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(shè)計(jì)、工藝、制造等流程提供改進(jìn)方向，從而提升產(chǎn)品良率和可靠性。在失效分析中，經(jīng)常遇到異形器件，其不規(guī)則的形狀與多元組件構(gòu)成的特征尤為明顯，直接影響著產(chǎn)品的性能。值得注意的是，特征尺寸在微米/亞微米級(jí)別的異形器件的表征往往存在著諸多挑戰(zhàn)。

一方面，受限于傳統(tǒng)分析設(shè)備的空間分辨能力，元器件微小特征的微區(qū)分析會(huì)遇到難以準(zhǔn)確定位和準(zhǔn)確分析的障礙，直接影響了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)此，PHI創(chuàng)新性推出了掃描微聚焦型XPS技術(shù)，該技術(shù)憑借小束斑X射線的掃描能力，不只實(shí)現(xiàn)了小束斑X-ray對(duì)微區(qū)準(zhǔn)確分析，還通過微聚焦的X射線掃描樣品表面激發(fā)二次電子成像（Scanning X-Ray induced secondary electron imaging，SXI），直觀呈現(xiàn)類似SEM的樣品表面形貌特征，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確導(dǎo)航和定位。此外， PHI XPS—GENESIS作為全新一代的產(chǎn)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(shí)現(xiàn)了原位XPS+AES的一體化分析，解決了微區(qū)表征中導(dǎo)航難、定位難、準(zhǔn)直分析難的痛點(diǎn)。

另一方面，異形器件結(jié)構(gòu)特殊、形狀復(fù)雜，如凹槽型、L型半導(dǎo)體場效應(yīng)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(shù)可以有效解決二維分布難題，而微區(qū)深度分析則存在一定難度。XPS深度分析，需結(jié)合離子濺射技術(shù)，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(shè)備單次深度分析只能獲取一個(gè)位點(diǎn)的深度曲線局限，意味著只能對(duì)單一特征區(qū)域進(jìn)行表征，難以滿足同時(shí)對(duì)于擁有多個(gè)、毗鄰的微區(qū)特征樣品的深度分析需求。對(duì)此，PHI掃描微聚焦型XPS可以在一次刻蝕過程中同時(shí)采集FOV內(nèi)多個(gè)微區(qū)的XPS譜圖，從而同時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)異形半導(dǎo)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(qū)域：OK；缺陷區(qū)域：NG）

特征：異形件，俯視：存在多個(gè)毗鄰的特征區(qū)域；剖面：各組件以嵌入式結(jié)合，且高低不平

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

圖1. SiO2/Si基板上的缺陷Au電極光學(xué)照片。 

失效分析需求

目的：分析器件失效的原因

要求：1. 識(shí)別NG區(qū)域缺陷/污染物的組分；

2. OK和NG區(qū)域形貌和組分的二維分布；

3. 表征該器件的層結(jié)構(gòu)。

面臨的挑戰(zhàn)

挑戰(zhàn)一：NG區(qū)域并非只限于表面，實(shí)為嵌入式不規(guī)則塊體，需進(jìn)行表面+深度分析。

挑戰(zhàn)二：在橫向，NG存在兩個(gè)毗鄰的、尺寸均在數(shù)十微米的特征區(qū)域，表面微區(qū)分析時(shí)難以準(zhǔn)確定位。

挑戰(zhàn)三：在縱向，該異形件不同區(qū)域深度上組分差異明顯，層結(jié)構(gòu)表征中不能只靠傳統(tǒng)的XPS深剖，還需實(shí)現(xiàn)深度方向上的微區(qū)分析。

分析方案

a. SXI導(dǎo)航和定位：采集樣品表面的SXI影像，通過SXI準(zhǔn)確定位OK和NG區(qū)域，并建立測試點(diǎn)；

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

c. XPS Mapping：通過SXI定義面分析區(qū)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(diǎn)同時(shí)深度分析：通過SXI定義多個(gè)測試點(diǎn)，再利用氬設(shè)備進(jìn)行刻蝕，同時(shí)獲取多個(gè)測試點(diǎn)各自的深度曲線。

表面分析結(jié)果

如圖2所示，SXI展示了樣品表面的微觀形貌，準(zhǔn)確定位到尺寸約為50 um的NG區(qū)域。進(jìn)一步地，利用微區(qū)XPS采集全譜和精細(xì)譜，表明缺陷區(qū)域外源物主要為BN。值得注意的是，盡管NG區(qū)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(hào)聚焦于NG區(qū)域，做到了對(duì)微區(qū)的準(zhǔn)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(qū)分析：缺陷區(qū)域的SXI準(zhǔn)確定位，準(zhǔn)確組分分析和元素XPS mapping。

利用XPS儀器的SAM掃描俄歇配件，進(jìn)一步對(duì)該樣品進(jìn)行原位AES表征，其結(jié)果如圖3所示。SEM展現(xiàn)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(nèi)在BN含量較少的區(qū)域，存在富C區(qū)，二者的分布呈現(xiàn)互補(bǔ)。測試結(jié)果充分體現(xiàn)了二者對(duì)于微小特征組分的表征能力。

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

深度分析結(jié)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(gè)測試點(diǎn)，結(jié)合Ar+進(jìn)行XPS深度分析。結(jié)果如圖4所示，PHI掃描型XPS可在微區(qū)內(nèi)快速往復(fù)掃描，同時(shí)采集這3個(gè)測試點(diǎn)的XPS譜圖，從而同時(shí)生成3個(gè)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(jié)構(gòu)模型。

圖4. XPS多點(diǎn)同時(shí)深度分析：多方位獲取異形器件的多層結(jié)構(gòu)模型。

PHI XPS以其微區(qū)XPS分析能力為基礎(chǔ)，再結(jié)合SAM功能配件，鑄就了一款功能強(qiáng)大與完備于一體的表面分析工具。這一組合尤其是在應(yīng)對(duì)微小特征和結(jié)構(gòu)復(fù)雜異形器件的失效分析上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微區(qū)特征的準(zhǔn)確定位和可靠的分析，展現(xiàn)出優(yōu)勢和不可替代性。

-轉(zhuǎn)載于《PHI表面分析 UPN》公眾號(hào)