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高階晶片異常點無所遁形 C-AFM一針見內鬼
 

【作者: 許雅婷】   2024年03月21日 星期四

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在人工智慧(AI)、高效能運算(HPC)和行動通訊的快速發展下,為了滿足對晶片高效能、低功耗和更小尺寸的需求,製程技術正飛速演進,並逼近物理極限。隨著晶片以3D封裝技術不斷堆疊層數,故障分析的複雜度也與日俱增。


面對高度微縮的晶片,有時必須靈活運用多種故障分析機台,方能找出失效點。


舉例而言,當晶片出現故障,以電性故障分析(Electrical Failure Analysis;EFA)發現明顯的亮點,但後續利用電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope;SEM)一路觀察到底層,卻仍看不到異常,這種情況常讓研發工程師們陷入窘境。


這正是導電式原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscopy;C-AFM)發揮作用的時候。擁有20年歷史的C-AFM量測技術,因為它有描繪出樣品表面形貌(Topography)及量測電流的特性,所以不論是在後段金屬繞線端製程(Back-end)的通孔(via)層次,或是前段電晶體端製程(Front-end)的接觸點層次,都可透過C-AFM於一支導電探針擷取電流,大範圍的掃描搜索區域快速找到異常點。本文將帶您一同深入了解C-AFM的機台操作原理和數據判讀方式,探究其強大而厲害的功能。


速讀C-AFM的原理與應用 

說到C-AFM,就必須先提起它的前身—掃描穿隧顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope;STM),STM是由兩位瑞士蘇黎世IBM實驗室的科學家Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer所發明,他們在探針與樣品間的微小空隙,利用量子穿隧效應產生的微小電流去探測物質表面的形貌,此項重大發明榮獲1986年的諾貝爾物理學獎。


同年Gerd Binning、Calvin Quate和Christoph Gerber改用探針的原子與樣品表面原子之間的凡得瓦力(Van der Waals' force),使懸臂樑產生微細位移,來描繪出樣品的表面樣貌,為原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope;AFM)。而C-AFM即為其中的一項應用延伸。


C-AFM的妙用和應用時機

大部分的情形下,SEM是找尋亮點位置首要的絕佳利器。我們可利用SEM層層觀察試片的金屬線和閘極架構是否異常,也可以在通孔/接觸點(Via/Contact)層次搭配SEM內建的VC(Voltage Contrast,即電壓對比)效果來判斷晶片是否開路(Open)或漏電(Leakage)。但SEM缺乏定量的電性量測電流功能,所以即使偵測到異常VC亮起時,也無法精確得知異常點是往P接面(P-junction)還是N接面(N-junction)故障。


從宜特電性故障分析實驗室的經驗發現,因為NMOS本身架構的關係,閘極(gate)對N接面的漏電往往更難從SEM的VC中發現到異常,如圖一(a)SEM圖。然而C-AFM利用樣品載台從試片晶背施加偏壓,由導電探針接收電流,並大範圍掃描,即可檢測此範圍有無異常,並可快速得知異常位置的電性是往P接面、N接面,還是從基極(Bulk)漏電或開路故障,猶如檢測新冠病毒的快篩試劑。


若要更精準的PCR核酸檢驗,則可進一步使用奈米探針電性量測(Nano Prober),對故障點精確定位後再進行材料分析,如雙束聚焦離子束(Dual-Beam FIB;DB-FIB)或是穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy;TEM)切片分析。這些電性的數據亦可幫助後續材料分析時進行比對和判讀,找出異常點的真因。



圖一 : 最左邊的黑白圖為(a)SEM顯示圖;右邊兩張圖為(b)C-AFM電流圖,可從亮黑或亮白點中,判讀出樣品電性狀態。(source:宜特科技)
圖一 : 最左邊的黑白圖為(a)SEM顯示圖;右邊兩張圖為(b)C-AFM電流圖,可從亮黑或亮白點中,判讀出樣品電性狀態。(source:宜特科技)

圖二 : C-AFM在故障分析流程中的最佳量測時機(source:宜特科技)
圖二 : C-AFM在故障分析流程中的最佳量測時機(source:宜特科技)

快速解讀C-AFM的數據

解讀C-AFM的數據並不難,只要瞭解PN二極體(PN Diode)的偏壓特性就可以了。當施加正電壓在P區,施加負電壓於N區時,電流可以由P區流到N區,此電壓狀態定義為順向偏壓,如圖三(a);反之,當施加負電壓於P區,施加正電壓在N區,則為逆向偏壓,此情況下並無電流通過此PN接面,如圖三(b)。



圖三 : (a)順向偏壓示意圖;(b) 逆向偏壓示意圖(source:宜特科技)
圖三 : (a)順向偏壓示意圖;(b) 逆向偏壓示意圖(source:宜特科技)

根據機台操作定義,從試片晶背施加負偏壓,探針在掃描中能擷取到電流的位置,在電流圖呈現黑色訊號;反之,從試片晶背施加正偏壓,則在電流圖呈現白色訊號。從電流範例圖(圖四)看出,當給試片負偏壓時,P接面的接觸點亮起黑色(圖四(a));而當給試片正偏壓時,N接面的接觸點則亮起白色(圖四(b))。宜特電性分析實驗室亦從豐富C-AFM實際判讀經驗中,整理出C-AFM數據判讀表(表圖五)。



圖四 : (a)從試片晶背施加負偏壓,P接面接觸點亮起(黑色);(b)從試片晶背施加正偏壓,N接面接觸點亮起(白色)。(source:宜特科技)
圖四 : (a)從試片晶背施加負偏壓,P接面接觸點亮起(黑色);(b)從試片晶背施加正偏壓,N接面接觸點亮起(白色)。(source:宜特科技)

圖五 : 藉由設定條件,可快速解讀C-AFM數據代表的意義。(source:宜特科技)
圖五 : 藉由設定條件,可快速解讀C-AFM數據代表的意義。(source:宜特科技)

C-AFM四大案例分享

從C-AFM異常的電流圖搭配IV曲線(電流對電壓之曲線)量測,可以找出開路(Open)、短路(Short)、漏電(Leakage) ,甚至是高阻值(High Resistance)的故障模式,此四種模式說明如下:


開路(Open)模式

正常PMOS的P接面是負偏壓導通,電流圖會亮黑色,IV曲線如圖六(b)的綠線參考位置(Ref)所示;因為目標位置(Target)的Via 2有開路故障(Open Fail)的情形,導致電流無法流經PN接面;C-AFM在Via 3的電流圖則無訊號,而IV曲線如圖六(b)的橘線Target所示。



圖六 : (a)製程開路故障示意圖;(b)C-AFM的I-V曲線結果。(source:宜特科技)
圖六 : (a)製程開路故障示意圖;(b)C-AFM的I-V曲線結果。(source:宜特科技)

短路(Short)模式

正常PMOS的P接面是負偏壓導通,電流圖會亮黑色,IV曲線如圖七(b)的Ref 2(深綠色虛線)所示;正常NMOS的N接面是正偏壓導通,電流圖會亮白色,IV曲線如圖七(b)的Ref 1(淺綠色虛線)所示。圖七(a)的Target 1和Target 2在Metal 2之間有短路故障情形,導致在Via 2的IV量測皆收到P接面和N接面的訊號,IV曲線如圖七(b)的橘色和黃色線,並重疊在一起,且Via 2的電流圖同時收到亮黑和亮白的訊號。



圖七 : (a)製程短路故障示意圖;(b)C-AFM的I-V曲線結果。(source:宜特科技)
圖七 : (a)製程短路故障示意圖;(b)C-AFM的I-V曲線結果。(source:宜特科技)

漏電(Leakage)模式

正常的閘極(Gate)在C-AFM下不會偵測到訊號,如圖八(b)的Ref(綠線) 所示。圖八(a)中異常亮點所在的閘極(Target Gate)因對P接面漏電,導致閘極上方的Via 1在C-AFM的電流圖可以看到亮黑色,而IV曲線則明顯量測到有閘極漏電(Gate Leakage)的狀況,如圖八(b)橘線目標位置(Target)所示。



圖八 : (a)製程閘極漏電故障示意圖;(b)C-AFM的I-V曲線結果。(source:宜特科技)
圖八 : (a)製程閘極漏電故障示意圖;(b)C-AFM的I-V曲線結果。(source:宜特科技)

高阻抗(High Resistance)模式

正常NMOS的N接面是正偏壓導通,電流圖會亮白色,IV曲線如圖九(b)的Ref(綠線)所示。圖九(a)中異常點所在區(Target)的Via 2不完全連接到Metal 2,在Via 3的C-AFM電流圖會看到比Ref還要淡的白色,且其IV曲線(見橘線)呈現高阻值特性(圖九(b))。若故障點的阻抗值相較於參考點的阻抗值,兩者若差異不大,在current map上的顏色對比會比較不明顯,除了使用C-AFM的IV曲線量測驗證,也可以使用Nano Prober進行更精準的電性量測。



圖九 : (a)製程高阻抗故障示意圖;(b)C-AFM的I-V曲線結果。(source:宜特科技)
圖九 : (a)製程高阻抗故障示意圖;(b)C-AFM的I-V曲線結果。(source:宜特科技)

經由C-AFM的強大功能,可以解決SEM在VC觀測下的盲點(見圖一),也可以做大範圍定量的電性鑑定,快速地找到故障位置,加快後續Nano Prober的量測速度,這一強大利器可在故障分析中提供無往不利,屢戰屢勝。


(本文作者許雅婷為iST宜特科技故障分析工程處技術副理)


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