C-AFM 异常分析工具高阶芯片异常无所遁形 C-AFM一针见内鬼

发布日期：2024/1/16 C-AFM 异常
发布单位：iST宜特

从电性量测中发现芯片失效亮点，逐层观察到底层仍抓不到异常？碍于SEM没有定量电性量测电流的功能，即使在SEM影像中侦测到异常电压对比(VC)时，也无法得知异常点是发生在P接面还是N接面？电性异常四大模式（开路、短路、漏电和高阻值）快速判读大解析
C-AFM 异常

在AI（人工智能）、HPC（高效能运算）和行动通讯的快速发展下，为了满足对芯片高效能、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。随着芯片以3D封装技术不断堆栈层数，失效分析的复杂度也与日俱增。

面对高度微缩的芯片，有时必须灵活运用多种失效分析机台，方能找出失效点。
举例而言，当芯片出现失效，以电性失效分析(Electrical Failure Analysis, 简称EFA)现明显的亮点，但后续利用扫描式电子显微镜 (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, 简称C-AFM)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，所以不论是在后段金属绕线端制程（Back-end）的通孔(via)层次，或是前段晶体管端制程（Front-end）的接触点(Contact)层次，都可透过C-AFM于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。本期宜特小学堂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。

C-AFM 异常

一、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, 简称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，此项重大发明也因此荣获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 (AFM)。而C-AFM即为其中的一项应用延伸。

速读导电式原子力显微镜 (C-AFM)
C-AFM与AFM原理类似，皆是利用探针针尖与样品表面原子之间的作用力，呈现样品表面形貌。但不同之处在于，C-AFM在扫描样品时，能同步施加偏压(Bias)，再由探针撷取电流得到电流图(Current map)，经过判读即可发现样品异常点。
二、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佳利器。我们可利用SEM层层观察试片的金属线(Metal Line)和闸极(Gate)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)效果来判断芯片是否开路(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)失效。

从宜特电性失效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Bulk(基极)漏电或开路失效，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) (延伸阅读: 名针探精准定位让纳米电性量测找出缺陷)，对失效点精确定位后再进行材料分析，如双束聚焦离子束(Dual Beam FIB)或是穿透式电子显微镜(TEM)切片分析。这些电性的数据亦可帮助后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。
(图片来源：宜特科技)

图二：C-AFM在失效分析流程中的最佳量测时机。
(图片来源：宜特科技)
三、带你快速解读C-AFM的数据

解读C-AFM的数据并不难，只要了解PN二极管(PN Diode)的偏压特性就可以了。当施加正电压在P区，施加负电压于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(Forward Bias)，如图三(a)；反之，当施加负电压于P区，施加正电压在N区，则为逆向偏压(Reverse Bias)，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。
(图片来源：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(Contact)亮起黑色(图四(a))；而当给试片正偏压时，N接面的接触点(Contact)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，为您整理出C-AFM数据判读表(表一)。

图四: (a) 从试片晶背施加负偏压，P接面Contact亮起(黑色)；
(b) 从试片晶背施加正偏压，N接面Contact亮起(白色)。
(图片来源:宜特科技)

表一：藉由此表可快速解读C-AFM数据代表的意义。
(图片来源:宜特科技)
四、C-AFM的四大案例分享

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)的失效模式，四种模式说明如下：

(一) 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曲线如图五(b)的绿线参考位置(Ref)所示；因为目标位置(Target)的Via 2有开路失效(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曲线如图五(b)的橘线Target所示。

图五: (a)制程开路失效示意图；(b) C-AFM的I-V曲线结果。
(图片来源：宜特科技)

(二) 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曲线如图六(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曲线如图六(b)的Ref 1(浅绿色虚线)所示。图六(a)的Target 1和Target 2在Metal 2之间有短路失效(Short Fail)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曲线如图六(b)的橘色和黄色线，并重迭在一起，且Via 2的电流图同时收到亮黑和亮白的讯号。

图六: (a) 制程短路失效示意图；(b) C-AFM的I-V曲线结果。
(图片来源:宜特科技)

(三) 漏电(Leakage)模式:

正常的闸极(Gate)在C-AFM下是不会侦测到讯号的，如图七(b)的Ref(绿线) 所示。图七(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，如图七(b)橘线Target(目标位置)所示。

图七: (a) 制程闸极漏电故障示意图；(b) C-AFM的I-V曲线结果。
(图片来源:宜特科技)

(四) 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曲线如图八(b)的Ref(绿线)所示。图八(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(图八(b))。若失效点的阻抗值相较于参考点的阻抗值，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做更精准的电性量测。

图八: (a)制程高阻抗失效示意图；(b) C-AFM的I-V曲线结果。
(图片来源:宜特科技)