C-AFM 異常故障分析電性異常四大模式快速判讀

發佈日期：2024/1/16 C-AFM 異常
發佈單位：iST宜特

從電性量測中發現晶片故障亮點，逐層觀察到底層仍抓不到異常？礙於SEM沒有定量電性量測電流的功能，即使在SEM影像中偵測到異常電壓對比(VC)時，也無法得知異常點是發生在P接面還是N接面？電性異常四大模式（開路、短路、漏電和高阻值）快速判讀大解析
C-AFM 異常

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在AI（人工智慧）、HPC（高效能運算）和行動通訊的快速發展下，為了滿足對晶片高效能、低功耗和更小尺寸的需求，製程技術正飛速演進，並逼近物理極限。隨著晶片以3D封裝技術不斷堆疊層數，故障分析的複雜度也與日俱增。

面對高度微縮的晶片，有時必須靈活運用多種故障分析機台，方能找出失效點。舉例而言，當晶片出現故障，以電性故障分析(Electrical Failure Analysis, 簡稱EFA)發現明顯的亮點，但後續利用電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, 簡稱SEM）一路觀察到底層，卻仍看不到異常，這種情況常讓研發工程師們陷入窘境。

這正是導電式原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscopy, 簡稱C-AFM)發揮作用的時候。擁有20年歷史的C-AFM量測技術，因為它有描繪出樣品表面形貌(Topography)及量測電流的特性，所以不論是在後段金屬繞線端製程（Back-end）的通孔(via)層次，或是前段電晶體端製程（Front-end）的接觸點(Contact)層次，都可透過C-AFM於一支導電探針擷取電流，大範圍的掃描搜索區域快速找到異常點。本期宜特小學堂將帶您一同深入了解C-AFM的機台操作原理和數據判讀方式，探究其強大而厲害的功能。

C-AFM 異常

一、速讀C-AFM的原理與應用　

說到C-AFM就必須先提起它的前身-掃描穿隧顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, 簡稱STM)，STM是由兩位瑞士蘇黎世IBM實驗室的科學家Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer所發明，他們在探針與樣品間的微小空隙，利用量子穿隧效應產生的微小電流去探測物質表面的形貌，此項重大發明也因此榮獲1986年的諾貝爾物理學獎。同年Gerd Binning、Calvin Quate和Christoph Gerber改用探針的原子與樣品表面原子之間的凡得瓦力(Van der Waals’ force)，使懸臂樑產生微細位移，來描繪出樣品的表面樣貌，為原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，簡稱AFM）。而C-AFM即為其中的一項應用延伸。

速讀導電式原子力顯微鏡 (C-AFM)
C-AFM與AFM原理類似，皆是利用探針針尖與樣品表面原子之間的作用力，呈現樣品表面形貌。但不同之處在於，C-AFM在掃描樣品時，能同步施加偏壓(Bias)，再由探針擷取電流得到電流圖(Current map)，經過判讀即可發現樣品異常點。
二、C-AFM的妙用和應用時機

大部分的情形下，SEM是找尋亮點位置首要的絕佳利器。我們可利用SEM層層觀察試片的金屬線(Metal Line)和閘極(Gate)架構是否異常，也可以在通孔/接觸點(Via/Contact)層次搭配SEM內建的VC (Voltage Contrast，即電壓對比)效果來判斷晶片是否開路(Open)或漏電(Leakage)。但SEM缺乏定量的電性量測電流功能，所以即使偵測到異常VC亮起時，也無法精確得知異常點是往P接面 (P-junction)還是N接面(N-junction)故障。

從宜特電性故障分析實驗室的經驗發現，因為NMOS本身架構的關係，閘極(gate)對Ｎ接面的漏電往往更難從SEM的VC中發現到異常，如圖一(a)SEM圖。然而C-AFM利用樣品載台從試片晶背施加偏壓，由導電探針接收電流，並大範圍掃描，即可檢測此範圍有無異常，並可快速得知異常位置的電性是往Ｐ接面、Ｎ接面，還是從Bulk(基極)漏電或開路故障，猶如檢測新冠病毒的快篩試劑。若要更精準的PCR核酸檢驗，則可進一步使用奈米探針電性量測( Nano Prober) (延伸閱讀: 名針探精準定位讓奈米電性量測找出缺陷)，對故障點精確定位後再進行材料分析，如雙束聚焦離子束(Dual-Beam FIB，簡稱DB-FIB)或是穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy，簡稱TEM)切片分析。這些電性的數據亦可幫助後續材料分析時進行比對和判讀，找出異常點的真因。

圖一：最左邊的黑白圖為(a)SEM顯示圖；右邊兩張圖為(b)C-AFM電流圖，可從亮黑或亮白點中，判讀出樣品電性狀態。
(圖片來源：宜特科技)

圖二：C-AFM在故障分析流程中的最佳量測時機。
(圖片來源：宜特科技)
三、帶你快速解讀C-AFM的數據

解讀C-AFM的數據並不難，只要瞭解PN二極體(PN Diode)的偏壓特性就可以了。當施加正電壓在P區，施加負電壓於N區時，電流可以由P區流到N區，此電壓狀態定義為順向偏壓(Forward Bias)，如圖三(a)；反之，當施加負電壓於P區，施加正電壓在N區，則為逆向偏壓(Reverse Bias)，此情況下並無電流通過此PN接面，如圖三(b)。

圖三：(a)順向偏壓示意圖；(b) 逆向偏壓示意圖。
(圖片來源：宜特科技)

根據機台操作定義，從試片晶背施加負偏壓，探針在掃描中能擷取到電流的位置，在電流圖呈現黑色訊號，反之從試片晶背施加正偏壓，則在電流圖呈現白色訊號。從電流範例圖(圖四)看出，當給試片負偏壓時，P接面的接觸點(Contact)亮起黑色(圖四(a))；而當給試片正偏壓時，N接面的接觸點(Contact)則亮起白色(圖四(b))。宜特電性分析實驗室亦從豐富C-AFM實際判讀經驗中，為您整理出C-AFM數據判讀表(表一)。

圖四: (a) 從試片晶背施加負偏壓，P接面Contact亮起(黑色)；
(b) 從試片晶背施加正偏壓，N接面Contact亮起(白色)。
(圖片來源:宜特科技)

表一：藉由此表可快速解讀C-AFM數據代表的意義。
(圖片來源:宜特科技)
四、C-AFM的四大案例分享

從C-AFM異常的電流圖搭配IV曲線(電流對電壓之曲線)量測，可以找出開路(Open)、短路(Short)、漏電(Leakage) 甚至是高阻值(High Resistance)的故障模式，四種模式說明如下：

(一) 開路(Open)模式：

正常PMOS的P接面是負偏壓導通，電流圖會亮黑色，IV曲線如圖五(b)的綠線參考位置(Ref)所示；因為目標位置(Target)的Via 2有開路故障(Open Fail)的情形，導致電流無法流經PN接面；C-AFM在Via 3的電流圖則無訊號，而IV曲線如圖五(b)的橘線Target所示。

圖五: (a)製程開路故障示意圖；(b) C-AFM的I-V曲線結果。
(圖片來源：宜特科技)

(二) 短路(Short)模式:

正常PMOS的P接面是負偏壓導通，電流圖會亮黑色，IV曲線如圖六(b)的Ref 2 (深綠色虛線)所示；正常NMOS的N接面是正偏壓導通，電流圖會亮白色，IV曲線如圖六(b)的Ref 1(淺綠色虛線)所示。圖六(a)的Target 1和Target 2在Metal 2之間有短路故障(Short Fail)情形，導致在Via 2的IV量測皆收到P接面和N接面的訊號，IV曲線如圖六(b)的橘色和黃色線，並重疊在一起，且Via 2的電流圖同時收到亮黑和亮白的訊號。

圖六: (a) 製程短路故障示意圖；(b) C-AFM的I-V曲線結果。
(圖片來源:宜特科技)

(三) 漏電(Leakage)模式:

正常的閘極(Gate)在C-AFM下是不會偵測到訊號的，如圖七(b)的Ref(綠線) 所示。圖七(a)中異常亮點所在的閘極(Target Gate)因對P接面漏電，導致閘極上方的Via 1在C-AFM的電流圖可以看到亮黑色，而IV曲線則明顯量測到有閘極漏電(Gate Leakage)的狀況，如圖七(b)橘線Target(目標位置)所示。

圖七: (a) 製程閘極漏電故障示意圖；(b) C-AFM的I-V曲線結果。
(圖片來源:宜特科技)

(四) 高阻抗(High Resistance)模式：

正常NMOS的Ｎ接面是正偏壓導通，電流圖會亮白色，IV曲線如圖八(b)的Ref(綠線)所示。圖八(a)中異常點所在區(Target)的Via 2不完全連接到Metal 2，在Via 3的C-AFM電流圖會看到比Ref還要淡的白色，且其IV曲線(見橘線)呈現高阻值特性(圖八(b))。若故障點的阻抗值相較於參考點的阻抗值，兩者若差異不大，在current map上的顏色對比會比較不明顯，除了使用C-AFM的IV曲線量測驗證，也可以使用Nano Prober做更精準的電性量測。

圖八: (a)製程高阻抗故障示意圖；(b) C-AFM的I-V曲線結果。
(圖片來源:宜特科技)