天游线路检测中心 使用 FIB-SEM 制备 Fin FET 器件的 TEM 样品

简介

对于半导体器件的故障分析，TEM 检查至关重要，因为要检查的结构非常微小。此外，通常使用 FIB-SEM 来制备样品。 TEM 样品需要与器件技术节点一样薄，并且需要在被检查图案的位置精确制造。因此，用于样品制备的 FIB-SEM 需要具有能够在精确位置进行低损伤加工的 FIB 性能和能够可靠捕获加工终点的 SEM 性能。
这次，我们使用 FIB-SEM 制作了 TEM 样品，使我们能够观察 22 nm 技术节点 Fin FET 器件的晶体管部分的横截面结构，该器件具有如图 1 所示的三维结构。通过对制备的样品进行 TEM 观察，我们确认这是一个可以高分辨率观察的高质量 TEM 样品。

图。 1 Fin FET的基本结构

图。 2 复合光束加工观测装置JIB-4700F

TEM 样品制备和结果

以技术节点为22 nm的Fin FET结构的市售CPU作为样品，使用JEOL FIB-SEM复合束加工和观察装置JIB-4700F（图2）制备TEM样品，该装置配备了最大离子电流为90 nA的高功率FIB和具有超锥混合透镜的SEM。
为了在所需位置准确制备 TEM 样品，必须准确了解样品的结构和尺寸。首先，为了确认目标Fin FET器件的结构，我们准备了可以观察Gate层平面结构的薄片样品，并使用JIB-4700F进行了STEM观察。获得的 STEM 图像如图 3 所示。为了观察所需的 Fin FET 结构，薄膜厚度必须不包括目标位置前后的结构。图3中的STEM图像显示TEM样品的最佳厚度为40 nm或更小。

图3 用于栅极层部分平面观察的薄片样品的STEM图像（由JIB-4700F拍摄）
左：薄片样品的整体视图。右侧：Fin FET 部分的放大图像，图中虚线框表示样品制备位置。 （加速电压：30kV）

准备样品，以便可以对平行于栅极线和垂直于鳍片的Fin FET截面的截面进行TEM观察，如图4的截面图所示。使用FIB-SEM通过碳沉积形成保护膜，并使用FIB加工进行周边加工和底部切割以制备要拾取的样品块。使用纳米操纵器从样品基材中拾取制备的样品块并固定在TEM网格上。之后，在制样位置进行薄片加工（图3）。使用5kV离子束对FIB进行最终精加工，并在FIB加工过程中进行实时SEM观察以调整加工位置（加工终点的确认）。 JIB-4700F可以实时观察FIB加工过程中的SEM图像，轻松确认加工终点。制作完成后，使用JIB-4700F进行STEM观察，以确认制作的样品（图5）。 STEM 观察图像证实，在 Fin-FET 结构的位置制作了薄样品。

图4 Fin FET的横截面图

图5 Fin FET横截面薄样品的STEM图像（由JIB-4700F拍摄）
左：薄片样品的整体视图。右：Fin FET 部分的放大图。 （加速电压：30kV）

使用JEOL多功能电子显微镜JEM-F200(图6)对制备的TEM样品进行TEM观察。由于在 TEM 图像中没有观察到深度方向的外围结构，因此我们能够确认在 Fin FET 结构的精确位置制作了膜厚为 40 nm 或更小的薄样品。此外，由于可以清楚地观察到硅的晶格图像，因此可以确认这是非晶化造成的损伤减少的高质量样品。

图6 Fin FET横截面薄样品的TEM图像（JEM-F200拍摄）
左：Fin FET 部分的 TEM 图像。右：鳍尖的放大图像。 （加速电压：200kV）
从左图中可以看出，所创建的样本在 Fin-FET 结构的位置处的深度方向上不包含周围的结构。
从右图可以清楚地观察到硅晶格图像，表明这是一个高质量的样品，非晶化造成的损伤减少了。

摘要

我们制造了技术节点为 22 nm 的 Fin FET 器件的 TEM 样品。 JIB-4700F复合光束加工观察系统可以进行高精度、低损伤的FIB加工，还可以在FIB加工过程中进行实时SEM观察和STEM观察，从而可以在精确位置制作减少损伤的高质量TEM样品。