國儀半導(dǎo)體秀 | 雙束電鏡助力半導(dǎo)體PFA精準(zhǔn)剖析:從定位坐標(biāo)到損傷證據(jù)

在一顆QFP封裝MCU芯片ESD失效分析案例中，國儀量子雙束電鏡系統(tǒng)基于前端EFA定位信息完成SEM表層復(fù)核、FIB定點截面與高倍微觀觀察，將“失效可能在哪里"進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為“失效發(fā)生了什么"的結(jié)構(gòu)證據(jù)。

本案例顯示，針對表面無明顯可見缺陷的內(nèi)部失效，國儀量子雙束電鏡系統(tǒng)能夠依托前端定位坐標(biāo)完成目標(biāo)區(qū)域定點剖析，并通過高倍微觀成像呈現(xiàn)與失效位置相關(guān)的異常損傷特征。

01 應(yīng)用背景：內(nèi)部失效需要更確定的PFA承接能力

半導(dǎo)體失效分析貫穿芯片研發(fā)、可靠性驗證、失效定位及制造良率分析等環(huán)節(jié)。對于ESD、介質(zhì)擊穿等類型的內(nèi)部失效，芯片表面可能不存在明顯可見缺陷，僅依靠表面觀察難以直接判斷失效位置。

在這一類場景中，前端電性失效分析（EFA）負(fù)責(zé)縮小潛在失效區(qū)域，后端物性失效分析（PFA）則需要把坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)化為可觀察、可驗證的微觀結(jié)構(gòu)證據(jù)。雙束電鏡系統(tǒng)集聚焦離子束加工與掃描電鏡成像能力于一體，是完成這一銜接的重要設(shè)備。

PFA的核心價值，不只是“看見"，而是在正確位置精準(zhǔn)暴露失效結(jié)構(gòu)。

02 案例樣品：ESD失效后的QFP封裝MCU芯片

本次案例樣品為一顆QFP封裝MCU芯片。樣品經(jīng)過ESD HBM模型可靠性測試后發(fā)生電性失效，常規(guī)電學(xué)測試確認(rèn)芯片IO引腳與GND引腳之間出現(xiàn)短路異常。前端定位結(jié)果顯示，潛在失效點位于芯片內(nèi)部，距芯片邊緣約53μm。

03 技術(shù)路徑：從坐標(biāo)信息到截面證據(jù)

該路徑的關(guān)鍵在于坐標(biāo)承接與定點加工能力。對于內(nèi)部失效，前端定位結(jié)果必須準(zhǔn)確傳遞至后端制樣環(huán)節(jié)，才能避免盲目剖切，并在目標(biāo)區(qū)域獲得可用于失效機(jī)理判斷的微觀證據(jù)。

04 分析結(jié)果：表面無異常，截面呈現(xiàn)內(nèi)部損傷

SEM表層復(fù)核

在開展截面制樣前，首先對失效點對應(yīng)區(qū)域進(jìn)行SEM表層觀察。結(jié)果顯示，目標(biāo)區(qū)域樣品表面形貌整體正常，未觀察到明顯的表面缺陷。這一結(jié)果與內(nèi)部失效特征相符，也說明僅依靠表面觀察難以直接定位該類失效。

國儀量子雙束電鏡系統(tǒng)采集的樣品表面SEM圖像

FIB定點截面

依據(jù)前端EFA環(huán)節(jié)提供的坐標(biāo)信息，國儀量子雙束電鏡系統(tǒng)對目標(biāo)區(qū)域開展定點截面剖切。截面分析結(jié)果顯示，在距離芯片邊緣約50μm的位置觀察到異常特征，與前端定位區(qū)域具有較好的對應(yīng)關(guān)系。

在截面圖像中，目標(biāo)區(qū)域的層次結(jié)構(gòu)得到清晰暴露，異常位置與周圍結(jié)構(gòu)之間形成可辨識的形貌差異。該結(jié)果表明，前端定位坐標(biāo)能夠有效指導(dǎo)FIB制樣，幫助分析人員在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中找到與失效相關(guān)的目標(biāo)區(qū)域。

FIB定點截面分析：失效點邊緣區(qū)域

高倍微觀觀察

進(jìn)一步放大觀察后，在約8μm深度區(qū)域可見相對明顯的損傷特征。高倍SEM圖像呈現(xiàn)了目標(biāo)區(qū)域的微觀形貌細(xì)節(jié)，為判斷異常區(qū)域的結(jié)構(gòu)變化提供了直觀依據(jù)。

對于表面無明顯痕跡的內(nèi)部失效，高倍截面成像能夠幫助分析人員從材料形貌、結(jié)構(gòu)連續(xù)性及局部損傷特征等角度開展進(jìn)一步判斷，是失效機(jī)理分析中的重要證據(jù)來源。

FIB定點截面分析：失效點中心區(qū)域高倍觀察

05 工程價值：提升內(nèi)部失效分析的確定性

• 坐標(biāo)承接：依據(jù)前端定位信息確定剖切位置，將微米級坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實際截面。

• 定點加工：通過FIB定點剖切暴露內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少盲目制樣帶來的偏差。

• 高倍證據(jù)：通過多倍率SEM觀察呈現(xiàn)損傷細(xì)節(jié)，為失效機(jī)理判斷提供依據(jù)。

上述能力對于ESD、介質(zhì)擊穿等內(nèi)部失效場景尤為重要。通過將前端定位結(jié)果與后端制樣、成像流程有效銜接，雙束電鏡系統(tǒng)能夠幫助分析人員縮短從“疑似位置"到“結(jié)構(gòu)證據(jù)"的路徑，提高失效分析流程的確定性。

06 國儀量子雙束電鏡 支撐微觀失效分析

本次MCU芯片ESD失效案例中，國儀量子雙束電鏡系統(tǒng)依據(jù)前端定位坐標(biāo)完成目標(biāo)區(qū)域定點截面分析，并在對應(yīng)位置觀察到異常損傷特征。案例表明，在內(nèi)部失效場景下，高精度FIB制樣與高倍SEM成像能夠有效承接前端定位信息，為失效分析提供關(guān)鍵的微觀結(jié)構(gòu)證據(jù)。

圍繞半導(dǎo)體研發(fā)、可靠性驗證、失效定位及制造良率分析等需求，國儀量子雙束電鏡可應(yīng)用于芯片開封后的定點去層、截面制樣、微觀形貌觀察以及元素成分分析等環(huán)節(jié)，為半導(dǎo)體物性失效分析提供設(shè)備支撐。從定位坐標(biāo)到損傷證據(jù)，讓每一次內(nèi)部失效分析都有更清晰的微觀依據(jù)。

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