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氦离子显微镜中导电结构电压对比的缺陷定位与纳米加工

DOI：10.1021/acsami.8b18083 期刊：ACS Applied Materials & Interfaces 出版年份：2019 更新时间：2025-09-22 19:21:22
摘要： 随着电子器件特征尺寸缩小至纳米级，需要一种简便的失效分析与工艺步骤评估方法。镓聚焦离子束（Ga-FIB）或扫描电子显微镜（SEM）是检测半导体器件及工艺中电压对比度以进行失效分析的有效手段。但Ga-FIB可能对分析区域表面造成损伤或植入效应，且分辨率较低。氦离子显微镜（HIM）采用轻离子束（氦或氖）实现纳米级成像与加工。通过HIM图像中的被动电压对比度（PVC），可快速便捷地检测导电结构失效的缺陷定位，并获得足够的电压对比度。此外，HIM成像还能观测宽度窄至亚10纳米的缺陷间隙。HIM的PVC技术能在最小化分析区域损伤的前提下实现纳米级缺陷定位。对于电路编辑和失效分析，有时需故意切断导电连接，此时可通过HIM的PVC成像轻松验证最终结果。借助XeF?气体辅助，氦离子束和氖离子束均可用于金属断路的纳米加工。XeF?气体能有效防止导电材料在蚀刻区沉积并提升材料去除速率，从而形成电隔离结构。氖离子束的蚀刻速率远快于氦离子束。采用XeF?气体辅助的氦离子束配合可控操作的HIM图像PVC技术，还能在单点缺陷情况下定位隐藏缺陷；而对缺陷串列情况，通过氖离子束辐照故障位置即可利用PVC发现缺陷所在。
作者： Deying Xia，Shawn McVey，Chuong Huynh，Wilhelm Kuehn
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究利用氦离子显微镜（HIM）通过电压衬度技术对导电结构中的缺陷进行定位和纳米加工，重点提升半导体器件在纳米尺度下的失效分析能力。

研究成果

采用被动电压衬度的氦离子显微镜是一种有效的高分辨率、低损伤纳米尺度导电结构缺陷定位与纳米加工方法。XeF?气体辅助可提升刻蚀速率并防止再沉积，实现洁净隔离。该技术能通过离子束辐照诊断隐藏缺陷并定位串联缺陷，在半导体失效分析与工艺评估中具有重要价值。

研究不足

该研究仅限于Ti3N4金属层；对其他导电材料的适用性虽有建议但未经验证。离子束刻蚀过程中若未使用XeF2会导致导电材料再沉积，从而阻碍电压对比度形成，且可能出现XeF2刻蚀引发的黑色晕圈等问题。氖离子束刻蚀虽速度更快，但对致密纳米结构可能造成更大损伤且可控性较差。对于薄绝缘层（<200 nm），由于再沉积短路效应，该方法可能效果不佳。

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