1. 概述

失效分析是確保集成電路和微電子器件可靠性、優(yōu)化制造工藝的重要環(huán)節(jié)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是進(jìn)入5nm、7nm等先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)后，器件失效模式變得更為復(fù)雜，要求我們使用各種高精度的分析工具進(jìn)行失效定位和機(jī)理分析。原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，簡(jiǎn)稱(chēng)AFM）就是其中一種重要的分析工具。

2. 半導(dǎo)體工藝及失效分析

半導(dǎo)體制造技術(shù)隨著摩爾定律的發(fā)展，已經(jīng)從14nm、7nm工藝進(jìn)化到5nm及更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)。這些先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)中，器件的微縮程度極大，導(dǎo)致失效模式更加復(fù)雜和多樣化。比如，F(xiàn)inFET結(jié)構(gòu)由于其獨(dú)特的三維設(shè)計(jì)，帶來(lái)了更多失效模式的可能性，且其中許多失效僅能在微觀或納米級(jí)別進(jìn)行有效分析。

在失效分析過(guò)程中，主要步驟包括：

失效定位：通過(guò)電測(cè)試、熱成像等手段確定失效點(diǎn)。

物理失效分析（PFA）：利用各種顯微技術(shù)（如AFM、SEM、TEM等）進(jìn)一步分析失效的物理原因。

失效機(jī)理推斷：通過(guò)對(duì)物理缺陷的分析，結(jié)合工藝流程和器件特性，推斷失效機(jī)理。

在此過(guò)程中，AFM因其高精度的表面成像與納米級(jí)別分辨率，成為定位和分析失效原因的重要工具。

3. AFM原理及其在失效分析中的優(yōu)勢(shì)

AFM的工作原理是利用一個(gè)尖銳的探針（探針半徑通常在納米級(jí)別）接觸或接近樣品表面，探針與樣品表面的相互作用力（如范德華力、靜電力等）使探針發(fā)生偏移，進(jìn)而通過(guò)記錄這些偏移來(lái)構(gòu)建樣品的三維形貌圖。AFM的原理如下：

相較于掃描電子顯微鏡（SEM）等傳統(tǒng)技術(shù)，AFM具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：

超高分辨率：AFM的分辨率可以達(dá)到納米甚至亞納米級(jí)，適用于分析極微小的結(jié)構(gòu)失效。

表面形貌成像：AFM不僅能提供二維的表面形貌圖，還可以通過(guò)分析探針與樣品的力學(xué)相互作用，獲取更多關(guān)于表面機(jī)械性能、電性能的細(xì)節(jié)。

非破壞性分析：在正確操作下，AFM不會(huì)破壞樣品，非常適合后續(xù)需要進(jìn)一步測(cè)試的樣品分析。

因此，在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)中，AFM特別適合分析器件的表面缺陷，如表面顆粒、形貌不均、納米級(jí)的裂紋、金屬層間的缺陷等。AFM看到的部分現(xiàn)象：

4. AFM在失效分析中的具體應(yīng)用

在器件失效分析中，AFM的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：

4.1 表面形貌與粗糙度分析

在半導(dǎo)體工藝中，表面粗糙度往往會(huì)影響器件的電性能。特別是在14nm、7nm及更先進(jìn)的FinFET器件中，鰭結(jié)構(gòu)的表面粗糙度直接影響晶體管的驅(qū)動(dòng)電流和漏電性能。如果晶體管表面存在過(guò)多的顆粒或不均勻形貌，將可能導(dǎo)致器件失效或性能下降。

AFM通過(guò)高精度的三維成像能力，可以精確測(cè)量器件表面的形貌和粗糙度，識(shí)別那些可能導(dǎo)致失效的微觀缺陷。以FinFET器件為例，AFM能夠檢測(cè)到鰭結(jié)構(gòu)表面的不均勻刻蝕、材料沉積不良等問(wèn)題。

AFM應(yīng)用中，力和距離之間的關(guān)系如下：

4.2 晶圓缺陷分析

在晶圓制造過(guò)程中，晶圓表面往往會(huì)因刻蝕、氧化、清洗等工藝步驟產(chǎn)生顆粒、裂紋或其他缺陷。AFM可以在納米級(jí)別對(duì)這些表面缺陷進(jìn)行精確定位和成像。AFM的操作示意圖如下：

例如，在某些高性能產(chǎn)品中，如果金屬互連層中殘留了微小顆粒或形成了裂紋，將可能導(dǎo)致互連失敗甚至短路問(wèn)題。AFM通過(guò)其非破壞性表面成像能力，可以在不破壞樣品的前提下檢測(cè)這些缺陷。

4.3 納米級(jí)別的電性能測(cè)量

除了表面形貌成像外，AFM還可以通過(guò)改進(jìn)的操作模式（如導(dǎo)電AFM，C-AFM）測(cè)量器件的電性能。在半導(dǎo)體失效分析中，常常需要檢測(cè)某個(gè)區(qū)域的漏電、絕緣失效或?qū)щ娦圆町悾@些問(wèn)題往往與器件表面的微觀結(jié)構(gòu)或材料不均勻性相關(guān)。

例如，在FinFET器件中，如果某個(gè)區(qū)域的柵極漏電較大，則可能是由于柵極材料刻蝕不充分或存在顆粒導(dǎo)致的。AFM可以通過(guò)掃描電流成像檢測(cè)出該區(qū)域的電性能異常，并結(jié)合表面形貌分析，幫助定位失效原因。

4.4 局部機(jī)械性能分析

AFM還可以通過(guò)力學(xué)模式（如力曲線模式）測(cè)量樣品的機(jī)械性能，如硬度、粘附性、彈性模量等。在半導(dǎo)體工藝中，材料的機(jī)械性能失效也可能導(dǎo)致器件功能受損。例如，某些電介質(zhì)層如果在制造過(guò)程中產(chǎn)生了機(jī)械應(yīng)力集中區(qū)，可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂或?qū)娱g剝離。

在這種情況下，AFM能夠通過(guò)對(duì)材料表面機(jī)械性能的精細(xì)檢測(cè)，識(shí)別出潛在的失效區(qū)域，為失效機(jī)理推斷提供依據(jù)。

5. 與其他設(shè)備的聯(lián)合應(yīng)用

盡管AFM在失效分析中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但單獨(dú)使用AFM往往無(wú)法完全解決復(fù)雜的失效問(wèn)題。因此，AFM常常與其他分析設(shè)備（如Nano-probe、TEM、SEM等）配合使用，形成綜合的分析手段。

例如，針對(duì)某些深層的材料缺陷（如埋藏在多個(gè)金屬層之下的互連短路問(wèn)題），需要先使用Nano-probe進(jìn)行電性能定位，再利用AFM對(duì)表面形貌進(jìn)行分析，最終通過(guò)FIB截取樣品進(jìn)行TEM詳細(xì)觀察。這種多設(shè)備協(xié)同的分析方法可以確保失效問(wèn)題得到全面的解析。

6. 案例分析：AFM在失效分析中的實(shí)際應(yīng)用

案例一：16nm FinFET器件MG-MD短路問(wèn)題

在某16nm制程的FinFET產(chǎn)品中，出現(xiàn)了Shmoo異常的問(wèn)題。通過(guò)Nano-probe定位到SRAM區(qū)的一個(gè)bit cell，并進(jìn)行AFM表面形貌分析后，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域金屬柵極的刻蝕存在殘留，導(dǎo)致了柵極和源極之間的短路問(wèn)題。最終通過(guò)進(jìn)一步的FIB/TEM分析證實(shí)了MG-MD短路的存在。

在這個(gè)案例中，AFM的高分辨率表面成像能力幫助迅速識(shí)別出了金屬柵極的刻蝕問(wèn)題，并為后續(xù)的物理失效分析提供了重要的表面信息。

案例二：14nm制程產(chǎn)品的STI刻蝕缺陷

在某14nm芯片產(chǎn)品中，AFM被用于分析STI（Shallow Trench Isolation）刻蝕不完全的問(wèn)題。通過(guò)AFM檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的表面形貌存在局部凹陷，進(jìn)一步的TEM分析證實(shí)了該處存在STI刻蝕空洞，最終通過(guò)工藝改進(jìn)解決了此類(lèi)問(wèn)題。

7. 結(jié)論

結(jié)合Nano-probe、FIB、TEM等其他分析工具，AFM能夠提供更加全面、深入的失效分析結(jié)果，幫助解決制造工藝中的問(wèn)題，提高產(chǎn)品良率和可靠性。對(duì)于器件失效分析工程師來(lái)說(shuō)，掌握并靈活運(yùn)用AFM等設(shè)備，將是應(yīng)對(duì)未來(lái)工藝挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技能。

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