Микроскоп 8500-FE-SEM для инспекции полупроводников

Прогресс полупроводниковых приборов резко ускорился к высокой степени интеграции, высокой интенсивности и высокой функциональности. Кроме того, использование приложений широко проникло в  бытовые и промышленные сферы. Анализ отказа представляет собой процесс исследования полупроводниковых приборов после аварии электрическими измерениями, а также с помощью микроскопии и химического анализа. Это необходимо для подтверждения произошедшего отказа и выяснения отказавшего механизма. Данный процесс основывается на сборе информации о вышедших из строя механизмах для последующего установления причины или причин сбоя с помощью широкого спектра  методов. Методы НК (неразрушающий контроль) обладают неоценимыми достоинствами, т.к. никоим образом не воздействуют на отказавший механизм. Поэтому, инспекция обычно начинается с применения данных методов. 5-е издание Microelectronics Failure Analysis Desk Reference, опубликованное ASM International, является отличным источником информации, охватывающем множество методов, используемых в анализе отказа полупроводников.

Типичный анализ включает, но не ограничивается следующим:

  • Изображения: Оптические, Тепловые, FE-SEM (в том числе ЭЦП), АСМ ( в том числе производные режимы, исследование проводящих поверхностей при помощи АСМ, электро-силовая микроскопия, бесконтактный режим АСМ,  SCM( разновидность СЗМ), сканирующая микроволновая микроскопия и другие), а также изображения устройства, находящегося на пластине, полученные при помощи FE-AES
  • Поверхность: сбор информации при помощи FE-AES, отображение по x y координатам, параметры глубины и состав
  • Химический анализ: FT-IR микроспектроскопический анализ, анализ EDC, основанный на результатах СЭМ
  • Структурный анализ: FE-SEM и TEM срез, X-Ray съемка
  • Электрические характеристики - кривые I / V  и параметрический анализ
  • Соотношение визуальных образов с операционной функцией
  • Соотношение химического состава и электронных данных с операционной функцией 
  • Соотношение внутренней структуры с дизайном, разработкой, производством и эксплуатацией.

Из множества научных инструментов, используемых для описания сбоев полупроводниковых приборов, СЭМ является одним из наиболее распространенных. В связи с повсеместной необходимостью использования изображений, полученных при помощи СЭМ, в анализе отказов, новое поколение устройств, таких как компактный или настольный СЭМ, будет в центре внимания. Эти небольшие СЭМ не заменят полный набор аналитических возможностей полноразмерных устройств, однако их простота в использовании и возможность быстрого получения изображений с высоким разрешением дает возможность пользователям расширить диапазон применения СЭМ. Компактный СЭМ повышает общую эффективность и снижает время анализа, что позволяет исследователям быстро получать изображения прибора,в случае, когда для проведения дальнейшего анализа необходимы только изображения, что, в свою очередь, позволит высококвалифицированным операторам полноразмерных SEM сосредоточиться на более сложных анализах.

В компактном полевом эмиссионном  сканирующем электронном микроскопе низкого напряжения Agilent 8500 применяется совершенно новый формат электростатических линз.  Эта инновационная конструкция позволяет получать изображения полупроводниковых приборов с высоким разрешением, которые обычно доступны лишь при покрытии их металлом. FE-SEM 8500 используется для получения изображений вскрытого корпуса микросхемы, дефектов транзисторов, 45 нм структур ОЗ транзисторов, контактных площадок BGA (корпусов поверхностно-монтируемых интегральных микросхем)

Исследование вскрытой микросхемы

После НК анализа, следующим шагом обычно является вскрытие микросхемы.  Целью вскрытия является возможность осмотра поверхности микросхемы без нанесения повреждений кремниевой подложке, проводке и выводам. Далее производятся наблюдения и измерения.  Поверхность микросхемы устройства может быть обследована с помощью компактного FE-SEM (Изображения 1-5).  Состояние чипов, прикрепленных кристаллов, проводки и выводов тщательно осматривается.  Нарушениями, выявленными в ходе внутреннего осмотра, обычно являются: присутствие инородных тел,  структурные нарушения,  обрывы проводки, короткие замыкания, коррозия AI проводов, а также трещины на пассивационных пленках.

Agilent

Дефекты транзисторов

Для увеличения пропускной способности устройств, снижения энергопотребления и уменьшения форм-фактора, производители микроэлектроники снабдили устройства стеком трехмерным чипов, используя кремниевые транзисторы. Таким образом, они сочетают и кремниевые  и компоновочные технологии. В результате, эти новые конструкции  обладают высокой надежностью.

Формирование транзисторов, как правило осуществляется в результате процесса глубокого ионного травления. Однако, если при травлении не удалось “просверлить” металл на достаточное расстояние, то транзистор не сможет провести электрический заряд к уровню, лежащему ниже. Изображения 6-11

Agilent

Визуализация структуры 45 нм транзистора

Одним из ключевых методов для увеличения длины транзистора несколько последних поколений являлось масштабирование диэлектрического слоя.  Данный метод улучшает контроль над электродами, позволяя уменьшить длину каналов и увеличить производительность. С увеличением диэлектрического слоя  повышается утечка тока, что обычно приводит к замедлению увеличения диэлектрического слоя из-за возросшего энергопотребление. Для преодоления этих трудностей необходимо было разработать новые диэлектрические стабильные материалы. С уменьшением масштаба возникают трудности в визуализации структур с геометрическими составляющими. Визуализация структуры 45нм транзистора прежде была недоступна компактному СЭМ. Теперь же, с появлением компактного FE-SEM 8500, отображение данных структур впервые стало возможно. (Изображения 12-14).

Agilent

Контактная площадка BGA

Анализ отказа BGA устройств может быть очень трудным. Основным преимуществом BGA является размещение большого числа контактов входа-выхода (до 500) на сравнительно небольшой площади. Однако, большое количество соединений как раз и делает анализ столь сложной задачей. Двумя из наиболее распространенных видов дефектов являются "дефект черных дорожек" и трещины в прикрепленных кристаллах. "Дефект черных дорожек" связан с остаточным фосфором из химического покрытия металла, вызывающим уменьшение слоя во время пайки припоя. Трещины в прикрепленных кристаллах  связаны с несоответствием размеров материалов из-за расширения под воздействием тепла или механического изгиба печатной платы

Agilent

Исследование среза BGA было проведено с помощью СЭМ, чтобы увидеть дефекты, приведшие к отказу устройства (Изображения 15-20). По завершению проверки интерфейса припоя не было найдено никаких доказательств "дефекта черных дорожек" (Изображения 16-18).  Однако, удалось найти трещины на прикрепленных кристаллах, видимые  при использовании тепловизора (Изображения 19-20).

Agilent

Заключение

Компактный LV FE-SEM не только легок в использовании, но и обеспечивает передовой метод получения изображений структур полупроводниковых устройств в высоком разрешении без необходимости в покрытии их инертным металлом для уменьшения накопления заряда. Несмотря на то, что исследование полупроводниковых образцов имеет множество сложностей ввиду широкого диапазона материалов, дизайна и обработки, их морфологические особенности и дефекты можно легко исследовать с помощью Agilent 8500 FE-SEM.


Вернуться на страницу с описанием микроскопа Agilent 8500 FE-SEM