异形器件的失效分析测试方案之原位XPS+AES
2024-08-16142失效分析（Failure Analysis）是探究元器件失效根源的重要手段，旨在为元器件设计、工艺、制造等流程提供改进方向，从而提升产品良率和可靠性。在失效分析中，经常遇到异形器件，其不规则的形状与多元组件构成的特征尤为显著，直接影响着产品的性能。值得注意的是，特征尺寸在微米/亚微米级别的异形器件的表征往往存在着诸多挑战。
一方面，受限于传统分析设备的空间分辨能力，元器件微小特征的微区分析会遇到难以准确定位和精准分析的障碍，直接影响了测试结果的准确性。对此，PHI创新性推出了扫描微聚焦型XPS技术，该技术凭借小束斑X射线的扫描能力，不仅实现了小束斑X-ray对微区精确分析，还通过微聚焦的X射线扫描样品表面激发二次电子成像（Scanning X-Ray induced secondary electron imaging，SXI），直观呈现类似SEM的样品表面形貌特征，实现精准导航和定位。此外， PHI XPS—GENESIS作为全新一代的产品，还可选配扫描俄歇（SAM）配件，集成了高空间分辨的SEM成像以及AES元素成像能力，实现原了位XPS+AES的一体化分析，彻底解决了微区表征中导航难、定位难、准直分析难的痛点。
另一方面，异形器件结构特殊、形状复杂，如凹槽型、L型半导体场效应晶体管，在横向和纵向上均存在显著差异。因此，全面的、有效的分析策略，不仅需要解决器件的形貌和组分在二维分布上的难题，还要解决异形件组分在深度分布的难题。原位XPS+AES技术可以有效解决二维分布难题，而微区深度分析则存在一定难度。XPS深度分析，需结合离子溅射技术，将样品层层剥离，通过“采谱-刻蚀-采谱”的方式获取组分的深度分布。然而，离子束的刻蚀面积通常较大，一般的XPS设备单次深度分析只能获取一个位点的深度曲线局限，意味着只能对单一特征区域进行表征，难以满足同时对于拥有多个、毗邻的微区特征样品的深度分析需求。对此，PHI扫描微聚焦型XPS可以在一次刻蚀过程中同时采集FOV内多个微区的XPS谱图，从而同时生成多条深度曲线。
接下来，让我们一起见证PHI GENESIS，如何通过原位XPS+AES分析策略，实现对异形半导体器件的失效分析：
样品：SiO2/Si基底上的缺陷Au电极（完好区域：OK；缺陷区域：NG）
特征：异形件，俯视：存在多个毗邻的特征区域；剖面：各组件以嵌入式结合，且高低不平
尺寸：特征区域（①和②）的最大尺寸均在50微米以内，如图1所示
图1. SiO2/Si基板上的缺陷Au电极光学照片。
目的：分析器件失效的原因
要求：1. 识别NG区域缺陷/污染物的组分；
2. OK和NG区域形貌和组分的二维分布；
3. 表征该器件的层结构。
面临的挑战
挑战一：NG区域并非仅限于表面，实为嵌入式不规则块体，需进行表面+深度分析。
挑战二：在横向，NG存在两个毗邻的、尺寸均在数十微米的特征区域，表面微区分析时难以精准定位。
挑战三：在纵向，该异形件不同区域深度上组分差异明显，层结构表征中不能仅靠传统的XPS深剖，还需实现深度方向上的微区分析。
a. SXI导航和定位：采集样品表面的SXI影像，通过SXI精准定位OK和NG区域，并建立测试点；
b. 微区XPS：利用小束斑（10 um）采集OK和NG测试区的XPS全谱和精细谱，获取污染物的组分和化学态，以分析污染物的来源；
c. XPS Mapping：通过SXI定义面分析区域，采集表面的元素XPS Mapping，以获取污染物在表面的二维分布；
d. AES Mapping：借助高空间分辨的SAM配件，原位采集样品表面的SEM图像，以及元素的AES Mapping；
e. 多点同时深度分析：通过SXI定义多个测试点，再利用氩枪进行刻蚀，同时获取多个测试点各自的深度曲线。
如图2所示，SXI展示了样品表面的微观形貌，精准定位到尺寸约为50 um的NG区域。进一步地，利用微区XPS采集全谱和精细谱，表明缺陷区域外源物主要为BN。值得注意的是，尽管NG区域紧邻SiO2/Si基底，但是全谱中并未检测到Si元素，表明XPS的信号完全聚焦于NG区域，做到了对微区的精准定位和分析。此外， XPS Mapping直观地展示了表面B、Au和Si元素的二维分布，成功地获取了污染物的表面具体分布情况。
图2. XPS微区分析：缺陷区域的SXI精准定位，精准组分分析和元素XPS mapping。
利用XPS仪器的SAM扫描俄歇配件，进一步对该样品进行原位AES表征，其结果如图3所示。SEM展现出比SXI更高的空间分辨能力，使得样品表面的微观形貌更加清晰明了。在AES mapping视角下，B、Au和Si的分布情况与先前XPS Mapping一致，缺陷内在BN含量较少的区域，存在富C区，二者的分布呈现互补。测试结果充分体现了二者对于微小特征组分的表征能力。
图3. SAM（扫描俄歇）分析：缺陷区域的SEM图像和元素AES mapping
通过SXI分别在缺陷（NG）、Au电极（OK）以及Si基底上定义了3个测试点，结合Ar+进行XPS深度分析。结果如图4所示，PHI扫描型XPS可在微区内快速往复扫描，同时采集这3个测试点的XPS谱图，从而同时生成3个深剖曲线，直接展示了该异形件在深度方向上的组分分布情况。由此，成功绘制出该异形样品的层结构模型。
图4. XPS多点同时深度分析：全方位获取异形器件的多层结构模型。
PHI XPS以其卓越的微区XPS分析能力为基础，再结合SAM功能配件，铸就了一款功能强大与完备于一体的顶尖表面分析工具。这一组合尤其是在应对微小特征和结构复杂异形器件的失效分析上，可实现对微区特征的精准定位和可靠的分析，展现出无可比拟的优势和不可替代性。
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