失效分析（Failure Analysis）是探究元器件失效根源的重要手段，旨在為元器件設計、工藝、制造等流程提供改進方向，從而提升產品良率和可靠性。在失效分析中，經常遇到異形器件，其不規則的形狀與多元組件構成的特征尤為明顯，直接影響著產品的性能。值得注意的是，特征尺寸在微米/亞微米級別的異形器件的表征往往存在著諸多挑戰。
一方面，受限于傳統分析設備的空間分辨能力，元器件微小特征的微區分析會遇到難以準確定位和準確分析的障礙，直接影響了測試結果的準確性。對此，PHI創新性推出了掃描微聚焦型XPS技術，該技術憑借小束斑X射線的掃描能力，不只實現了小束斑X-ray對微區準確分析，還通過微聚焦的X射線掃描樣品表面激發二次電子成像（Scanning X-Ray induced secondary electron imaging，SXI），直觀呈現類似SEM的樣品表面形貌特征，實現準確導航和定位。此外， PHI XPS—GENESIS作為全新一代的產品，還可選配掃描俄歇（SAM）配件，集成了高空間分辨的SEM成像以及AES元素成像能力，實現了原位XPS+AES的一體化分析，解決了微區表征中導航難、定位難、準直分析難的痛點。
另一方面，異形器件結構特殊、形狀復雜，如凹槽型、L型半導體場效應晶體管，在橫向和縱向上均存在明顯差異。因此，全方面的、有效的分析策略，不只需要解決器件的形貌和組分在二維分布上的難題，還要解決異形件組分在深度分布的難題。原位XPS+AES技術可以有效解決二維分布難題，而微區深度分析則存在一定難度。XPS深度分析，需結合離子濺射技術，將樣品層層剝離，通過“采譜-刻蝕-采譜"的方式獲取組分的深度分布。然而，離子束的刻蝕面積通常較大，一般的XPS設備單次深度分析只能獲取一個位點的深度曲線局限，意味著只能對單一特征區域進行表征，難以滿足同時對于擁有多個、毗鄰的微區特征樣品的深度分析需求。對此，PHI掃描微聚焦型XPS可以在一次刻蝕過程中同時采集FOV內多個微區的XPS譜圖，從而同時生成多條深度曲線。
接下來，讓我們一起見證PHI GENESIS，如何通過原位XPS+AES分析策略，實現對異形半導體器件的失效分析：
樣品信息
樣品：SiO2/Si基底上的缺陷Au電極（完好區域：OK；缺陷區域：NG）
特征：異形件，俯視：存在多個毗鄰的特征區域；剖面：各組件以嵌入式結合，且高低不平
尺寸：特征區域（①和②）的大的尺寸均在50微米以內，如圖1所示
圖1. SiO2/Si基板上的缺陷Au電極光學照片。
失效分析需求
目的：分析器件失效的原因
要求：1. 識別NG區域缺陷/污染物的組分；
2. OK和NG區域形貌和組分的二維分布；
3. 表征該器件的層結構。
面臨的挑戰
挑戰一：NG區域并非只限于表面，實為嵌入式不規則塊體，需進行表面+深度分析。
挑戰二：在橫向，NG存在兩個毗鄰的、尺寸均在數十微米的特征區域，表面微區分析時難以準確定位。
挑戰三：在縱向，該異形件不同區域深度上組分差異明顯，層結構表征中不能只靠傳統的XPS深剖，還需實現深度方向上的微區分析。
分析方案
a. SXI導航和定位：采集樣品表面的SXI影像，通過SXI準確定位OK和NG區域，并建立測試點；
b. 微區XPS：利用小束斑（10 um）采集OK和NG測試區的XPS全譜和精細譜，獲取污染物的組分和化學態，以分析污染物的來源；
c. XPS Mapping：通過SXI定義面分析區域，采集表面的元素XPS Mapping，以獲取污染物在表面的二維分布；
d. AES Mapping：借助高空間分辨的SAM配件，原位采集樣品表面的SEM圖像，以及元素的AES Mapping；
e. 多點同時深度分析：通過SXI定義多個測試點，再利用氬設備進行刻蝕，同時獲取多個測試點各自的深度曲線。
表面分析結果
如圖2所示，SXI展示了樣品表面的微觀形貌，準確定位到尺寸約為50 um的NG區域。進一步地，利用微區XPS采集全譜和精細譜，表明缺陷區域外源物主要為BN。值得注意的是，盡管NG區域緊鄰SiO2/Si基底，但是全譜中并未檢測到Si元素，表明XPS的信號聚焦于NG區域，做到了對微區的準確定位和分析。此外， XPS Mapping直觀地展示了表面B、Au和Si元素的二維分布，成功地獲取了污染物的表面具體分布情況。
圖2. XPS微區分析：缺陷區域的SXI準確定位，準確組分分析和元素XPS mapping。
利用XPS儀器的SAM掃描俄歇配件，進一步對該樣品進行原位AES表征，其結果如圖3所示。SEM展現出比SXI更高的空間分辨能力，使得樣品表面的微觀形貌更加清晰明了。在AES mapping視角下，B、Au和Si的分布情況與先前XPS Mapping一致，缺陷內在BN含量較少的區域，存在富C區，二者的分布呈現互補。測試結果充分體現了二者對于微小特征組分的表征能力。
圖3. SAM（掃描俄歇）分析：缺陷區域的SEM圖像和元素AES mapping
深度分析結果
通過SXI分別在缺陷（NG）、Au電極（OK）以及Si基底上定義了3個測試點，結合Ar+進行XPS深度分析。結果如圖4所示，PHI掃描型XPS可在微區內快速往復掃描，同時采集這3個測試點的XPS譜圖，從而同時生成3個深剖曲線，直接展示了該異形件在深度方向上的組分分布情況。由此，成功繪制出該異形樣品的層結構模型。
圖4. XPS多點同時深度分析：多方位獲取異形器件的多層結構模型。
PHI XPS以其微區XPS分析能力為基礎，再結合SAM功能配件，鑄就了一款功能強大與完備于一體的表面分析工具。這一組合尤其是在應對微小特征和結構復雜異形器件的失效分析上，可實現對微區特征的準確定位和可靠的分析，展現出優勢和不可替代性。
-轉載于《PHI表面分析 UPN》公眾號
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