摘要：随着半导体芯片集成度的不断提升，复杂结构带来的失效分析挑战日益严峻。聚焦离子束（FIB）技术凭借纳米级精准加工与多模态分析能力，成为芯片失效分析的核心工具。本文从 FIB 技术原理出发，系统梳理其在失效定位、电路修复、样品制备等领域的应用现状，结合典型案例剖析

摘要

随着半导体芯片集成度的不断提升，复杂结构带来的失效分析挑战日益严峻。聚焦离子束（FIB）技术凭借纳米级精准加工与多模态分析能力，成为芯片失效分析的核心工具。本文从 FIB 技术原理出发，系统梳理其在失效定位、电路修复、样品制备等领域的应用现状，结合典型案例剖析技术优势与实际价值，并针对先进制程需求探讨未来技术创新方向，为半导体失效分析领域的技术发展提供参考。

引言

半导体芯片作为现代电子信息产业的核心，其可靠性直接影响终端产品性能。随着制程工艺向3nm 及以下微缩，芯片结构复杂度呈指数级增长，传统失效分析手段在纳米级缺陷定位、多层互连结构剖析等场景中逐渐力不从心。聚焦离子束（FIB）技术通过聚焦高能离子束实现材料的精准刻蚀、沉积与成像，突破了传统方法的分辨率限制，成为连接宏观失效现象与微观缺陷机制的关键桥梁。本文结合 FIB 技术特点与工程实践，深入探讨其在半导体芯片失效分析中的应用体系及未来发展路径。

聚焦离子束（FIB）；半导体芯片；失效分析；纳米加工；

正文

一、聚焦离子束（FIB）技术的核心原理与技术优势

1.1 工作原理与系统架构

FIB 技术以液态金属镓（Ga）离子源为核心，通过高压电场引出离子束，经电磁透镜聚焦后轰击样品表面。离子束能量在数十 keV 至数百 keV 可调，利用离子与材料原子的碰撞溅射效应实现纳米级材料去除，同时结合气体注入系统（GIS）可在局部区域沉积金属（如 Pt、W）或绝缘材料（如 SiO₂）。现代 FIB 系统多集成扫描电子显微镜（SEM）形成双束系统（FIB-SEM），实现加工过程的实时高分辨率成像监控，定位精度可达亚微米级。

1.2 技术优势解析

（1）纳米级加工精度，突破微观分析极限

FIB 离子束斑直径可控制在 5nm 以内，能够对芯片内部栅极氧化层、金属互连层等关键结构进行精准切割。例如，在 7nm 制程芯片的失效分析中，FIB 可沿晶体管沟道方向制备 50nm 厚度的超薄截面，结合能量色散 X 射线谱（EDS）实现掺杂浓度与界面缺陷的定量分析。实测数据显示，其加工深度误差可控制在 ±2% 以内，显著优于传统机械研磨方法的 ±15% 误差。

（2）柔性加工策略，适应复杂失效场景

针对隐蔽性失效点（如多层金属布线中的层间短路），FIB 可动态调整加工参数：先用高束流（10nA 级）快速去除表层介质层，再以低束流（1pA 级）精细抛光暴露缺陷界面。某汽车级 MCU 芯片失效案例中，通过 FIB 多角度倾斜切割（0°~45°），成功定位到埋深 15μm 的焊点空洞缺陷，较传统化学开封法效率提升 3 倍。

（3）原位分析能力，构建全流程检测闭环

FIB 加工与测试可同步进行：在电路修改后，直接通过探针台施加电信号，利用 SEM 二次电子成像观察晶体管开关特性变化。某存储芯片行列选通失效分析中，FIB 实时切断冗余单元连接并测试，2 小时内确定失效原因为字线接触孔电阻异常，较离线分析周期缩短 70%。

二、FIB 技术在半导体芯片失效分析中的应用现状

2.1 失效定位与截面分析：从宏观现象到微观机制

在芯片失效分析流程中，FIB 承担着 “精准解剖” 的关键作用。首先通过非破坏手段（如微光显微镜 EMMI、锁相红外热成像）定位热点区域，再利用 FIB 进行逐层剥离：以 100nm / 次的步进速度切割，结合 SEM 实时成像构建三维失效模型。某手机 AP 芯片漏电失效案例中，FIB 在 30μm×30μm 区域内进行 200 层连续切片，最终发现第三金属层与硅衬底间存在 5nm 尺度的介质层击穿通道。截面分析进一步与能谱分析（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）结合，实现缺陷的成分与晶体学表征。例如，在功率芯片热失效分析中，通过 FIB 制备包含焊点、引线键合点的完整截面，EDS 检测显示焊点界面存在富铅偏析层，结合 EBSD 确定其为晶界腐蚀起源点。

2.2 电路修复与工艺优化：从失效验证到设计迭代

FIB 的电路编辑功能在研发阶段具有不可替代性。对于流片后发现的设计缺陷，可通过离子束刻蚀切断异常连接，再沉积金属导线实现功能修复。某 AI 芯片原型样品中，FIB 成功修复了 12nm FinFET 晶体管的栅极短路问题，修复后芯片算力提升 15%。生产实践中，该技术使芯片工程样品的良率从 40% 提升至 75%，显著降低研发成本。在量产失效分析中，FIB 用于复现失效场景以验证工艺稳定性。例如，对出现焊盘脱落的 MEMS 芯片，通过 FIB 在相同位置模拟应力加载（刻蚀部分支撑结构），观察到焊盘裂纹扩展路径与失效样品完全一致，从而锁定封装工艺中的键合压力参数异常。

2.3 样品制备与联合分析：从单一技术到多模态融合

FIB 是透射电子显微镜（TEM）样品制备的标准手段，尤其适用于三维结构样品。其制备流程包括：粗加工去除大部分材料（剩余厚度约 1μm）、沉积 Pt 保护层、精细减薄至 100nm 以下。某 3D NAND 闪存失效分析中，FIB 制备的 TEM 样品清晰显示堆叠层间的位错缺陷，结合高分辨透射电镜（HRTEM）确定为衬底应力导致的晶体生长异常。与扫描透射电子显微镜（STEM）、聚焦电子束诱导电流（EBIC）技术联用，FIB 可实现缺陷的电学 - 结构关联分析。在功率 MOSFET 漏极漏电分析中，先通过 EBIC 定位载流子异常聚集区域，再用 FIB 制备该区域的横截面样品，STEM-EDS 检测发现漏极金属与漂移区之间存在氧化层击穿诱导的铜原子扩散路径。

三、典型应用案例分析

3.1 复杂集成电路失效定位：以 7nm 逻辑芯片为例

芯片在高频工作时出现随机逻辑错误，ATE 测试显示时钟树分支信号延迟超标 15%。

1.热点定位：通过片上传感器阵列确定时钟缓冲器（Clock Buffer）区域温度异常升高 5℃；

2.FIB 微加工：在缓冲器晶体管区域制备 10nm 精度的纵向截面，发现栅极多晶硅层存在 20nm 宽度的晶界缺陷；

3.机理验证：利用纳米压痕仪对缺陷区域施加应力，SEM 观察到晶界处产生微裂纹，导致栅极漏电流增加 30%，引发时序紊乱。结论：多晶硅退火工艺中的冷却速率不均导致晶界缺陷，通过优化退火曲线，后续批次芯片良率提升至 92% sup>[12]。

3.2 汽车级芯片可靠性分析：以功率集成电路为例

车载功率芯片在高温循环测试中出现输出电压骤降，初步判断为焊点失效。

1.三维重构：FIB 对封装体进行 100nm 间隔连续切片，SEM 成像后通过 Avizo 软件重建焊点三维模型，发现焊料与基板界面存在直径 50μm 的空洞；

2.成分分析：聚焦离子束微萃取技术提取空洞周边材料，飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）检测显示存在氯元素残留（浓度 200ppm）；

3.失效复现：模拟焊接过程中助焊剂残留场景，加速老化测试证实氯元素导致界面腐蚀失效。结论：封装清洗工序不彻底导致助焊剂残留，改进清洗参数后，芯片寿命从1500 小时提升至 5000 小时。

四、未来可能性探索：技术瓶颈与创新方向

4.1 当前技术瓶颈

（1）材料损伤问题：高能离子束轰击不可避免引入晶格损伤（如镓离子注入导致的硅衬底缺陷浓度升高 10¹⁶/cm³），影响微区电学性能分析的准确性。

（2）加工效率限制：3D 堆叠芯片（如 2.5D/3D 集成器件）的多层互连结构导致 FIB 加工路径规划复杂，单个样品制备时间长达 4 小时以上。

（3）数据兼容性不足：不同厂商的 FIB-SEM 系统与外围分析设备（如 TEM、能谱仪）数据接口兼容性不足，限制了全流程自动化分析的发展。

4.2 技术创新方向

（1）多束协同与智能化加工

开发“离子束 + 电子束 + 激光束” 三束集成系统，利用激光预处理去除表层非关键材料（效率提升 5 倍），再通过低能量离子束精细加工，将材料损伤深度从 50nm 降低至 10nm 以下。引入机器学习算法优化加工路径，针对典型失效场景（如层间短路、接触孔失效）建立自动识别模型，将样品制备时间缩短 60%。

（2）新型离子源与材料相互作用研究

探索氦离子（He⁺）、氖离子（Ne⁺）等低能量离子源，利用其浅穿透深度（

（3）跨尺度失效分析体系构建

建立“宏观电性测试→介观 FIB 定位→微观原子级表征” 的全尺度分析链路，结合密度泛函理论（DFT）模拟缺陷对电学性能的影响。例如，针对 2nm 节点的碳纳米管晶体管，通过 FIB 制备单管样品，联合扫描隧道显微镜（STM）与第一性原理计算，揭示晶界散射对载流子迁移率的影响规律。

4.3 行业发展趋势

随着Chiplet 封装技术的普及，FIB 将从单一芯片分析转向多芯片堆叠系统的失效定位，需开发适用于硅桥互连、混合键合等新型结构的加工工艺。同时，在第三代半导体（如碳化硅功率器件）失效分析中，针对宽禁带材料的高硬度、低损伤加工需求，FIB 与聚焦电子束的协同应用将成为关键技术突破口。

五、结论

聚焦离子束技术凭借其独特的纳米加工与分析能力，已成为半导体芯片失效分析的核心支撑技术。从早期的截面制备工具到如今的多技术融合平台，FIB 在先进制程节点中持续发挥不可替代的作用。面对未来更复杂的芯片结构与可靠性要求，需在加工精度、损伤控制、自动化分析等方面深化创新，推动失效分析从 “事后检测” 向 “事前预防” 转变，为半导体产业的高质量发展提供坚实的技术保障。

引用来源

[1] 电子发烧友网。聚焦离子束 (FIB) 技术的特点、优势以及应用, 2024-05-10.

[2] 金鉴实验室. FIB-SEM 双束系统在半导体失效分析中的应用. 电子测试，2023.

[3] 半导体工程师. FIB：芯片失效分析的强大利器. 2024-11-09.

[4] FEI Company. FIB-SEM Application Guide for Semiconductor Failure Analysis . Hillsboro, USA, 2024.

来源：芯片测试赵工