芯片器件失效分析切片技术，您了解多少？

　　切片的需求与必要性

　　半导体芯片器件的失效分析和微结构观察，横截面切片可提供有关器件的大量信息，例如各层厚度、层结构、层中各种晶体的晶粒大小以及是否存在空隙，分层及缺陷。应用阶段从IC的单一晶体管结构（transistor）、芯片金属接线（inter-connection）、封装打线（wire bonding）/锡球接合结构（solder joint）到PCB的翘曲（bending）异常现象。

　　切片处理的最佳境界是快、准、宽、亮。

　　快即是从试样制备到观察所需的时间要短；准则是可达成切片目标点的最小尺寸；宽是说所需要观察的面积要大；亮就是所呈现横截面的表面干净等级。所以针对尺寸非常小的目标点（如数纳米的制程缺陷）或大面积范围的结构（如数百微米的硅穿孔）就必须有不同的切片方式以求快、准、宽、亮四个主要需求。

　　切片方式介绍

　　机械研磨

　　这方式最为简单使用，针对各式各样的产品或材质皆可以快速执行，如金属、陶瓷、粉末、电子产品等。机械研磨可做大面积的观测范围（数微米到数厘米的宽度）。

　　缺点是研磨过程中容易产生机械应力效应，如变形、弯曲、刮痕、裂缝等人为缺陷存在试样表面或界面，造成观察的误判。图一显示研磨过程的各种缺陷。

　　  

　　图一、CP（Cross-section Polisher）

　　CP其操作原理是利用文件板将目标物遮住，再用离子束切割，作用时间长短可控制出观察范围的大小，试样切割出可观察的区域呈现U字型（如图二）。针对不同的样品的硬度，制备出镜面样品。

　　此方式可以避免在研磨过程中所产生的应力、刮痕、抛光液粒子的残留，完成的样品表面光滑无损伤，同时可以表现出材料内部的真实结构，有利于后续使用SEM、EDS或其它分析设备对样品进行进一步的观察和分析。

　　  

　　图二、试样切割U字型区域

　　  

　　图三、光滑无损伤的品表面

　　  

　　图四、机台外观图

　　Dual Beam FIB

　　DBFIB是结合了聚焦离子束（FIB）和扫描电子显微镜（SEM），其中离子束可用于去除特定位置的材料，而SEM可用于无损成像和分析。图五介绍了双光束系统配置，其切割和侧面观察的方向及夹角架构。DBFIB是目前切片设备中精准度最高的利器，可以精准至纳米等级这是其他方式无法达成的境界，其优势是切片的范围在数十至数百微米之内，适合小范围的精密切片。

　　  

　　图五、机台外观图

　　关键技术和应用

　　试样制作

　　特别是透射电镜（TEM）及扫描式电镜（SEM）试样制作。

　　  

　　图六、透射电镜（TEM）

　　试样制作（FIB lift-off method）

　　精准缺陷及制程工艺切片

　　精准度可应用于5nm以下的先进制程工艺。

　　  

　　图七、最新鳍式晶体管

　　（FINFET）的横截面观察

　　失效点VC（Voltage Contrast）定位

　　可以定位精准到单个晶体管位置。

　　  

　　图八、一个典型的via open

　　造成VC异常的失效分析

　　SEM取向衬度

　　可以依晶粒对比分析晶粒大小。

　　  

图九、不同散射角度呈现晶粒的晶体取向

　　IC线路修补

　　  

　　图十、典型FIB线路修补的案例

　　以下方表格归纳出三种切片方式可以达到的需求及存的缺点，有助于客户判断产品或分析出规格对应的最佳切片工具。