失效分析 | 双束扫描电子显微镜

显微分析技术重要的设备包括：光学显微镜(OM)、双束扫描电子显微镜(DB-FIB)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。今天的文章将介绍DB-FIB的原理及应用，重点介绍广电计量DB-FIB的服务能力及DB-FIB应用于半导体分析相关的案例。

双束扫描电子显微镜（DB-FIB）是将聚焦离子束和扫描电子束集成在一台显微镜上，再加装气体注入系统（GIS）和纳米机械手等配件，从而实现刻蚀、材料沉积、微纳加工等许多功能的仪器。

其中，聚焦离子束（FIB）是将液态金属镓 (Ga) 离子源产生的离子束经过加速，再聚焦于样品表面产生二次电子等信号，并经由探测器收集成像；或利用强电流离子束对样品表面刻蚀，进行微纳加工；还可以结合物理溅射和化学气体反应，进行选择性刻蚀或者沉积金属和绝缘层。

主要功能：定点截面加工，TEM样品制备，选择性刻蚀或增强刻蚀，金属材料沉积和绝缘层沉积等。

应用领域：目前DB-FIB被广泛应用于陶瓷材料、高分子、金属材料、生物、半导体、地质学等领域的研究和相关产品检测。尤其是DB-FIB独有的定点透射样品制备能力，使其在半导体失效分析能力具有不可替代的应用。

广电计量上海集成电路测试与分析实验室目前配备的DB-FIB均为赛默飞Helios G5系列，是目前市场上最先进的Ga-FIB系列。该系列能实现1 nm以下的扫描电子束成像分辨率，并且比上一代的双束电镜在离子束性能和自动化程度方面更加优化。广电计量的DB-FIB均配备了纳米机械手，气体注入系统（GIS）和能谱EDX，能够满足各种基本和高阶的半导体失效分析需求。

作为半导体物性失效分析的有力工具， DB-FIB可以进行纳米级精度的定点截面加工，在FIB 加工的同时用纳米级分辨率的扫描电子束实时观察截面微观形貌和进行成分分析；实现不同的金属材料（钨，铂等）和非金属材料（碳，SiO2）的沉积；还可以定点制备TEM超薄切片，能满足原子级的超高分辨率观测要求。

广电计量还将持续不断地投入先进电子显微分析设备，不断提升和扩充半导体失效分析相关能力，为客户提供细致且全面深入的失效分析解决方案。

利用DB-FIB的定点截面加工功能，可以对先进制程芯片进行截面形貌分析和量测，如图2所示。从M1，M2, 一直到M14和Top metal层，均能利用DB-FIB清楚地观察并且测量相应的层厚。

在测试BVDSS项目时，Fail die出现了打火及击穿电压下降的情况，初步判断为热失效。从芯片的背面利用OBIRCH（Optical Beam Induced Resistance Change, 激光束电阻异常侦测）确定了热点位置之后，再用双束电镜结合EDX能谱，观察热点位置的横截面微观形貌并进行成分分析，结果如图3所示。图3 a 是热点的中心位置附近的截面SEM图像，此时观察到了大面积的异常（红色框）。对异常处进行高倍SEM形貌观察和EDX能谱分析，结果见图3 b) 和c)。图3 b)为a) 中红色框区域的放大图像，c) 是b) 中黄色框区域的部分元素面扫描分布图。由能谱结果可知，异常点成分为金属Ni，同时有部分Al熔融进入了MOS内，怀疑是沉积Ti层之前的光刻工艺引入了杂质。

DB-FIB另一个最为重要的功能就是制备透射样品超薄切片。广电计量目前可以实现50 nm以下的定点超薄切片，满足原子级分辨率的TEM观测要求。

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。