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當前位置:首頁技術文章應用分享 | 異形器件的失效分析測試方案之原位XPS+AES

應用分享 | 異形器件的失效分析測試方案之原位XPS+AES

更新時間:2024-08-21點擊次數:335

失效分析(Failure Analysis)是探究元器件失效根源的重要手段,旨在為元器件設計、工藝、制造等流程提供改進方向,從而提升產品良率和可靠性。在失效分析中,經常遇到異形器件,其不規則的形狀與多元組件構成的特征尤為明顯,直接影響著產品的性能。值得注意的是,特征尺寸在微米/亞微米級別的異形器件的表征往往存在著諸多挑戰。

一方面,受限于傳統分析設備的空間分辨能力,元器件微小特征的微區分析會遇到難以準確定位和準確分析的障礙,直接影響了測試結果的準確性。對此,PHI創新性推出了掃描微聚焦型XPS技術,該技術憑借小束斑X射線的掃描能力,不只實現了小束斑X-ray對微區準確分析,還通過微聚焦的X射線掃描樣品表面激發二次電子成像(Scanning X-Ray induced secondary electron imaging,SXI),直觀呈現類似SEM的樣品表面形貌特征,實現準確導航和定位。此外, PHI XPS—GENESIS作為全新一代的產品,還可選配掃描俄歇(SAM)配件,集成了高空間分辨的SEM成像以及AES元素成像能力,實現了原位XPS+AES的一體化分析,解決了微區表征中導航難、定位難、準直分析難的痛點。

另一方面,異形器件結構特殊、形狀復雜,如凹槽型、L型半導體場效應晶體管,在橫向和縱向上均存在明顯差異。因此,全方面的、有效的分析策略,不只需要解決器件的形貌和組分在二維分布上的難題,還要解決異形件組分在深度分布的難題。原位XPS+AES技術可以有效解決二維分布難題,而微區深度分析則存在一定難度。XPS深度分析,需結合離子濺射技術,將樣品層層剝離,通過“采譜-刻蝕-采譜"的方式獲取組分的深度分布。然而,離子束的刻蝕面積通常較大,一般的XPS設備單次深度分析只能獲取一個位點的深度曲線局限,意味著只能對單一特征區域進行表征,難以滿足同時對于擁有多個、毗鄰的微區特征樣品的深度分析需求。對此,PHI掃描微聚焦型XPS可以在一次刻蝕過程中同時采集FOV內多個微區的XPS譜圖,從而同時生成多條深度曲線。

接下來,讓我們一起見證PHI GENESIS,如何通過原位XPS+AES分析策略,實現對異形半導體器件的失效分析:

樣品信息

樣品:SiO2/Si基底上的缺陷Au電極(完好區域:OK;缺陷區域:NG)

特征:異形件,俯視:存在多個毗鄰的特征區域;剖面:各組件以嵌入式結合,且高低不平

尺寸:特征區域(①和②)的大的尺寸均在50微米以內,如圖1所示                

圖1. SiO2/Si基板上的缺陷Au電極光學照片。 

失效分析需求

目的:分析器件失效的原因

要求:1. 識別NG區域缺陷/污染物的組分;

2. OK和NG區域形貌和組分的二維分布;

3. 表征該器件的層結構。

面臨的挑戰

挑戰一:NG區域并非只限于表面,實為嵌入式不規則塊體,需進行表面+深度分析。

挑戰二:在橫向,NG存在兩個毗鄰的、尺寸均在數十微米的特征區域,表面微區分析時難以準確定位。

挑戰三:在縱向,該異形件不同區域深度上組分差異明顯,層結構表征中不能只靠傳統的XPS深剖,還需實現深度方向上的微區分析。

分析方案

a. SXI導航和定位:采集樣品表面的SXI影像,通過SXI準確定位OK和NG區域,并建立測試點;

b. 微區XPS:利用小束斑(10 um)采集OK和NG測試區的XPS全譜和精細譜,獲取污染物的組分和化學態,以分析污染物的來源;

c. XPS Mapping:通過SXI定義面分析區域,采集表面的元素XPS Mapping,以獲取污染物在表面的二維分布;

d. AES Mapping:借助高空間分辨的SAM配件,原位采集樣品表面的SEM圖像,以及元素的AES Mapping;

e. 多點同時深度分析:通過SXI定義多個測試點,再利用氬設備進行刻蝕,同時獲取多個測試點各自的深度曲線。

表面分析結果

如圖2所示,SXI展示了樣品表面的微觀形貌,準確定位到尺寸約為50 um的NG區域。進一步地,利用微區XPS采集全譜和精細譜,表明缺陷區域外源物主要為BN。值得注意的是,盡管NG區域緊鄰SiO2/Si基底,但是全譜中并未檢測到Si元素,表明XPS的信號聚焦于NG區域,做到了對微區的準確定位和分析。此外, XPS Mapping直觀地展示了表面B、Au和Si元素的二維分布,成功地獲取了污染物的表面具體分布情況。

圖2. XPS微區分析:缺陷區域的SXI準確定位,準確組分分析和元素XPS mapping。

利用XPS儀器的SAM掃描俄歇配件,進一步對該樣品進行原位AES表征,其結果如圖3所示。SEM展現出比SXI更高的空間分辨能力,使得樣品表面的微觀形貌更加清晰明了。在AES mapping視角下,B、Au和Si的分布情況與先前XPS Mapping一致,缺陷內在BN含量較少的區域,存在富C區,二者的分布呈現互補。測試結果充分體現了二者對于微小特征組分的表征能力。

圖3. SAM(掃描俄歇)分析:缺陷區域的SEM圖像和元素AES mapping

深度分析結果

通過SXI分別在缺陷(NG)、Au電極(OK)以及Si基底上定義了3個測試點,結合Ar+進行XPS深度分析。結果如圖4所示,PHI掃描型XPS可在微區內快速往復掃描,同時采集這3個測試點的XPS譜圖,從而同時生成3個深剖曲線,直接展示了該異形件在深度方向上的組分分布情況。由此,成功繪制出該異形樣品的層結構模型。

圖4. XPS多點同時深度分析:多方位獲取異形器件的多層結構模型。

PHI XPS以其微區XPS分析能力為基礎,再結合SAM功能配件,鑄就了一款功能強大與完備于一體的表面分析工具。這一組合尤其是在應對微小特征和結構復雜異形器件的失效分析上,可實現對微區特征的準確定位和可靠的分析,展現出優勢和不可替代性。

 

-轉載于《PHI表面分析 UPN》公眾號

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