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高阶晶片异常点无所遁形 C-AFM一针见内鬼
 

【作者: 許雅婷】2024年03月21日 星期四

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@文/


在人工智慧(AI)、高效能运算(HPC)和行动通讯的快速发展下,为了满足对晶片高效能、低功耗和更小尺寸的需求,制程技术正飞速演进,并逼近物理极限。随着晶片以3D封装技术不断堆叠层数,故障分析的复杂度也与日俱增。


面对高度微缩的晶片,有时必须灵活运用多种故障分析机台,方能找出失效点。


举例而言,当晶片出现故障,以电性故障分析(Electrical Failure Analysis;EFA)发现明显的亮点,但後续利用电子显微镜(Scanning Electron Microscope;SEM)一路观察到底层,却仍看不到异常,这种情况常让研发工程师们陷入窘境。


这正是导电式原子力显微镜(Conductive Atomic Force Microscopy;C-AFM)发挥作用的时候。拥有20年历史的C-AFM量测技术,因为它有描绘出样品表面形貌(Topography)及量测电流的特性,所以不论是在後段金属绕线端制程(Back-end)的通孔(via)层次,或是前段电晶体端制程(Front-end)的接触点层次,都可透过C-AFM於一支导电探针撷取电流,大范围的扫描搜索区域快速找到异常点。本文将带您一同深入了解C-AFM的机台操作原理和数据判读方式,探究其强大而厉害的功能。


速读C-AFM的原理与应用

说到C-AFM,就必须先提起它的前身扫描穿隧显微镜(Scanning Tunneling Microscope;STM),STM是由两位瑞士苏黎世IBM实验室的科学家Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer所发明,他们在探针与样品间的微小空隙,利用量子穿隧效应产生的微小电流去探测物质表面的形貌,此项重大发明荣获1986年的诺贝尔物理学奖。


同年Gerd Binning、Calvin Quate和Christoph Gerber改用探针的原子与样品表面原子之间的凡得瓦力(Van der Waals' force),使悬臂梁产生微细位移,来描绘出样品的表面样貌,为原子力显微镜(Atomic Force Microscope;AFM)。而C-AFM即为其中的一项应用延伸。


C-AFM的妙用和应用时机

大部分的情形下,SEM是找寻亮点位置首要的绝隹利器。我们可利用SEM层层观察试片的金属线和闸极架构是否异常,也可以在通孔/接触点(Via/Contact)层次搭配SEM内建的VC(Voltage Contrast,即电压对比)效果来判断晶片是否开路(Open)或漏电(Leakage)。但SEM缺乏定量的电性量测电流功能,所以即使侦测到异常VC亮起时,也无法精确得知异常点是往P接面(P-junction)还是N接面(N-junction)故障。


从宜特电性故障分析实验室的经验发现,因为NMOS本身架构的关系,闸极(gate)对N接面的漏电往往更难从SEM的VC中发现到异常,如图一(a)SEM图。然而C-AFM利用样品载台从试片晶背施加偏压,由导电探针接收电流,并大范围扫描,即可检测此范围有无异常,并可快速得知异常位置的电性是往P接面、N接面,还是从基极(Bulk)漏电或开路故障,犹如检测新冠病毒的快筛试剂。


若要更精准的PCR核酸检验,则可进一步使用奈米探针电性量测(Nano Prober),对故障点精确定位後再进行材料分析,如双束聚焦离子束(Dual-Beam FIB;DB-FIB)或是穿透式电子显微镜(Transmission Electron Microscopy;TEM)切片分析。这些电性的数据亦可帮助後续材料分析时进行比对和判读,找出异常点的真因。



图一 : 最左边的黑白图为(a)SEM显示图;右边两张图为(b)C-AFM电流图,可从亮黑或亮白点中,判读出样品电性状态。(source:宜特科技)
图一 : 最左边的黑白图为(a)SEM显示图;右边两张图为(b)C-AFM电流图,可从亮黑或亮白点中,判读出样品电性状态。(source:宜特科技)

图二 : C-AFM在故障分析流程中的最隹量测时机(source:宜特科技)
图二 : C-AFM在故障分析流程中的最隹量测时机(source:宜特科技)

快速解读C-AFM的数据

解读C-AFM的数据并不难,只要了解PN二极体(PN Diode)的偏压特性就可以了。当施加正电压在P区,施加负电压於N区时,电流可以由P区流到N区,此电压状态定义为顺向偏压,如图三(a);反之,当施加负电压於P区,施加正电压在N区,则为逆向偏压,此情况下并无电流通过此PN接面,如图三(b)。



图三 : (a)顺向偏压示意图;(b) 逆向偏压示意图(source:宜特科技)
图三 : (a)顺向偏压示意图;(b) 逆向偏压示意图(source:宜特科技)

根据机台操作定义,从试片晶背施加负偏压,探针在扫描中能撷取到电流的位置,在电流图呈现黑色讯号;反之,从试片晶背施加正偏压,则在电流图呈现白色讯号。从电流范例图(图四)看出,当给试片负偏压时,P接面的接触点亮起黑色(图四(a));而当给试片正偏压时,N接面的接触点则亮起白色(图四(b))。宜特电性分析实验室亦从丰富C-AFM实际判读经验中,整理出C-AFM数据判读表(表图五)。



图四 : (a)从试片晶背施加负偏压,P接面接触点亮起(黑色);
图四 : (a)从试片晶背施加负偏压,P接面接触点亮起(黑色);

(b)从试片晶背施加正偏压,N接面接触点亮起(白色)。


(source:宜特科技)



图五 : 藉由设定条件,可快速解读C-AFM数据代表的意义。
图五 : 藉由设定条件,可快速解读C-AFM数据代表的意义。

(source:宜特科技)


C-AFM四大案例分享

从C-AFM异常的电流图搭配IV曲线(电流对电压之曲线)量测,可以找出开路(Open)、短路(Short)、漏电(Leakage) ,甚至是高阻值(High Resistance)的故障模式,此四种模式说明如下:


开路(Open)模式

正常PMOS的P接面是负偏压导通,电流图会亮黑色,IV曲线如图六(b)的绿线叁考位置(Ref)所示;因为目标位置(Target)的Via 2有开路故障(Open Fail)的情形,导致电流无法流经PN接面;C-AFM在Via 3的电流图则无讯号,而IV曲线如图六(b)的橘线Target所示。



图六 : (a)制程开路故障示意图;(b)C-AFM的I-V曲线结果。
图六 : (a)制程开路故障示意图;(b)C-AFM的I-V曲线结果。

(source:宜特科技)


短路(Short)模式

正常PMOS的P接面是负偏压导通,电流图会亮黑色,IV曲线如图七(b)的Ref 2(深绿色虚线)所示;正常NMOS的N接面是正偏压导通,电流图会亮白色,IV曲线如图七(b)的Ref 1(浅绿色虚线)所示。图七(a)的Target 1和Target 2在Metal 2之间有短路故障情形,导致在Via 2的IV量测皆收到P接面和N接面的讯号,IV曲线如图七(b)的橘色和黄色线,并重叠在一起,且Via 2的电流图同时收到亮黑和亮白的讯号。



图七 : (a)制程短路故障示意图;(b)C-AFM的I-V曲线结果。
图七 : (a)制程短路故障示意图;(b)C-AFM的I-V曲线结果。

(source:宜特科技)


漏电(Leakage)模式

正常的闸极(Gate)在C-AFM下不会侦测到讯号,如图八(b)的Ref(绿线) 所示。图八(a)中异常亮点所在的闸极(Target Gate)因对P接面漏电,导致闸极上方的Via 1在C-AFM的电流图可以看到亮黑色,而IV曲线则明显量测到有闸极漏电(Gate Leakage)的状况,如图八(b)橘线目标位置(Target)所示。



图八 : (a)制程闸极漏电故障示意图;(b)C-AFM的I-V曲线结果
图八 : (a)制程闸极漏电故障示意图;(b)C-AFM的I-V曲线结果

(source:宜特科技)


高阻抗(High Resistance)模式

正常NMOS的N接面是正偏压导通,电流图会亮白色,IV曲线如图九(b)的Ref(绿线)所示。图九(a)中异常点所在区(Target)的Via 2不完全连接到Metal 2,在Via 3的C-AFM电流图会看到比Ref还要淡的白色,且其IV曲线(见橘线)呈现高阻值特性(图九(b))。若故障点的阻抗值相较於叁考点的阻抗值,两者若差异不大,在current map上的颜色对比会比较不明显,除了使用C-AFM的IV曲线量测验证,也可以使用Nano Prober进行更精准的电性量测。



图九 : (a)a)制程高阻抗故障示意图;(b)C-AFM的I-V曲线结果。(source:宜特科技)
图九 : (a)a)制程高阻抗故障示意图;(b)C-AFM的I-V曲线结果。(source:宜特科技)

经由C-AFM的强大功能,可以解决SEM在VC观测下的盲点(见图一),也可以做大范围定量的电性监定,快速地找到故障位置,加快後续Nano Prober的量测速度,这一强大利器可在故障分析中提供无往不利,屡战屡胜。


(本文作者许雅婷为iST宜特科技故障分析工程处技术??理)


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