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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，簡稱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。這些先進(jìn)工藝節(jié)點中，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，FinFET結(jié)構(gòu)由于其獨特的三維設(shè)計，帶來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別進(jìn)行有效分析。
在失效分析過程中，主要步驟包括：
失效定位：通過電測試、熱成像等手段確定失效點。
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：通過對物理缺陷的分析，結(jié)合工藝流程和器件特性，推斷失效機(jī)理。
在此過程中，AFM因其高精度的表面成像與納米級別分辨率，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
AFM的工作原理是利用一個尖銳的探針（探針半徑通常在納米級別）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)而通過記錄這些偏移來構(gòu)建樣品的三維形貌圖。
相較于掃描電子顯微鏡（SEM）等傳統(tǒng)技術(shù)，AFM具有以下幾個顯著優(yōu)勢：
超高分辨率：AFM的分辨率可以達(dá)到納米甚至亞納米級，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不會破壞樣品，非常適合后續(xù)需要進(jìn)一步測試的樣品分析。
因此，在先進(jìn)工藝節(jié)點中，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)動電流和漏電性能。如果晶體管表面存在過多的顆?；虿痪鶆蛐蚊?，將可能導(dǎo)致器件失效或性能下降。
AFM通過高精度的三維成像能力，可以精確測量器件表面的形貌和粗糙度，識別那些可能導(dǎo)致失效的微觀缺陷。以FinFET器件為例，AFM能夠檢測到鰭結(jié)構(gòu)表面的不均勻刻蝕、材料沉積不良等問題。
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
在晶圓制造過程中，晶圓表面往往會因刻蝕、氧化、清洗等工藝步驟產(chǎn)生顆粒、裂紋或其他缺陷。AFM可以在納米級別對這些表面缺陷進(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?；蛐纬闪肆鸭y，將可能導(dǎo)致互連失敗甚至短路問題。AFM通過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這些缺陷。
4.3 納米級別的電性能測量
除了表面形貌成像外，AFM還可以通過改進(jìn)的操作模式（如導(dǎo)電AFM，C-AFM）測量器件的電性能。在半導(dǎo)體失效分析中，常常需要檢測某個區(qū)域的漏電、絕緣失效或?qū)щ娦圆町悾@些問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可以通過掃描電流成像檢測出該區(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還可以通過力學(xué)模式（如力曲線模式）測量樣品的機(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)層如果在制造過程中產(chǎn)生了機(jī)械應(yīng)力集中區(qū)，可能會導(dǎo)致開裂或?qū)娱g剝離。
在這種情況下，AFM能夠通過對材料表面機(jī)械性能的精細(xì)檢測，識別出潛在的失效區(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特的優(yōu)勢，但單獨使用AFM往往無法完全解決復(fù)雜的失效問題。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，針對某些深層的材料缺陷（如埋藏在多個金屬層之下的互連短路問題），需要先使用Nano-probe進(jìn)行電性能定位，再利用AFM對表面形貌進(jìn)行分析，最終通過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題得到全面的解析。
6. 案例分析：AFM在失效分析中的實際應(yīng)用
案例一：16nm FinFET器件MG-MD短路問題
在某16nm制程的FinFET產(chǎn)品中，出現(xiàn)了Shmoo異常的問題。通過Nano-probe定位到SRAM區(qū)的一個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題。最終通過進(jìn)一步的FIB/TEM分析證實了MG-MD短路的存在。
在這個案例中，AFM的高分辨率表面成像能力幫助迅速識別出了金屬柵極的刻蝕問題，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）刻蝕不完全的問題。通過AFM檢測，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分析證實了該處存在STI刻蝕空洞，最終通過工藝改進(jìn)解決了此類問題。
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題，提高產(chǎn)品良率和可靠性。對于器件失效分析工程師來說，掌握并靈活運用AFM等設(shè)備，將是應(yīng)對未來工藝挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技能。
老虎說芯的芯片通識課：通俗理解半導(dǎo)體行業(yè)基礎(chǔ)知識（入門或轉(zhuǎn)行必備）
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