纳米尺度三维表征在半导体精确失效分析中的创新应用

Release time: 2024-01-17


精确和创新是推动半导体行业进步的关键。传统的半导体失效分析局限于二维成像技术,随着FIB-SEM(聚焦离子束-扫描电子显微镜)技术的创新,我们解锁了FIB三维断层扫描成像的潜力。这是一种能够提供半导体结构纳米级别三维表征的开创性方法。

  

▲在FIB三维断层扫描成像过程中,材料在竖直方向被离子束一层层地去除,并在每次切割后采集SEM图像,以生成样品的三维结构图像堆栈

识别和定位缺陷是半导体失效分析的日常任务。三维断层扫描成像技术使工程师能在三维空间准确定位缺陷,尤其是如FinFET,GAA等具有复杂三维结构的先进工艺产品。因此该技术有助于多种应用场景,如缺陷分析、良率提升、工艺优化和器件设计等。

案例一:先进工艺器件的三维分析【1】

逻辑、存储器件从平面结构逐渐向三维发展,关键尺寸也越来越小,因此对三维分析技术的需求与日俱增。

图片该案例使用蔡司双束电镜Crossbeam 550L及ATLAS 3D软件,在5nm制程芯片SRAM区域进行三维断层扫描数据的采集,实现了0.5nm的切片厚度控制。

▲SRAM区域三维重构得到的渲染图,以及提取出的fin结构

▲通过Atlas 3D软件的自动校准流程,使用基准标记识别每一个切片的XYZ位置来进行漂移校准。上图展示了XZ平面在M1层的两组原始数据(a,c)和校准后的数据(b,d)

案例二:功率半导体的三维分析【2】

IGBT和SiC MOSFET是功率半导体领域常用的器件类型。在分析这类器件时,结构形貌和PN结轮廓对于理解器件特性和失效意义非凡。运用FIB三维断层扫描的方式,可在指定的位置得到三维的亚表面器件结构和掺杂分布

▲使用蔡司双束电镜Crossbeam 550获得的FIB三维断层扫描可视化数据,样品分别为IGBT(a,b)和SiC MOSFET(c,d)

▲每一列分别表示从IGBT的三维数据中提取的XY、YZ和XZ平面,黄线表示提取平面的具体位置

FIB三维断层扫描技术同时提供了失效分析所需的两组不同信息,通过三维数据以及提取出的二维平面图像,能更好的了解器件内部结构和离子注入区域的分布

FIB三维断层扫描往往需要连续运行数小时甚至更长时间,对于设备稳定性,尤其是离子束、电子束稳定性有极高要求,蔡司双束电镜Crossbeam系列的ion-sculptor离子镜筒和Gemini电子镜筒在稳定性方面有着显著优势;出色的低电压高分辨成像性能保证了在每一切片成像时得到的是样品的极表面信息,使重构结果更准确;另外在Atlas 3D软件的加持下,可自动进行XYZ三轴的漂移

软硬件结合的综合解决方案可实现1nm以下的切片厚度控制,从而以纳米级的体素大小复现更真实的三维结构。

参考文献

1. Stegmann, Heiko, and Alexandre Laquerre. "FIB-SEM Tomography Acquisition and Data Processing Optimization for Logic and Memory Structures." ISTFA 2023. ASM International, 2023.

2. Stegmann, Heiko, Greg Johnson, and Andreas Rummel. "Combining three-dimensional FIB-SEM imaging and EBIC to characterize power semiconductor junctions." ISTFA 2023. ASM International, 2023.

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