智能化芯片生产中的失效分析技术：聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）的应用

芯片的失效分析与工艺优化

随着数字化经济和新能源系统的快速发展，半导体芯片在电力、电子、通信等领域的需求不断增长。半导体芯片作为这些领域的基石，其生产过程正逐步向智能化、数字化、模块化方向发展，以实现高产量、高良率、可溯源的作业平台。

在这一背景下，对生产过程中可能出现的器件失效进行精准分析，变得尤为关键。聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）技术，作为失效分析的重要手段，其应用日益广泛。

FIB-SEM的作用

FIB-SEM技术是一种先进的显微技术，它结合了扫描电子显微镜（SEM）的高分辨率成像能力和聚焦离子束（FIB）的精确蚀刻能力。这种技术使得科研人员能够对半导体器件进行细致的观察和分析，从而深入理解器件的失效机制。本文以60V沟槽功率MOSFET器件为研究对象，通过完成芯片制造全流程后电性测试得到的良率数据，从失效检测的电性、剖面形貌出发，利用结构形貌结果反推工艺失效节点，并建立失效数据库。

研究方法

实验采用的原材料为8英寸硅基CZ外延片，外延片的厚度为5.8±0.5μm，外延层电阻率为0.61±0.5Ω·cm，缺陷（颗粒尺寸≥0.2μm）数量≤30个/片。研究的沟槽型中低压功率MOSFET的量产制造工艺流程包括氧化、光刻、刻蚀、离子注入、沉积、金属溅射沉积、背面工艺等步骤。

沟槽功率ＭＯSFET工艺流程图

检测方法简介

电性及热点检测：采用半导体器件参数分析仪进行电流-电压测试，测试两极分别连入栅极与源极PAD区。给定电压的区间为0V逐步增大至65V，并同时监控测试过程中电流的变化。发射显微镜（EMMI）是一种有效的光学分析技术，用于检测和定位某些集成电路（IC）故障。

定位及形貌观察：FIB-SEM技术生成的图像具有更高的纳米级分辨率。在FIB中，聚焦离子束用于直接影响样品表面。光束的能量和运动都以纳米精度精确控制，以达到一定效果，例如创建微小的组件或去除组织/材料的超薄层以进行分析。当FIB与SEM结合使用时，它变得更加强大，双电子束在样品表面正上方以52°角与离子束相交，从而产生由FIB研磨的表面的瞬时SEM成像。

结果与讨论

本文所述工艺流程制备的60V沟槽MOSFET产品，其电性指标包括击穿电压和栅源漏电流等。通过对晶圆完成所有工艺后自动化CP测试的mappting结果图分析，可以找出失效管芯的位置，便于推测失效潜在的工序。电性、热点测试结果及分析显示，失效管芯的漏电流数值远超过器件的极限值，表明栅源之间存在明显的漏电现象。

晶圆栅极 － 源极漏电流测试曲线

EMMI热点示意图

FIB-SEM截面电镜分析

采用FIB-SEM进行样片加工，对失效区域（即Gatebus）的推刀过程图进行分析。结果显示，由于版图设计考虑，接触孔与沟槽需在此重叠。失效区域的接触孔内的金属往下钻入的沟槽内多晶硅，并直接穿过栅氧与硅外延层直接接触，导致了潜在的短路现象，从而导致gatebus区器件栅氧失效。

失效区域FIB-SEM推刀电镜图

良率通过区域FIB-SEM推刀电镜图

器件失效分析汇总

基于上述失效分析方法，对沟槽肖特基二极管器件采取了EMMI及FIB-SEM分析，总结了失效案例及描述。例如，坚膜沉积颗粒污染、中间隔离层工艺颗粒玷污、势垒清洗水渍等导致的失效情况。这些失效案例可加入MES系统中，系统会依托大数据批量电性良率结果对可能出现工艺异常的环节进行初步判定，从而减少批量失效现象。

结论

利用EMMI及FIB-SEM的检测方法，可以快速排查沟槽功率器件gatebus区域接触孔金属层下钻现象，为解决量产器件漏电失效问题提供了方案。结合此案例，可以为芯片生产过程中的部分工艺量测结果提供智能化方案，从而有效地在潜在失效环节提供管控，提高芯片器件的良率。后续工作将挖掘更多失效案例并加入生产系统中，从而更好地保障生产线的高效运行。