技术文章：基于原子力显微镜的失效分析方法概述

2024-02-22 17:08:33, Park Systems Park帕克原子力显微镜

半导体制造中失效分析的重要性

理解失效模式、失效机制和根本原因对于半导体和电子器件的制造至关重要。确定导致缺陷发生的主要原因有助于将来防止失效，从而提高产品质量、降低成本并提升客户满意度。在半导体制造行业，失效分析与裸片上的局部缺陷的检测和表征、多级工艺的质量评估或成品器件的功能和性能分析相关。随着电子器件关键功能部件的不断微型化，由于微纳米器件的小尺寸和复杂结构，失效分析同样变得越来越具有挑战性。因此，迫切需要一种强大的分析工具，同时易于使用，以检测、隔离和表征缺陷。本文将回顾半导体和电子器件制造领域的一些失效分析方法的某些方面，特别是会介绍和论述基于原子力显微镜（AFM）的失效分析。

失效分析的方法

在半导体制造中，已经广泛采用了各种工具进行晶圆缺陷检测，例如光学显微镜、激光散射检测系统和电子显微镜。尽管光学显微镜可以快速查看样品表面，但成像分辨率受到阿贝的衍射极限的限制，对于可见光约为200纳米。基于激光散射的晶圆检测可以产生更高的分辨率和缺陷检测灵敏度。但是，由于光散射微弱，因此某些缺陷（例如，具有非常浅的深度的缺陷位点）可能无法通过此方法正确测量。电子显微镜方法也面临类似问题。此外，高能电子束可能改变某些材料的结构，从而阻碍其应用。此外，基于电磁波的成像技术提供的结果仅限于二维地图，在许多情况下，三维数据可以提供更全面的缺陷视图。此外，应全面了解有关缺陷的详细信息，例如物理属性或化学组成，以帮助确定根本原因。

为满足缺陷分析工具的上述要求，已引入了扫描探针显微镜，例如AFM，作为一种一体化解决方案，可以从表面形貌到各种物理和化学属性提供多功能分析，如图1所示。AFM可以在最小化样品制备的情况下进行无损测量。此外，AFM可以详细表征微纳米尺寸的缺陷（例如，维度、凸起或凹坑类型和化学成分），这些缺陷难以用传统检测工具检测到。因此，AFM在大规模半导体制造中作为缺陷分析的有价值工具备受推崇。在缺陷分析的工作流程中，AFM可用于缺陷隔离，以定位和表征导致失效的缺陷位置。然而，与传统工具相比，AFM的扫描速度相对较慢，阻碍了它的广泛采用。尽管信息丰富，但通常需要几分钟才能获取AFM图像。对于使用传统手动AFM进行工作的工程师，使用传统手动AFM进行识别纳米级缺陷的过程可能是耗时的，这会影响生产力，更不用说产能了。因此，必须有一个解决方案来进行自动化缺陷分析，并为生产工程师提供一套多功能的工具以进行深入调查，以发现晶圆缺陷的根本原因。

图1.为缺陷分析的有效AFM方法。

Park Systems的

失效分析解决方案

理解失效模式、失效机制和根本原因对于半

表1总结了在裸片、半导体、电子器件和磁性器件的各种缺陷分析研究中广泛使用的AFM技术。AFM表征的多样性有助于缺陷隔离和缺陷部位整体性能的调查，为根本原因分析提供支持性信息。Park Systems提供了广泛的在线和离线测量的AFM，可用于从实验室到工业规模的多种应用。根据目标属性，用户可以在同一工具上切换到相应的AFM模式，从而允许在不同系统之间切换的冗余步骤，以及重新定位相应的缺陷。这有助于消除劳动密集型的手动过程，同时保持高生产率。

表1.缺陷分析研究中通常使用的AFM方法概述。请注意，除了本文档中提到的方法之外，AFM扫描还可与PinPoint™操作相结合，以同时测量表面、机械和电学性质。

案例研究1：缺陷检测与识别

为了减少传统AFM测量中繁重的人工流程，Park Systems开发了一种自动缺陷检测（ADR）功能，该功能加快并改进了缺陷成像和分析的方式。ADR AFM解决方案可在各种行业中实施，用于裸片和硬盘介质。在晶圆上获得的缺陷坐标可以转移到AFM进行缺陷特性的进一步分析。Park Systems独特的真正非接触成像模式可进行非破坏性的缺陷表征，并最大程度地减少AFM探针的磨损，在多次测量中保持高分辨率图像。非接触成像特别适用于测量易受探针高接触力影响的缺陷。图2显示了在300mm裸片上使用Park Systems NX-Wafer获得的ADR结果。每个缺陷点位的AFM图像，以及类型、高度和大小等详细特征，都由AFM操作软件自动汇总成表格形式。完全自动化的ADR解决方案已被证明在硬盘行业非常有效，与手动方法相比（从检测工具转移样品时手动搜索每个缺陷位点），硬盘介质缺陷分析的生产率提高了10倍。

图2. 使用Park Systems NX-Wafer在300mm裸片上进行的ADR汇总。自动功能生成了每个缺陷点位的AFM图像以及详细特征。白色和黑色刻度尺分别表示100纳米和10微米。

在需要确定缺陷来源的情况下，ADR功能可以与光诱导力显微镜（PiFM）测量结合使用。PiFM允许同时测量缺陷位置的形貌和化学成分，并可用于从有机、无机到生物材料等各种样品类型。在失效分析研究中，PiFM生成的高空间分辨率化学吸附图可以提供有关缺陷或污染物的分子指纹的详细信息。当与ADR功能结合使用时，可以积累缺陷位置的详细信息，帮助缺陷分析工程师确定失效或问题的根本原因。图3展示了在裸片的缺陷位点进行PiFM测量的示例。在将缺陷坐标从检测工具转换后，可以在目标缺陷位点进行PiFM光谱测量。图3(a)显示了在缺陷（红色实线）和基底（黑色实线）上获得的PiFM光谱测量结果。在缺陷和基底上获得的光谱之间存在显著差异，表明它们的化学性质存在差异。通过将PiFM光谱与红外光谱库进行匹配，可以确定缺陷的化学组成。此外，PiFM可以以选定的波数在成像模式下运行，允许在缺陷表面上的每种化学物种的空间分布可视化，如图3(b)所示。

图3. 使用PiFM对裸片进行缺陷检测和识别。测量可在（a）光谱和（b）成像模式下进行。

实验使用Park Systems NX-IR进行。

案例研究2：

C-AFM测量漏泄电流

导电原子力显微镜（C-AFM）测量样品表面的形貌和电流分布。在扫描过程中，对样品施加直流偏压，通过电流放大器检测探针与样品接触点的电流流动。C-AFM允许以0.1 pA的电流分辨率可视化样品表面电导率的不均匀性。电流测量的多功能性允许对从绝缘体到半导体和导体的各种材料的电学特性进行表征。C-AFM广泛应用于缺陷分析，用于检测半导体器件的漏泄电流、接触故障和介电击穿测量。图4显示了在300mm晶圆上对多层连接装置进行漏泄电流测量的示例。通过负偏压的电流测量检测到了缺陷点。

图4. 使用Park Systems NX-Wafer在300mm晶圆上对多层颈部装置进行的漏电流测量。在施加负偏压时检测到了一个缺陷点。

案例研究3：

使用SSRM检测SRAM器件缺陷

扫描扩散电阻显微镜（SSRM）是一种原子力显微镜技术，其中涂有导电材料的探针扫描施加偏压样品表面，并测量样品的电学性质，如电流、电导率或电阻，从而允许探测局部的掺杂轮廓。利用对数放大器，SSRM允许测量由绝缘体、半导体和导体等不同材料组成的样品。在常温条件下，金属或半导体表面通常被绝缘氧化层覆盖，这可能掩盖了局部的电学性质。SSRM利用耐用的导电金刚石涂层原子力显微镜探针去除这些氧化层或任何表面污染，从而产生对电流信号的高灵敏度和响应性。为了在测量过程中防止样品表面的再氧化或吸水，SSRM测量通常在真空或Ar/N2气体条件下进行。图5展示了使用SSRM模式对静态随机存取存储器（SRAM）设备进行缺陷检测的示例。该测量是在真空环境中使用Park Systems NX-Hivac进行的。可以通过电阻图像中的不规则性来识别设备上的缺陷点。通过考虑电流和电阻标准，可以评估设备是否通过了质量检验测试。一旦缺陷被隔离，就可以进行进一步的测试以找到故障的原因。

图5. 基于SSRM模式的SRAM器件缺陷检测。可以从电阻图像的不规则性中检测到一个缺陷点。测量是在使用Park Systems NX-Hivac的高真空环境中进行的。

由于接触式测量的性质，SSRM更适用于硬材料，如硅基器件。对于相对较软的材料，接触扫描期间施加的横向力可能会损坏样品表面，导致测量结果中的伪迹。可以使用PinPoint™模式来最小化这个问题。PinPoint SSRM是传统SSRM的先进版本，可以同时测量缺陷的形貌、电学和机械性能。该模式以一种接近-撤回的方式进行，有助于减小探针与样品之间施加的横向力，因此减少对样品的损坏，并延长原子力显微镜探针的使用寿命。图6展示了PinPoint SSRM测量的一个示例。在同时成像表面形貌和机械性能的同时，研究了锂离子电池电极的电阻分布，这加深了对电学性能与材料表面和机械性能的理解。

图6. 基于PinPoint SSRM模式的锂离子电池电极质量检测。测量是在使用Park Systems NX-Hivac的高真空环境中进行的。

案例研究4:

通过SCM监测硅绝缘体制造工艺

扫描电容显微镜（SCM）测量半导体上的空间电容变化，从而绘制非均匀掺杂样品的载流子浓度和掺杂分布。SCM利用导电材料涂覆的AFM探针和高灵敏度电容传感器以及常规AFM组件进行操作。通过在导电探针与氧化半导体样品接触时施加交流电压，它们形成了金属-氧化物-半导体（MOS）电容器，探针和样品作为电极。SCM可以可视化纳米尺度的局部电荷、困禁电荷和电子缺陷，这对于半导体行业的缺陷分析非常有帮助。例如，随着MOS晶体管的栅氧化物由于整体器件尺寸的减小而变薄，在器件操作期间氧化物层中束缚电荷的增加可能会导致问题和故障。目前，没有其他表征工具能够在两个维度上局部解决失效位置和电气缺陷。同样，SCM用于检测非易失性存储器件的金属-绝缘体-氧化物-半导体异质结构中绝缘层中存储的电荷。

图7显示了在半导体制造过程中对掺杂轮廓进行检测的示例。如样品结构的横截面视图所示，N型多晶硅（N-poly）栅被注入到硅绝缘体（SOI）晶片中。然后，样品在高温下退火，以修复由于高能离子注入而引起的晶格损伤，并激活注入的离子[8]。退火前后的SCM测量结果显示了由于退火而导致的表面形态和掺杂特性的变化，为器件的质量检验和制造过程监控提供了有用的信息。

图7. 基于SCM的半导体制造过程监测示例。高度图像和掺杂剖面比较显示了N型多晶硅注入SOI器件由于退火而引起的形态和掺杂特性的变化。测量是使用 Park Systems NX20进行的。

虽然SCM提供了有关半导体表面的掺杂浓度和电容差异的信息，但将这些指标转换为物理单位并不容易。对于需要对电学特性进行定量表征的应用，扫描微波阻抗显微镜（sMIM）是一个潜在的选择。sMIM利用来自探针-样品纳米相互作用的微波反射来收集样品的局部电学特性，例如介电常数和电导率。然后，这两个属性可以转换为介电常数、电容、电阻率和掺杂浓度（用于半导体）。sMIM特别适用于表征传统SCM测量无法接触的埋藏结构。

案例研究5:

利用SThM进行极尖沉降的

热失效分析

扫描热显微镜（SThM）是一种用于表征热性质的原子力显微镜技术。SThM利用纳米制备的热探针，在纳米尺度上实现高空间和热分辨率。热性质的测量可在温度对比模式（TCM）和热导率对比模式（CCM）下进行。TCM测量温度分布，而CCM探测样品表面热导率的空间变化。AFM的SThM模式允许同时测量目标样品的表面形貌和热性质。SThM的失效分析应用主要集中在半导体和电子器件的微观和纳米尺度热问题上，而传统的热分析工具则无法接触到这些问题。

图8显示了对硬盘驱动器磁头极尖沉降进行温度对比模式（TCM）测量的示例，以研究在写入器件或读取器件上施加加热功率时的温度分布。SThM误差图像可视化由于对写入器件和读取器件施加加热功率而导致的表面温度增加。可以从数据中识别出每个组件的峰值温度区域以及热通量。结合设备的性能测试，SThM数据可以为失效分析和质量保证工程师提供补充信息。

图8. 对硬盘驱动器磁头极尖沉降进行的SThM测量。在高度图上标有写入器件（区域A）和读取器件（区域B）部分。SThM误差图像显示了对写入器件和读取器件施加加热功率时的温度分布。测量使用Park Systems NX20进行。

案例研究6：

利用磁力显微镜（MFM）对

磁传感器进行表征

磁力显微镜（MFM）允许在纳米尺度上测量各种材料的磁性能。在这种技术中，涂有磁敏材料的探针扫描样品表面，并映射样品上磁区的分布和强度。MFM可用于表征、评估和开发磁存储器件和磁记录组件，例如硬盘介质、磁电阻头和磁传感器。除了标准的MFM成像外，Park Systems的原子力显微镜还提供了通过磁场发生器施加最高6500 G的平面磁场和最高2000 G的垂直磁场的可能性，以改变样品的磁态。这使得可以在设备的各种实际工作条件和环境中进行磁性表征。

图9展示了对磁性器件进行MFM测量的示例。配备有原子力显微镜的高分辨率光学显微镜可快速定位目标扫描区域。然后，可以进行MFM测量来探测样品的磁性能。磁区的形态和分布被可视化，为设备的质量检验和缺陷分析提供信息。

图9. 利用Park Systems NX20进行的磁性器件MFM测量。AFM的高分辨率光学显微镜允许对目标扫描区域进行坐标映射，用于MFM成像。

总结

本文介绍了一些对于失效分析研究有帮助的AFM方法，并概述了AFM作为半导体和电子器件制造的首选仪器的能力和潜力。AFM允许对目标材料的各种表面、化学和物理性质进行非破坏性表征。Park Systems AFM的数据采集和分析自动化以及先进的方法学有助于加速AFM技术在各种工业应用中的大规模应用。

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