域有不同的離子劑量（刻蝕深度），實現器件能夠較好加工的目的。此外，在FIB設備中引入位圖，還可以在材料表面加工出任意形狀的結構。圖5為采用FIB加工技術沉積Pt點陣圖形，沉積的Pt表面較為平整。

圖4　不同工作電壓下Si表面圖像

圖5　離子束沉積的Pt點陣

3 結論

本文以航天型號工程用元器件可靠性為重點，介紹了雙束FIB在失效分析、TEM制樣以及新型納米器件加工中的應用，得出以下結論：

1）FIB技術能夠實現失效樣品的原位觀察，通過截面加工獲得的圖像獲取相關信息，定位精確、減少時間且不會引入新的失效模式；

2）FIB技術能夠進行TEM制樣，相對于傳統(tǒng)制樣技術具有較大優(yōu)勢，是材料微分析領域中不可缺少的分析技術；

3）FIB技術能夠進行納米器件加工，是微加工領域的一種新型技術。

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中圖分類號：V461

文獻標識碼：B

文章編號：1004-7204（2016）02-0026-05

作者簡介:

曹德峰，男，碩士研究生學歷，工程師，上海微小衛(wèi)星工程中心元器件可靠性中心工作，主要從事航天型號元器件失效分析工作。

Application of Focused Ion Beam Processing Technology in Reliability Field

CUI Shuai1,2, CAO De-feng1,2, LI Zhi-yong1,2, CHEN Bin1,2
(1. Shanghai Engineering Center for Microsatellites, Shanghai 201203; 2. Key laboratory for Microsatellites, Shanghai 201203)

Abstract：By cross-section machining technique, partial failure components were observed using Focused Ion Beam, some of the relevant information was obtained. As an indispensable analytical technique, it can carry out micro-analysis of material, Transmission Electron Microscope sample preparation and fabricate nano-devices. As a new technology, it has little damage to the sample and be useful in micromachining field. The reliability quality assurance technology of aerospace model components has some certain guiding significance.

Key words：focused ion beam; construct analysis; failure analysis; transmission electron microscope