CN109994397B - 半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体器件内部焊点表面处理技术领域，公开了一种半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法及系统，首先使用物理研磨除去晶圆焊点表面异物层上的基底材料和/或封装填充物；然后使用聚焦离子束对经过研磨的晶圆表面进行清洗，直至晶圆的研磨表面露出异物层；继续使用聚焦离子束对异物层进行清洗，直至异物层纵向和横向均露出端面；并且上述清洗过程中，保持聚焦离子束与晶圆的表面直接形成一个小于15°的夹角；使用材料分析仪对清洗后露出纵向和横向端面的异物层进行分析。

Description

半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法及系统
技术领域
本发明属于对半导体器件内部焊点表面处理技术领域，具体涉及一种使用聚焦离子束突破半导体器件内部焊点表面微观污染层分析局限的解析方法。
背景技术
已封装的中央处理器的内部焊点连接失效在半导体制造中是很常见的失效机制。为了降低此失效机制对中央处理器制造过程的影响，通常需要对封装后的样品进行解析以找出焊点连接失效的原因，并在源头上切断问题发生的灶点。
聚焦离子束(Focused Ion beam，FIB)是一种利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割技术，商用聚焦离子束系统的离子束多是从液态金属离子源中引出。由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属材料多为镓(Gallium，Ga)。聚焦离子束是一种微纳米加工技术，其基本原理与扫描电子显微镜类似，采用离子源发射的离子束经过加速聚焦后作为入射束，高能量的离子与固体表面原子碰撞的过程中可以将固体原子溅射剥离，因此，聚焦离子束更多的是被用作直接加工微纳米结构的工具。结合气体注入系统，聚焦离子束可以辅助进行化学气相沉积，定位诱导沉积生长微纳米材料和结构，或者辅助进行选择性增强刻蚀特定材料和结构。
在目前的已封装中央处理器内部焊点表面聚焦离子束清洗中，通常只会对物理机械切片得到中央处理器的垂直断面(Z方向)进行解析，如图3。这种方式受限于焊点的垂直断面Z向剖面太薄，这样即使有其他更为复杂的分析工具或方法也不能保证解析产生焊点表面加工缺陷的原因。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用聚焦离子束对物理研磨后的水平断面(X～Y平面)做进一步的焊点表面微观污染层的解析，用聚焦离子束对晶圆焊点进行小斜角清洗以显示出薄层异物层的元素和形态，同时避免封装填充物环氧树脂的强背景噪声对薄层异物层成分分析的影响的方法及系统。
这种半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先使用物理研磨除去半导体器件内部焊点表面异物层上的基底材料和/或封装填充物，靠近内部焊点表面的异物层，优选地，物理研磨除去内部焊点表面异物层上至少90％的基底材料和/或封装填充物，并使用光学显微镜系统进行观察判断，得到水平断面(X～Y平面)。
然后继续使用聚焦离子束对经过研磨的内部焊点表面进行清洗，直至内部焊点表面露出异物层的水平断面；
继续使用聚焦离子束对异物层进行清洗，直至异物层纵向和横向均露出端面；
并且上述清洗过程中，保持聚焦离子束与内部焊点表面之间形成一个小于15°的夹角；
使用材料分析仪对清洗后露出纵向和横向端面的异物层进行分析，优选地，材料分析仪可以是能量色散X射线光谱仪。
为保证观察面积足够大以提供更多的异物层信息，在继续使用聚焦离子束对异物层进行清洗时，异物层露出的端面面积不小于300平方微米。
进一步的，继续使用聚焦离子束对异物层进行清洗时，异物层露出的端面面积达到450平方微米。
在所述的清洗过程中，为了露出异物层的层次内容，保持聚焦离子束与内部焊点表面之间形成一个9～10°的夹角，设定离子源的电压为30千伏，电流为2.5-2.7纳安。
半导体器件内部焊点表面异物层的解析系统，其特征在于，包括物理研磨单元、聚焦离子束清洗单元和解析分析单元；
所述物理研磨单元用于除去半导体器件内部焊点表面异物层上的基底材料和/或封装填充物，从而靠近内部焊点表面的异物层，优选地，利用光学显微镜系统观察判断所述物理研磨单元除去内部焊点表面异物层上至少90％的基底材料和/或封装填充物时停止物理研磨，从而得到一个水平断面(X～Y平面)；
所述聚焦离子束清洗单元用于对物理研磨单元研磨后的内部焊点表面进行清洗直至内部焊点表面露出异物层的水平断面，并以聚焦离子束与内部焊点表面之间小于15°的夹角继续对异物层进行清洗直至露出异物层纵向和横向的端面；
所述解析分析单元使用材料分析仪对聚焦离子束清洗单元清洗后露出纵向和横向端面的异物层进行分析。
为保证观察面积足够大以提供更多的异物层信息，所述聚焦离子束清洗单元在继续对异物层进行清洗使异物层露出的端面面积大于300平方微米。
进一步的，所述聚焦离子束清洗单元在继续对异物层进行清洗使异物层露出的端面面积达到450平方微米。
在所述的清洗过程中，为了露出异物层的层次内容，所述聚焦离子束清洗单元保持聚焦离子束与内部焊点表面之间形成一个9～10°的夹角，设定离子源电压为30千伏，电流为2.5-2.7纳安。
传统的聚焦离子束清洗，是直接对异物层进行纵向单一方向的清洗，而本清洗方法，使用聚焦离子束清洗是在异物层上还覆盖有一部分基底材料和/或封装填充物时就开始清洗，并且清洗时除了纵向方向还通过倾斜夹角兼顾对水平方向的清洗，使清洗后的异物层暴露出有层次的面，异物层中的各个层级都能展现出来。并且由于使用聚焦离子束清洗了基底材料和/或封装填充物，因此不会有相关残留，而分析处理中产生的噪音主要为基底材料和/或封装填充物，这样在后续步骤使用能量色散X射线光谱仪进行分析的时候，可以不含背景噪声地给出目标层或异物成分的准确信息。
经过这种创新的聚焦离子束清洗后，异物的暴露面积扩大了10倍。更重要的是，它们能够得到清晰的异物形态信息。同时，该方法不仅适用于已封装后的中央处理器相关情况，也可用于其它失效分析案例或样本，由于该方法能显著扩大样品的暴露面积，因此该方法实施后对多种表面分析工具进行进一步的表面分析具有重要意义。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1是本发明解析方法一种逻辑示意图；
图2是本发明解析系统的结构框图；
图3是现有技术单向聚焦离子束清洗后的示意图；
图4是本发明方法中聚焦离子束清洗后的端面示意图；
图5是本发明方法中聚焦离子束清洗后的端面分析示意图。
附图标记说明
10：解析系统 12：聚焦离子束研磨单元
11：物理研磨单元 13：解析分析单元
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
本实施例公开了半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法，如图1：在S01，使用物理研磨除去半导体器件内部焊点表面异物层上的基底材料和/或封装填充物；在S03，使用聚焦离子束对经过研磨的内部焊点表面进行清洗，直至内部焊点表面露出如图4的异物层的水平断面；在S05，继续使用聚焦离子束对异物层进行清洗，直至异物层纵向和横向均露出端面；并且上述清洗过程中，保持聚焦离子束与内部焊点表面之间形成一个小于15°的夹角；使用材料分析仪对清洗后露出纵向和横向端面的异物层进行分析；本清洗方法，使用聚焦离子束清洗是在异物层上还覆盖有一部分基底材料和/或封装填充物时就开始清洗，并且清洗时除了纵向方向还通过倾斜夹角兼顾对水平方向的清洗，使清洗后的异物层暴露出有层次的面，异物层中的各个层级都能展现出来。并且由于使用聚焦离子束清洗了基底材料和/或封装填充物，因此不会有相关残留，而分析处理中产生的噪音主要为基底材料和/或封装填充物，这样在后续步骤使用材料分析仪进行分析的时候，可以不含背景噪声地给出目标层或异物成分的准确信息。
实施例2
本实施例公开了半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法，在实施例1提供的方法基础上，进一步的，在S02，为避免物理研磨去除异物层，在物理研磨去除内部焊点表面异物层上至少90％的基底材料和/或封装填充物停止研磨，并使用光学显微镜系统辅助观察判断；而为了保证足够大的异物层暴露面积以提供更多的异物信息，在继续使用聚焦离子束对异物层进行清洗时，如图5，异物层露出的端面面积不小于300平方微米，优选地，如异物层露出的端面面积达到约450平方微米，并在S06进行判断；在所述的清洗过程中，为了露出异物层的层次内容，保持聚焦离子束与内部焊点表面之间形成一个9～10°的夹角，并设定离子源的电压为30千伏，电流为2.5-2.7纳安；进一步的，在所述解析分析过程中，材料分析仪可以选用能量色散X射线光谱仪
本清洗方法，首先去除基材和焊料凸点靠近异物层，然后在研磨表面直接进行聚焦离子束清洗；同时，在进行聚焦离子束清洗时使用较小的斜角，经过这种创新的聚焦离子束清洗后，异物的暴露面积扩大了10倍。更重要的是，它们能够得到清晰的异物形态信息。同时，该方法不仅适用于半导体器件相关情况，也可用于其它失效分析案例或样本。由于该方法能显著扩大样品的暴露面积，因此该方法实施后对多种表面分析工具进行进一步的表面分析具有重要意义；例如图5所示，最终得出异物层为硅屑和微细铜渣的结论，则可以判定是晶圆制造过程中出现的残留和缺陷，即问题根源是直接指向原料方的，并且根据准确的数据结果，原料工厂可以在很短的时间内找到产生问题的具体步骤。
本清洗方法，使用聚焦离子束清洗是在异物层上还覆盖有一部分基底材料和/或封装填充物时就开始清洗，并且清洗时除了纵向方向还通过倾斜夹角兼顾对水平方向的清洗，使清洗后的异物层暴露出有层次的面，异物层中的各个层级都能展现出来。并且由于使用聚焦离子束清洗了基底材料和/或封装填充物，因此不会有相关残留，而分析处理中产生的噪音主要为基底材料和/或封装填充物，这样在后续使用材料分析仪进行分析的时候，可以不含背景噪声地给出目标层或异物成分的准确信息。
实施例3
本实施例公开了如图2的半导体器件内部焊点表面异物层的解析系统10，包括物理研磨单元11、聚焦离子束清洗单元12和解析分析单元13；
半导体器件内部焊点表面异物层的解析系统10，其特征在于，所述物理研磨单元11除去内部焊点表面异物层上至少90％的基底材料和/或封装填充物时停止物理研磨，并通过光学显微镜系统进行观察判断，从而得到一个水平断面(X～Y平面)、靠近内部焊点表面的异物层；所述聚焦离子束清洗单元12用于对物理研磨单元研磨后的内部焊点表面进行清洗直至内部焊点表面露出异物层的水平断面，并设定离子源的电压为30千伏，电流为2.5-2.7纳安，以聚焦离子束与内部焊点表面之间形成一个9～10°的夹角继续对异物层进行清洗直至露出异物层纵向和横向的端面；所述解析分析单元13使用能量色散X射线光谱仪对聚焦离子束清洗单元清洗后露出纵向和横向端面的异物层进行分析；
为保证观察面积足够大以提供更多的异物层信息，所述聚焦离子束清洗单元12在继续对异物层进行清洗使异物层露出的端面面积大于300平方微米，优选地，如端面面积达到450平方微米。
本清洗系统，使用聚焦离子束清洗是在异物层上还覆盖有一部分基底材料和/或封装填充物时就开始清洗，并且清洗时除了纵向方向还通过倾斜夹角兼顾对水平方向的清洗，使清洗后的异物层暴露出有层次的面，异物层中的各个层级都能展现出来。并且由于使用聚焦离子束清洗了基底材料和/或封装填充物，因此不会有相关残留，而分析处理中产生的噪音主要为基底材料和/或封装填充物，这样在后续步骤使用材料分析仪进行分析的时候，可以不含背景噪声地给出目标层或异物成分的准确信息。

Claims (16)

1.一种半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法，包括物理研磨、第一聚焦离子束清洗、第二聚焦离子束清洗、解析分析，其特征在于：
所述物理研磨包括：研磨去除半导体器件内部焊点表面异物层上的基底材料和/或封装填充物；
所述第一聚焦离子束清洗包括：使用聚焦离子束对经过研磨的内部焊点表面进行清洗，直至内部焊点表面露出异物层的与半导体器件基底平行方向上的断面；
所述第二聚焦离子束清洗包括：使用聚焦离子束对异物层进行清洗，直至异物层在相互垂直的第一和第二方向均露出端面；
以及在所述第二聚焦离子束清洗中，保持聚焦离子束与内部焊点表面之间形成一个小于15°的夹角；
所述解析分析包括：使用材料分析仪对清洗后露出纵向和横向端面的异物层进行分析。
2.如权利要求1所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法，其特征在于：所述物理研磨还包括去除内部焊点表面异物层上至少90％的基底材料和/或封装填充物时停止研磨，得到与半导体器件基底平行方向上的断面。
3.如权利要求1或2所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法，其特征在于：所述物理研磨还包括利用光学显微镜观察判断去除的内部焊点表面异物层上的基底材料和/或封装填充物是否达到了至少90％。
4.如权利要求1所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法，其特征在于：所述第二聚焦离子束清洗还包括异物层露出的端面面积不小于300平方微米。
5.如权利要求1或4所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法，其特征在于：所述第二聚焦离子束清洗还包括，异物层露出的端面面积达到450平方微米。
6.如权利要求1所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法，其特征在于：所述第二聚焦离子束清洗还包括保持聚焦离子束与内部焊点表面之间形成一个9～10°的夹角。
7.如权利要求1或6所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法，其特征在于：所述第二聚焦离子束清洗还包括设定发射聚焦离子束的离子源电压为30千伏，电流为2.5～2.7纳安。
8.如权利要求1所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析方法，其特征在于：所述解析分析中，材料分析仪为能量色散X射线光谱仪。
9.一种半导体器件内部焊点表面异物层的解析系统，包括物理研磨单元、聚焦离子束清洗单元和解析分析单元，其特征在于：
所述物理研磨单元被配置为用于去除半导体器件内部焊点表面异物层上的基底材料和/或封装填充物；
所述聚焦离子束清洗单元被配置为用于对物理研磨单元研磨后的内部焊点表面进行清洗直至内部焊点表面露出异物层的与半导体器件基底平行方向上的断面，并以聚焦离子束与内部焊点表面之间小于15°的夹角继续对异物层进行清洗直至露出异物层在相互垂直的第一和第二方向的端面；
所述解析分析单元被配置为使用材料分析仪对聚焦离子束清洗单元清洗后露出纵向和横向端面的异物层进行分析。
10.如权利要求9所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析系统，其特征在于：所述物理研磨单元被配置为在除去内部焊点表面异物层上至少90％的基底材料和/或封装填充物时停止物理研磨。
11.如权利要求9或10所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析系统，其特征在于：所述物理研磨单元包括光学显微镜，所述光学显微镜被配置为可用于观察判断去除的内部焊点表面异物层上的基底材料和/或封装填充物是否达到了90％。
12.如权利要求9所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析系统，其特征在于：所述聚焦离子束清洗单元被配置为在对异物层进行清洗时使异物层露出的端面面积大于300平方微米。
13.如权利要求9或12所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析系统，其特征在于：所述聚焦离子束清洗单元被配置为在对异物层进行清洗时使异物层露出的端面面积达到450平方微米。
14.如权利要求9所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析系统，其特征在于：所述聚焦离子束清洗单元被配置为在对异物层进行清洗时，保持聚焦离子束与内部焊点表面之间形成一个9～10°的夹角。
15.如权利要求9或14所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析系统，其特征在于：所述聚焦离子束清洗单元被配置为在对异物层进行清洗时，设定发射聚焦离子束的离子源电压为30千伏，电流为2.5～2.7纳安。
16.如权利要求9所述的半导体器件内部焊点表面异物层的解析系统，其特征在于：所述解析分析单元中，材料分析仪为能量色散X射线光谱仪。
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