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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）

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）；

（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。

（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。

（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。

（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

（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）

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）