新一代微分析及微加工手段_聚焦离子束系统

1、论文 研制报告文章编号 :1004-4507(2000 04-0019-07新 一 代 微 分 析 及 微 加 工 手 段聚焦离子束系统江素华 , 谢进 , 王家楫(复旦大学国家微分析中心 , 上海 200433摘 ! 要 :聚焦离子束 (FIB 技术是 90年代发展起来的具有微细加工和微分析组合功 能的新技术 。 随着集成电路线宽的不断减小 , 集成度不断提高 , 该技术已在微电子工 业中被广泛应用 , 其优势也日益显现 。 文中主要对 FIB 系统的构成作较为详尽的介 绍 , 同时也涉及该技术的应用和发展 。 关键词 :微分析 ; 微加工 ; 聚焦离子束中图分类号 :TN307; TN40

2、5 98文献标识码 :AA New Method for Microanalysis and MicromachiningFocused Ion Beam SystemJIANG Su-hua, XIE Jin, WANG Jia-ji(N ational M icroanalysis Center, Fudan U niversit y, Shanghai 200433, ChinaAbstract:Focused Ion Beam(FIB is an advanced technology for failure analysis and de vice modification It h

3、as been widely accepted in the semiconductor industry As the in tegration density of IC is continuously increasing, the advantages of FIB become more and more obvious The paper presents the detailed introduction of FIB device, at the same time, its application and development are also involved Keywo

4、rds:M icroanalysis; Micromachining; FIB.前 ! 言! ! 现代微电子工业发展迅猛 , 其方向无疑是器件尺寸的减小和电路集成度的提高。在 过去的 20年中 , 制造工艺和手段日趋成熟 , 高性能的新一代集成电路层出不穷。做到这收稿日期 :2000 10 20; ! 修回日期 :2000-11-08作者简介 :江素华 (1976 , 女 , 上海市人 , 复旦大学材料科学系材 料物理与化 学专业 99级硕 士研究 生 , 现 从事微电子材料与元器件微分析技术 的研究。19第 29卷第 4期 Vol 29 4! ! ! ! ! ! 电子工业专用设备 Equip

5、ment for Electronic Products M anufacturing ! ! ! !2000年 12月December 2000些 , 在有赖于制造设备更新同时 , 有效地对沾 污及各种缺陷进行控制更是实现生产最优化 的关键所在。因此 , 材料检测和失效分析成 为 IC 发展和制造必不可少的手段。多种微分析设备可根据在失效分析过程 中不同方面不同阶段的应用分为两大类 1。 第一类是用于对失效器件进行初步的模式及 部位的分析确定 , 也就是在鉴别失效模式过 程 中 的应 用 , 如 :电 压衬 度 显微 镜 (Voltage contrast m icroscopy 、 电 子

6、 束 感 生电 流 (E BIC 或光束感生电流 (OBIC 等 ; 第二类是用 于对材料 中的缺陷或沾 污粒子进行 观测定 位 , 并分析成分 , 即在描述失效特征过程中的 应用 , 如 :俄歇电子显微镜 (AES 、 透射电子 显微镜 (TEM 、 二次离子质谱仪 (SIMS 、 扫 描电子显微镜 (SEM 、 X 光衍射和荧光 (X-ray diffraction and fluorescence 等。当然 , 上述第二类材料分析工具更为常 见的用途是对新材料、 新生产手段和新工艺 的鉴定 2。例如 SIM S 对注入深度的纵断面 成像被运用于校准工艺模型 ; AES 的深度剖 面图可以

7、被用来确定薄膜材料的均匀度、 纯 度以及 TiN 或 TiSi 2外延膜界面态性质等。 但在上述技术的应用中面临的共性问题 是定位制样精度不高 , 周期长。这就限制了 它们在微电子领域中的应用。而 90年代发 展起来的 聚焦离子束技 术是一种集 形貌观 测、 定位制样、 成分分析、 薄膜淀积和刻蚀各 过程于一身的新型分析和加工技术。它大大 提高了材料、 工艺、 器件分析及修补的精度和 速度 , 目前已成为微电子 R&D 和产业必不 可少的关键技术之一。1! 聚焦离子束系统! ! 90年代初 发展起来的聚焦离子束技术 已经成为现代半导体产品分析实验室里的重 要一员。它用聚 焦离子束 代替

8、了扫 描电镜 (SEM 及透射电镜 (TEM 中所用的质量较 轻的电子束 , 使传统的显微分析观察和微加 工技术的结合上有了新的突破。图 1显示了 FIB 基本工作原理 , 在离子 柱顶端的液态离子源上加较强的电场来抽取 出带正电荷的离子 , 通过同样位于柱中的静 电透镜、 1套 可控的四极偏转装置和八极偏 转装置 , 将离子束聚焦 , 并在样品上扫描 , 离 子束轰击样品 , 产生的二次电子和二次离子 被收集并成像。为了避免离子束受周围气体 分子的影响 , 金属腔体和离子泵系统保证了离 子柱工作在高真空条件下 (小于 7#10-5Pa 。图 1! FIB 工作原理示意图离子束通过小孔由离子柱

9、进入样品室 ,Vol 29 4! ! ! ! ! ! ! Equipment for Electronic Products M anufacturing ! ! ! ! ! ! December 2000室中装有一个五维可调的样品架 , 便于样品 多方位的分析。聚焦离子束的真空系统至少包括两个分 立但相互联系的抽气系统。分别用来对离子 柱和样品室抽真 空。前者 多采用离 子吸附 泵 , 可以将柱体抽真空达到液态离子源的工 作要求 (1#10-51#10-6Pa 。后者则可 有多种组合 , 机械泵先粗略地对样品预抽 , 再 用 涡轮分 子 泵 (TM P 进 一步 抽至 高真 空。 整个真空系

10、统由计算机控制 , 保证操作的安 全可靠。1 1! 离子柱 (Ion C olumn! ! 离子柱可谓是整台设备的核心 , 位于样 品 室的顶部 , 它包括 液态离 子源 , 一 系列聚 焦、 束流 限制、 偏 转装置以 及保护和 校准部 件。由于液态离子源表面有非常高的电流强 度 , 使离子束存在能量色散 , 一般大于 5eV 。 这使得色差对离子柱的影响远大于球差。为 了得到高分辨率 , 柱体中光学部件的设计将 使磁透镜的色散控制在最小限度。比如采用 不对称的三元透镜等方法。但是光学上的限 制还会使束的最小直径随着限束孔大小的改 变而改变 , 束流强度的大小与孔的面积成正 比。离子束的直径

11、同工作距离也有一定的关 系 , 当工作距离加大时 , 束直径也随之增大 , 但当工作距离在 1575mm 之间变化时 , 束 斑只稍微变大 ; 另一方面 , 束电压的下降也会 导致束斑变大 , 且影响比较明显 , 因此尽管离 子柱可以在很大的电压范围内工作 , 但最佳 分辨率是 在最高电压和 最小工作距 离时获 得。1. 1. 1! 离子源 (LIMS液态金属离子源的工作原理如下 :初始 状态时 , 场发射离子源中电子被势垒束缚在 原子核周围 , 在离子源上施加一个很强的电 场 , 电子通过隧道穿透效应穿过势垒 , 继而产 生许多带正电荷的离子。通过抽取电极和聚 焦系统就能形成可用的离子束。G

12、a 2+是较为常用的液态离子源 , 能提供 高亮度和高角分布强度 , 相比较而言 , 双等离 子发射源所能提供的亮度要低得多。在 LIMS 上的电场 , 可通过在抽取电极 上施加一个高的负电压实现。离子源是一个 半顶角为 49 的金属圆锥体 , 这个角度大致 等于电场在衬底表面液态金属产生的角度。 Ga 覆盖在衬底上并有加热圈对其进行持续 加热以保持离子源的清洁。为了使衬底上液 态金属形成角状 , 外加电场必须达到一定强 度。发射开始时 , 束流强度以约 200mA/kV 的速率上升 , 同时 , 液体表面的束流密度也到 达约 108A/cm 2。足够强的电场在衬底上将 液 态 Ga 拉出一个

13、泰 勒角 , 锥 形发射源微小 尖顶的末端半径约 2nm 左右 , 场致离子发射 就在此处发生。电场的大小以及 Ga 表面平 衡张力决定了此角度的大小。和 LIM S 配套的抽取装置被固定在抽取 电极上方的某一精确位置 , 它们在离子柱光 学轴上的位置及离抽取电极的距离都必须经 过精密地校准。承载 LIM S 和抽取电极的陶 瓷基板可通过腔外的球状把手的侧向移动来 实现精确定位 , 陶瓷基板可同时起到固定和 绝缘作用。 LIMS 在 x 、 y 方向上移动的范围 一般为 12cm 。LIM S 的寿 命与工作条 件有关 , 操作时 注意养护 , 掌握得好 , Ga 2+LIM S 会达到最长

14、寿命。真空应优于 6 65#10-5Pa, 总电流应 小于 3 A, 对离子源加热时应 小心保护 , 过 分加热会明显缩短其寿命。1. 1. 2! 离子束控制系统它包括限束、 束消隐、 四极控制、 八极偏 转等部件。限束装置的自动可调光阑 (Automatical ly Variable Aperture 是在软件控制下对离子 束的束径进行调整的装置。既 1根细杆上有 21第 29卷第 4期 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 电子工业专用设备 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 2000年 12月510个小孔 , 通过一定的电压值来进行调 整 , 孔杆的位置是由 x 、 y

15、两个方向上的转盘 来控制。离子束消隐组件 (Beam Blanking Assem bly 包括消隐电极 , 束消隐孔和监测消隐电 流的皮安电流计。当离子束在柱体内穿过消隐孔 , 通过施 加电压使消隐电极在孔的两侧达到平行 , 它 在偏转装置和透镜组之间 , 对离子束所起的 作用是 :使一部分离子从入孔方向偏离进入 周围的法拉第杯 , 这是对样品的保护 , 有效地 防止样品被持续剥蚀。液态离子源人工定位后向第一组透镜的 光轴校准 , 而四极控制电极的 2套四极装置 同第二组透镜一起控制着离子束的定位 , 使 离子束能够穿过限束孔的中心。两种类型的电压 (扫描和转换 加于八极 部件上使其向离子束

16、提供了扫描、 转换及对 自身发散的校正功能。当离子柱隔离阀关闭时 , 隔离了液态离 子源和样品室 , 使样品取放时样品室进入大 气压状态而离子源仍保持真空 , 开启后 , 离子 束可通过气孔进入离子柱的下半部直到样品 室。1 2! 样品室样品室位于离子柱下 , 包括样品架、 探测 器、 气体注入系统和其他一些附件。1. 2. 1! 样品台样品台可以有 x 、 y 、 z 方向平动、 转动和 倾斜共 5种移动形式 , 由计算机通过鼠标、 控 制杆、 键盘和预装的定位系统实现控制。样 品台的驱动装置一般直接位于样品室内部 , 这样既缩短了与样品台的连接 , 又减少了真 空系统不必要的机械移动。1.

17、 2. 2! 气体注入系统气体注入系统在聚焦离子束要完成淀积 或增强刻 蚀功能时负责 向样品表面 注射气 体。主要由注射和控制两部分装置组成。一 般在样品室上可以装不止 1个注入喷咀。而 控制装置用于设定每种样品材料所适宜的工 作温度 , 并配以安全装置确保在适宜的条件 下开启气体注入的阀门。注入口的定位、 阀门的开闭以及加热都 是由计算机软件控制。注入和抽取的速率也 可以通过改变废气的排放量来调节。淀积和增强刻蚀所用的气体是通过坩埚 中的化学反应释放的。坩埚被加热的同时阀 门打开 , 气体由坩埚通过送气针注射到样品 表面的指定部位 , 此送气针也可在样品室外 对其进行三维方向的调整。1 3!

18、 成像系统一般的束扫描显微镜都基于相同的成像 原理。入射的离子束在样品表面有规律地按 帧扫描 , 1帧 包含着一系列纵向和横向的行 列。而与此同时 , 1个亮度可调的光点也在 图像控制 设备的显示区 域进行着 同步的扫 描。受到离子束的激发 , 从样品表面发出的 二次电信号被收集、 放大并用以调制显示区 域扫描点的亮度。由于这种直接的联系 , 显 示器所显示的就是样品表面形貌的二次电子 像。如果离子束扫描的区域变小 , 但图像显 示维持原尺寸则图像放大倍率增加。在显示屏上 , 扫描点的速度必须非常快 才能使人眼感觉到连续的图像而不是移动的 点。但是 , 离子束的扫描速度一般不能达到 这种要求

19、, 因此经过慢速扫描得到的图像在 计算机的内存中进行图像缓冲 , 即以显像管 的扫描速度显像 , 但按离子束的扫描速度对 图像刷新。当图像显示时 , 每一帧都包含了几百万 个像素 , 而每个 像素都占 用了一定 的内存。 当离子束扫描时 , 从样品表面各个点所发出 的信号都 被存入一定位 置一定数 量的内存Vol 29 4! ! ! ! ! ! ! Equipment for Electronic Products M anufacturing ! ! ! ! ! ! December 2000中 , 经过计算机的处理和缓冲 , 用于精确的显 示。最终 , 信号被放大到其振幅能使图像显 示黑白

20、分明 , 细节的调整则很容易地通过计 算机界面和相应的软件控制来实现。2! 聚焦离子束设备的功能及应用 3基于以上原理 , 聚焦离子束可实现多种 功能。2 1! 显微成像金属离子源 (常用室温下为液态的镓作 为离子源 产生的离子束经抽取、 加速以及聚 焦后到达样品表面可以形成很小的束斑 (在 最佳 工 作 状 态 下 可 以 使 其 分 辨 率 达 到 5nm , 通过对其产生的二次电子和二次离子 的收集 , 便可完成高分辨率成像 , 使精密定位 得以实现。特别是对于绝缘样品 , 二次电子 产额很低 , 用扫描电镜分析时 , 须在表面喷涂 上导电层 , 而 FIB 可以进行 二次离子 成像 ,

21、 则分析介 质层时可以直 接得到较清 晰的图 像 , 无须对样品作预先处理。2 2! 离子束刻蚀用作离子源的金属元素的原子量往往较 大 (如镓的原子量为 69 72, 其质量远远大于 电子的质量 , 当高能离子束 (常为几十 keV 轰击样品时 , 其动量会传递给样品中的原子 或分子 , 因而会产生溅射效应。若选择合适 的离子束流 , 可以对不同材料的样品实施高 速微区刻蚀。2 3! 反应离子束刻蚀类似于集成电路工艺中的干法腐蚀 , 如 将一些卤化物气体直接导入样品表面 , 在离 子束的轰击下就可以实现增强刻蚀。其原理 是用高能离子束将不活泼的卤化物气体分子 变为活性原子、 离子和自由基 ,

22、这些活性基团 与样品材料发生化学反应后的产物是挥发性 的 , 当脱离 样品表面 时立即 被真空 系统抽 走。且这些腐蚀气体本身不与样品材料发生 作用 , 而由离子束将其离解后 , 才具有活性 , 这样便可 以对样品表面 实施选择 性的刻蚀 (用氟化物气 体腐蚀硅 , 用氯化物 气体腐蚀 铝 。反应离子刻蚀技术 (增强刻蚀法 在刻 蚀速率、 材料的选择性、 深孔侧壁的垂直性上 较纯离子束刻蚀都有了大幅度的提高。 有关研究发现 :在较低的刻蚀电流下 , 增 强效果更明显 , 随着离子束流的增大 , 增强效 果逐渐减弱。对于某些材料如 :Si 、 Al 、 GaAs 等 , 反应刻蚀有着较 高的增强

23、系 数 (大约在 20倍 左 右 ; 而 对 于 某 些 氧 化 物 材 料 如 : SiO 2、 Al 2O 3等增强效应不是很明显 4、 5。2 4! 离子束淀积薄膜除了利用离子束的溅射作用实现刻蚀功 能外 , 还可利用离子束的能量诱生化学反应 来淀积金属和 介质层 (如 :Pt 、 W 、 SiO 2等 。 其原理是将一些金属有机物气体 (或含有 Si -O 链的有机物气体 喷涂在样品上需要淀 积的区域 , 当离子束聚焦在该区域时 , 离子束 能量使有机物发生分解 , 分解后的固体成分 (如 Pt 或 SiO 2 被淀积下来 , 而那些可挥发的 有机成分则被真 空系统抽 走。有 关研究表

24、 明 :在较低的离子束流下由于金属有机气体 未被充分分解 , 因而淀积速率较低 ; 随着离子 束流的增大 , 分解效率逐渐增高 , 淀积速率也 相应加快。在合适的束流下所有气体几乎被 完全分解利用 , 此时 , 淀积速率达到最大值 ; 若离子束流继续增大 , 与气体反应后多余的 束流就会对已淀积好的区域产生溅射作用 , 反而使淀积速率逐渐减慢。因此 , 要做好淀 积图形 , 离子束流的选择是至关重要的参数。 23第 29卷第 4期 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 电子工业专用设备 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 2000年 12月Vol 29 4! ! ! ! ! !

25、! Equipment for Electronic Products M anufacturing ! ! ! ! ! ! December 2000 2 5 ! 离子束多晶分析 对于同样的材料, 离子束对其不同晶面 的二次电子、 二次离子的产额有较大的差别, 造成各晶面所形成的图案灰度深浅不一。利 用这一原理可以对多晶材料( 如金属 薄膜的 晶粒取向、 晶界的分布和取向作出统计分析。 基于上述功能, F IB 技术可开发出多方 面的应用: 首先, 它的精密定位功能配以离子束刻 蚀功能就能实现精密定位制样, 结合 SEM、 EDX、 EM 、 T SIMS 等便可做微区剖面形貌和 组分分析,

26、 精度可达亚微米级。它对器件特 定位置能从多种角度进行结构分析, 从而极 大地支持了器件工艺评价和失效分析工作。 利用其微加工和定位功能辅助 T EM 制 样, 大大缩短了制样时间, 提高了 T EM 制样 和微分析的成功率, 使传统的 T EM 分析周 期从 1 周以上缩短至数小时。使得几纳米的 M OS 集成电路中的栅氧化膜和 EEP ROM 隧 道氧化膜的 T EM 观察成为可能。 另外, 它还能对集成电路工艺铝线情况 实行监控, 保证工艺的良好实施。是目前在 几十纳米分辨率的水平上观察分析铝材料微 结构最有效的方法之一。同时, 由于 X 光掩 模板的修复面临非常小的横向尺寸和存在吸 收

27、问题, 因而聚焦离子束以其独有的特性成 为目前性能最好的实施工具。 它在微区精密离子注入上的应用使无掩 模纳米级工艺生产变为可能。 更值得一提的是, 将 F IB 的离子溅射和 淀积功能 结合在一起可 以对微电路 进行修 补。可直接对某一电路单元用金属线引出至 表面并形 成相应的测试 脚以进行电 学量测 试。既可切断任意一层的互连线, 也可重新 进行互连, 这些应用将大大缩短集成电路的 设计周期和设计费用。 随着器件尺寸的减少和密度的增加, 现 24 有的在线和离线分析设备受到了诸多挑战。 一方面, 集成电路工艺进入深亚微米领域, 器 件结构日趋复杂, 且允许沾污程度也进一步 下降, 这使分析

28、设备的空间分辨率和杂质探 测灵敏度等指标面临挑战; 另一方面, 微电子 行业激烈的竞争, 产品更新换代速度不断加 快对整套分析系统获取信息和分析结果乃至 完成改进的整个循环时间也存在巨大冲击。 而 F IB 技术无疑在 针对这两方面的挑战上 都显示了超强的能力, 为新的集成电路产品 提供了商业上的竞争优势。 3 ! 发展趋势 3 1 ! 聚焦离子束与扫描电子显微镜的组合 操作简便, 功能强大始终是微电子设备 发展的方向。因此聚焦离子束加上场发射扫 描电子显微镜( F E- SEM 的双束系统便集 合了二种设备的优势。单独的聚焦离子束系 统在完成大束流刻蚀和小束流观察形貌的过 程中需要不停地变换

29、束流强度, 不可避免地 影响到束流的校准。在双束系统中, 用场发 射扫描电子显微镜( F E- SEM 来实现高分 辨率成像, 由于采用电子束作为一次束, 不但 大大提高了成像的质量, 而且将观察对样品 的损伤降到了最低限度, 同时避免了 F IB 反 复变换束流强度所带来的误差。 3 2 ! 聚焦离子束与二次离子质谱仪的结合 二次离子质谱仪( SIM S 是通过收集二 次离子来分析样品元素成分的设备。具有很 高的深度分辨率和杂质分析灵敏度。聚焦离 子束本身扫描就会产生大量的二次离子, 因 此在 F IB 的样品室 上配以二次离子组分的 探头并辅以质谱系统, 就能在 F IB 进行缺陷 观测、

30、 样品制备、 失效分析工作的同时实现样 品或杂质颗粒的成分分析。 第 29 卷第 4 期 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 电子工业专用设备 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 2000 年 12 月 也必将提升至一个新的水平。 参考文献: 1 Alain C Diebold. M aterials and failure analysis met hods and symptoms used in the development and manufacture of silicon integ rated circuit J . Vac Sci T echnol. 1994

31、. B12( 4 : 2768- 2778. 2 日 染野 檀, 安盛 岩雄辩. 表面分析 M . 北京: 科学出版社, 1983. 27- 36. 3 谢 ! 进. 聚焦离子束微区分 析及加工技 术 R . 技术报告, 1999, ( M ar : 2- 5. 4 D M arton, J F ine. T he development of increasing roughness during ion sputtering J . T hin Solid Films, 1987, 151: 433- 439. 5 A D Bailey II I, M C M V an de Sanden. Scaling of Si and GaAs tr ench etch r ates wit h aspect ratio, feature w ith and substrat e temper ature J . V ac Sci T echnol, 1995, B13( 1 : 92- 104. 这种实时地分析样品避免了一般质谱分 析时重新定位和沾污的麻烦, 以 Ga 作为离 子源的 FIB/ SIMS, 其 横向 分辨率 可降 低到 0 1 m, 而 EDS 或以 Cs2 O 作离子源的 SIMS 很难达到亚微米的分辨率。 F IB/ SIM S 的深度分辨