半導(dǎo)體研發(fā)卡脖子？AFM/SEM/EDS三合一顯微鏡讓納米級(jí)“病灶”顯形

在半導(dǎo)體研發(fā)的微觀世界里，7 nm 以下制程的晶圓突然出現(xiàn)不明短路，異質(zhì)界面的失效反復(fù)上演，跨設(shè)備分析時(shí)同一感興趣區(qū)域總是 “捉迷藏”…… 當(dāng)傳統(tǒng)檢測手段在分辨率與效率間艱難妥協(xié)，一款集 SEM、AFM 和 EDS 于一體的 FusionScope 設(shè)備，正以“三位一體” 的原位表征能力，為半導(dǎo)體行業(yè)撕開納米級(jí) “黑箱”，讓形貌、結(jié)構(gòu)與化學(xué)分析在同一視野里實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，成為破解工藝痛點(diǎn)的關(guān)鍵鑰匙。

SEM/AFM/EDS三合一顯微鏡FusionScope結(jié)構(gòu)圖

本文將圍繞 FusionScope 的核心破局優(yōu)勢展開，詳細(xì)介紹其在半導(dǎo)體器件 “失效分析”、半導(dǎo)體研發(fā) “高分辨檢查”、半導(dǎo)體研發(fā)工藝中側(cè)壁粗糙度 “質(zhì)量檢查” 以及半導(dǎo)體器件的納米電學(xué)表征（包括納米機(jī)械手輔助的 CAFM&EFM 表征、EBAC/EBIC 表征、EFM 表征）等方面的應(yīng)用案例，展現(xiàn)其作為破解工藝痛點(diǎn)關(guān)鍵鑰匙的強(qiáng)大實(shí)力。

FusionScope核心破局優(yōu)勢：

AFM-SEM-EDS共坐標(biāo)系自研技術(shù)可實(shí)現(xiàn)：

• 三維形貌與二維結(jié)構(gòu)像素級(jí)對(duì)齊（共坐標(biāo)系統(tǒng)）

• 元素分布直接映射到特定形變區(qū)域（案例：捕獲層間通孔界面）

• 真空環(huán)境全流程防護(hù)（規(guī)避大氣暴露導(dǎo)致的表面氧化偽影）

• 可擴(kuò)展功能（最多4個(gè)納米機(jī)械手的擴(kuò)展）

應(yīng)用案例大合集：

1. FusionScope對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行“失效分析”

在半導(dǎo)體制造中，失效分析與質(zhì)量控制是提升良率的核心環(huán)節(jié)。以棘手的層間通孔電路為例，FusionScope的SEM、AFM和EDS的三重關(guān)聯(lián)分析功能，大大增加了對(duì)樣品的了解，有助于改進(jìn)制備工藝。

首先，利用SEM在大面積區(qū)域成像，并通過提供詳細(xì)的疊層誤差成像來識(shí)別潛在故障點(diǎn)。當(dāng)材料層不對(duì)齊時(shí)，會(huì)減少接觸面積，并可能在某些情況下導(dǎo)致失效。SEM還提供了X軸和Y軸的高分辨率橫向信息，有助于精確測量疊層精度。

FusionScope的共坐標(biāo)系與SEM提供的坐標(biāo)相結(jié)合，可以通過執(zhí)行自動(dòng)掃描命令輕松獲得AFM測量結(jié)果。AFM數(shù)據(jù)提供的補(bǔ)充垂直表面信息揭示了表面沿Z軸的形貌細(xì)節(jié)，而這些細(xì)節(jié)在SEM圖像中并不清晰。如下圖所示，AFM顯示電路線在層間通孔上變細(xì)，可能導(dǎo)致電學(xué)連接受損。

層間通孔電路SEM/AFM/EDS表征

2. FusionScope對(duì)半導(dǎo)體研發(fā)進(jìn)行“高分辨檢查”

對(duì)于納米級(jí)臺(tái)階高度的控制，F(xiàn)usionScope 的高分辨率更是“細(xì)如發(fā)絲”。在半導(dǎo)體制造中，1 nm 的偏差就可能引發(fā)器件漏電或應(yīng)力斷裂，而FusionScope能輕松分辨 SrTiO₃ 襯底上單個(gè)原子層（約 0.4 nm）的厚度差異（如下圖所示），為光刻對(duì)焦精度、金屬互連可靠性與 3D 堆疊良率提供“納米級(jí)標(biāo)尺”。

原子層臺(tái)階的AFM形貌表征

3. FusionScope在半導(dǎo)體研發(fā)工藝中側(cè)壁粗糙度的“質(zhì)量檢查”

半導(dǎo)體器件表面與側(cè)壁粗糙度的表征是決定芯片性能、可靠性和良率的納米級(jí)標(biāo)尺。通常，半導(dǎo)體器件的表面粗糙度相對(duì)容易表征，但半導(dǎo)體器件的側(cè)壁粗糙度不容易表征。

FusionScope通過創(chuàng)新方案，精確定位到感興趣區(qū)域，高效表征側(cè)壁粗糙度：

• 借助納米機(jī)械手的輔助，進(jìn)行破壞性地掰斷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后定位到波導(dǎo)側(cè)壁進(jìn)行表征；

• 采用傾斜的樣品臺(tái)&耳軸的旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的方法，對(duì)半導(dǎo)體&玻璃基底的側(cè)壁分別進(jìn)行進(jìn)行表面粗糙度表征。

半導(dǎo)體器件側(cè)壁粗糙度表征

4. FusionScope對(duì)半導(dǎo)體器件的納米電學(xué)表征

1） 納米機(jī)械手輔助的CAFM&EFM表征

Kleindiek的納米機(jī)械手作為標(biāo)準(zhǔn)SEM成熟的集成組件，其易于集成和出色的穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米級(jí)的高精度移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)從機(jī)械操作到電學(xué)性質(zhì)測試，以及電子束誘導(dǎo)電流（EBIC）表征。FusionScope系統(tǒng)中，最多可實(shí)現(xiàn)四個(gè)Kleindiek納米機(jī)械手的無縫集成，從而實(shí)現(xiàn)AFM，SEM以及EDS無縫組合。

本案例使用一種在硅基底上互相連接的8根電極作為測試電學(xué)性能表征的對(duì)象，實(shí)驗(yàn)裝置包括使用納米機(jī)械手有選擇地偏置單個(gè)電極，同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)電AFM和EFM測量。使用FusionScope的側(cè)向視野將兩個(gè)納米機(jī)械手放置在電極結(jié)構(gòu)上，此外，導(dǎo)電懸臂頂端可以輕松地在探針頂端附近移動(dòng)，并定位在每個(gè)電極結(jié)構(gòu)上，可以同時(shí)對(duì)電極和導(dǎo)電AFM設(shè)置偏置電壓。

使用兩個(gè)納米機(jī)械手放置于金電極樣品表面，在偏置電極結(jié)構(gòu)的頂部進(jìn)行CAFM測量，金電極明顯具有更高的電流信號(hào)，電流經(jīng)過導(dǎo)電性差的Si基底，電流會(huì)逐漸降低到零。

使用兩個(gè)納米機(jī)械手放置于金電極樣品表面，在偏置電極結(jié)構(gòu)的頂部進(jìn)行EFM測量，只有兩個(gè)最內(nèi)側(cè)的電極是偏置的，在EFM測量期間，施加的偏置電壓從+2V切換到-2V，如下圖所示，由于施加偏置電壓的切換，EFM信號(hào)顯示出明顯的相移。

納米機(jī)械手輔助的CAFM&EFM表征

2） EBAC/EBIC表征

EBAC和EBIC做為高階的故障點(diǎn)定位方法，通常需要配合納米機(jī)械手使用。EBIC原理是當(dāng)掃描電鏡電子束作用于半導(dǎo)體器件時(shí)，如果電子束穿透半導(dǎo)體表面，電子束電子與器件材料晶格作用將產(chǎn)生電子與空穴。若該位置有電場作用（如晶體管或集成電路中的P-N結(jié)），電子與空穴在電場作用下將相互分離，空穴將向P型側(cè)移動(dòng)，電子將向N型側(cè)移動(dòng)，靈敏放大器可探測到的電流通過結(jié)區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)高分辨成像摻雜區(qū)域形貌、確定摻雜區(qū)域大小，以及高分辨的進(jìn)行PN結(jié)失效分析，快速定位到失效區(qū)域。

EBIC測量中觀察到的圖像分辨率取決于電子空穴對(duì)的生成范圍、載流子擴(kuò)散長度和缺陷處的載流子復(fù)合率。

IC的EBIC表征

3） EFM表征

鈦酸鋇(BaTiO₃)是一種非線性的正溫度系數(shù)(PTC)材料，可用于電阻器。摻雜鈦酸鋇多晶的電阻具有溫度依賴性，可用于傳感器和致動(dòng)器。多晶BaTiO3陶瓷的宏觀電子特性受單個(gè)晶粒間形成的勢壘控制。為了更好地了解鈦酸鋇的整體電阻，就必須能夠在納米尺度上表征晶體材料的電位差。這種表征可通過EFM實(shí)現(xiàn)。它廣泛應(yīng)用于電子開發(fā)，復(fù)雜的亞微米電子材料的電學(xué)面分布特性分析。

FusionScope使原位EFM分析成為可能：高分辨SEM用于輕松識(shí)別晶界，從而直接在感興趣區(qū)域進(jìn)行EFM分析。