为什么器件失效分析需要AFM机台？

时间： 2024-11-12 来源：SLKOR官网

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1. 概述

失效分析是确保集成电路和微电子器件可靠性、优化制造工艺的重要环节。随着技术的进步，特别是进入5nm、7nm等先进工艺节点后，器件失效模式变得更为复杂，要求我们使用各种高精度的分析工具进行失效定位和机理分析。原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）就是其中一种重要的分析工具。

2. 半导体工艺及失效分析

半导体制造技术随着摩尔定律的发展，已经从14nm、7nm工艺进化到5nm及更先进的节点。这些先进工艺节点中，器件的微缩程度极大，导致失效模式更加复杂和多样化。比如，FinFET结构由于其独特的三维设计，带来了更多失效模式的可能性，且其中许多失效仅能在微观或纳米级别进行有效分析。

在失效分析过程中，主要步骤包括：

失效定位：通过电测试、热成像等手段确定失效点。

物理失效分析（PFA）：利用各种显微技术（如AFM、SEM、TEM等）进一步分析失效的物理原因。

失效机理推断：通过对物理缺陷的分析，结合工艺流程和器件特性，推断失效机理。

在此过程中，AFM因其高精度的表面成像与纳米级别分辨率，成为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优势

AFM的工作原理是利用一个尖锐的探针（探针半径通常在纳米级别）接触或接近样品表面，探针与样品表面的相互作用力（如范德华力、静电力等）使探针发生偏移，进而通过记录这些偏移来构建样品的三维形貌图。AFM的原理如下：

相较于扫描电子显微镜（SEM）等传统技术，AFM具有以下几个显著优势：

超高分辨率：AFM的分辨率可以达到纳米甚至亚纳米级，适用于分析极微小的结构失效。

表面形貌成像：AFM不仅能提供二维的表面形貌图，还可以通过分析探针与样品的力学相互作用，获取更多关于表面机械性能、电性能的细节。

非破坏性分析：在正确操作下，AFM不会破坏样品，非常适合后续需要进一步测试的样品分析。

因此，在先进工艺节点中，AFM特别适合分析器件的表面缺陷，如表面颗粒、形貌不均、纳米级的裂纹、金属层间的缺陷等。AFM看到的部分现象：

4. AFM在失效分析中的具体应用

在器件失效分析中，AFM的应用主要集中在以下几个方面：

4.1 表面形貌与粗糙度分析

在半导体工艺中，表面粗糙度往往会影响器件的电性能。特别是在14nm、7nm及更先进的FinFET器件中，鳍结构的表面粗糙度直接影响晶体管的驱动电流和漏电性能。如果晶体管表面存在过多的颗粒或不均匀形貌，将可能导致器件失效或性能下降。

AFM通过高精度的三维成像能力，可以精确测量器件表面的形貌和粗糙度，识别那些可能导致失效的微观缺陷。以FinFET器件为例，AFM能够检测到鳍结构表面的不均匀刻蚀、材料沉积不良等问题。

AFM应用中，力和距离之间的关系如下：

4.2 晶圆缺陷分析

在晶圆制造过程中，晶圆表面往往会因刻蚀、氧化、清洗等工艺步骤产生颗粒、裂纹或其他缺陷。AFM可以在纳米级别对这些表面缺陷进行精确定位和成像。AFM的操作示意图如下：

例如，在某些高性能产品中，如果金属互连层中残留了微小颗粒或形成了裂纹，将可能导致互连失败甚至短路问题。AFM通过其非破坏性表面成像能力，可以在不破坏样品的前提下检测这些缺陷。

4.3 纳米级别的电性能测量

除了表面形貌成像外，AFM还可以通过改进的操作模式（如导电AFM，C-AFM）测量器件的电性能。在半导体失效分析中，常常需要检测某个区域的漏电、绝缘失效或导电性差异，这些问题往往与器件表面的微观结构或材料不均匀性相关。

例如，在FinFET器件中，如果某个区域的栅极漏电较大，则可能是由于栅极材料刻蚀不充分或存在颗粒导致的。AFM可以通过扫描电流成像检测出该区域的电性能异常，并结合表面形貌分析，帮助定位失效原因。

4.4 局部机械性能分析

AFM还可以通过力学模式（如力曲线模式）测量样品的机械性能，如硬度、粘附性、弹性模量等。在半导体工艺中，材料的机械性能失效也可能导致器件功能受损。例如，某些电介质层如果在制造过程中产生了机械应力集中区，可能会导致开裂或层间剥离。

在这种情况下，AFM能够通过对材料表面机械性能的精细检测，识别出潜在的失效区域，为失效机理推断提供依据。

5. 与其他设备的联合应用

尽管AFM在失效分析中具有独特的优势，但单独使用AFM往往无法完全解决复杂的失效问题。因此，AFM常常与其他分析设备（如Nano-probe、TEM、SEM等）配合使用，形成综合的分析手段。

例如，针对某些深层的材料缺陷（如埋藏在多个金属层之下的互连短路问题），需要先使用Nano-probe进行电性能定位，再利用AFM对表面形貌进行分析，最终通过FIB截取样品进行TEM详细观察。这种多设备协同的分析方法可以确保失效问题得到全面的解析。

6. 案例分析：AFM在失效分析中的实际应用

案例一：16nm FinFET器件MG-MD短路问题

在某16nm制程的FinFET产品中，出现了Shmoo异常的问题。通过Nano-probe定位到SRAM区的一个bit cell，并进行AFM表面形貌分析后，发现该区域金属栅极的刻蚀存在残留，导致了栅极和源极之间的短路问题。最终通过进一步的FIB/TEM分析证实了MG-MD短路的存在。

在这个案例中，AFM的高分辨率表面成像能力帮助迅速识别出了金属栅极的刻蚀问题，并为后续的物理失效分析提供了重要的表面信息。

案例二：14nm制程产品的STI刻蚀缺陷

在某14nm芯片产品中，AFM被用于分析STI（Shallow Trench Isolation）刻蚀不完全的问题。通过AFM检测，发现该区域的表面形貌存在局部凹陷，进一步的TEM分析证实了该处存在STI刻蚀空洞，最终通过工艺改进解决了此类问题。

7. 结论

结合Nano-probe、FIB、TEM等其他分析工具，AFM能够提供更加全面、深入的失效分析结果，帮助解决制造工艺中的问题，提高产品良率和可靠性。对于器件失效分析工程师来说，掌握并灵活运用AFM等设备，将是应对未来工艺挑战的关键技能。

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SLKOR（萨科微）功率器件/二极管/三极管/电源管理芯片/霍尔传感器/光耦选型指南

描述- 深圳市萨科微半导体有限公司，技术骨干来自清华大学和韩国延世大学，以新材料新工艺新产品引领公司发展，掌握国际领先的第三代半导体碳化硅功率器件技术。萨科微产品包括二极管三极管、功率器件、电源管理芯片等集成电路三大系列。萨科微从一家IP设计公司已发展成为集设计研发、生产制造、销售服务一体化的国家级高新科技企业,“SLKOR”品牌在半导体行业声誉日隆。萨科微官网在展示萨科微产品、宣传“SLKOR”品牌的同时，也开展行业的技术交流、思想碰撞、信息交互、资料查询等，逐渐成为半导体行业内协同发展最重要的平台之一。

型号- BZT52C43S,SS110,MCR00-8,SMCJ440CA,SL11N65CF,MC34063S,ZMM200,PC817,SL2310,SL3400,SL1629SH,SL252030MXXX,RS1A,RS1M,GBU4005,DB107S,1N4148WS,SMF5.0CA,DSK32,SL40T120FL,SL1625SH,MMBT4401,LM317,SL36N120A,SL75T65FL,SL50328MXXX,MMSZ5259B,SL22N120A,SL2301,BT151,GBP210,SL2302,BT169D,SL49SM8M20P-20,1SMB5921B,SL1613SH,S2MF,SL49SM12M20P-20,2N7002,SL201624MXXX,BTA26-800,SL322540MXXX,S3AB,SL4949,GBU610,BFG520,SL252016MXXX,BZT52B2V4,BZT52B43,SL1605SH,ZM4727,1SMA4777A,SL1609SH,BTA41-800,GBU6005,SL21N65CF,SL25T120FL,BTA24-800,SD05C,SL4275,ULN2003,SL1613TH,ES2A,SS525,6N137,6N136,SL15N65CF,WE05DF-BS,ULN2803,BT138-800,SL78LXX,2SC3357,LM2575,6N135,ZMM2V0,LM2576,BZT52C2V4S,US1A,SMF5.0A,SMAJ170A,SL10N120A,S5MB,RS2A,RS2M,MMBT5551,US1M,SL80N120A,S8550,S2AF,SMBJ5.0C,M1,SS22,BSS123,M7,SS310,ABS210,MMBT3904,MMBT3906,SMF58CA,BT137-800,MM1Z39B,ABS201,SMCJ440A,SMAJ5.0CA,BTA12-600,BAV99,SS32,SMBJ5.0,SL1623SH,SMBJ170CA,SL201612MXXX,BSS138,SL322512MXXX,1SMB5956B,FR101,ES2J,SS12,SL3N170AP,1SS181,FR107,SMF58A,78MXX,SL50T65FL,SM15C,SL1619SH,LL4148,MM1Z2V2B,SMAJ5.0A,MMBTA05,SL14N120A,BC817,SS8050,DB201S,SL1615SH,S1A,LM321,S5AB,SMCJ5.0CA,DSK310,GBU410,SS210,BCP51,SL40T65FL,BCP53,S8050,S1M,B772,SMBJ170A,SL28N65A,MMBT2222A,SLM601,BTA16-800,AMS1117-XX,ZM4761,TL431,SS52,NUP2105LT1G,DB101S,SL322524MXXX,SL1603SH,IRF640,SD12C,S9013,GBP2005,SL3407,BZT52C39,SL7N65CD,SMCJ5.0A,BZT52C2V4,SL50N120A,S3MB,MMSZ5221B,SS8550,SL3415,SMAJ170CA,GBLC05CI,BAV21W,LM358S,DB207S,SL80N65CT,1SMA4728A

选型指南 - SLKOR - 2022/10/9 PDF 中文下载

SLKOR三极管选型表

SLKOR提供如下参数的三极管选型,Iᴄ(A):-3~5;Vᴄʙᴏ(V):-500~700,Vᴄᴇᴏ(V):-400~450及多种不同的封装尺寸,如:SOT-23,SOT-363和SOT-89不等

产品型号	品类	Polarity	Iᴄ(A)	Vᴄʙᴏ(V)	Vᴄᴇᴏ(V)	Vᴇʙᴏ(V)	Vᴄᴇ(sat)(V)	Package
S8050	三极管	NPN	0.5	40	25	5	0.6	SOT-23/TO-92

选型表 - SLKOR 立即选型

集成电路的检测开路测量电阻法

集成电路型号很多，内部电路千变万化，故检测集成电路的好坏较为复杂。本文TOPPOWER介绍一些常用的集成电路的好坏检测方法。

设计经验发布时间 : 2024-10-31

集成电路的常见故障有哪些？

集成电路的常见故障包括以下9种，以上是捷多邦整理的集成电路常见的故障类型，对于确保集成电路的正常运行和可靠性，需要采取适当的设计、测试和制造措施。在遇到故障时，可以通过检查供电、温度、封装、布线以及进行故障诊断和替换等方法来解决问题。

设计经验发布时间 : 2023-12-01

【应用】SLKOR与国产MCU合作推出直流变频热水循环泵方案，多种运行模式支持500ms快速启动

采用SLKOR的MCU GD32E230C8T6设计的直流变频热水循环泵控制器系列方案，采用GD32E230C8T6芯片作为主控。提供110V和220V两种电源模式，采用正弦波矢量控制算法，具有启动快速平稳，少斩波高载频、噪音低、温升低、功率控制稳定的特点。

应用方案发布时间 : 2021-10-20

Slkor萨科微18V稳定电压值的稳压二极管MM3Z18，广泛应用于信号限幅电路等领域

萨科微稳压二极管MM3Z18的总功耗最大值为300mW。表明该二极管在正常工作条件下可以承受较大的功率负荷，适用于需要处理较大电流的电路。该器件采用了适用于表面安装设计的小型塑料封装。表面安装技术（SMT）是现代电子制造中广泛使用的一种技术，具有组装密度高、可靠性高、抗振能力强等优点。小型塑料封装则意味着二极管占用空间小，便于在集成度高、空间有限的电路板上安装使用。

产品发布时间 : 2024-06-25

What are the SLKOR LDOs?

SLKOR‘s LDO series stands out due to its excellent performance, diverse product line, and broad application scenarios, making it a preferred power management solution for designers and engineers. In the future, as electronic devices increasingly demand advanced power management, SLKOR will continue to focus on technological innovation to drive the further development of LDO products.

产品发布时间 : 2024-10-18

集成电路封装类型及其特点概述

六种常见的集成电路封装类型，包括金属封装（CAN）、单列直插式封装（SIP）、双列直插式封装（DIP）、扁平封装（PFP、QPF）、插针网格阵列封装（PGA）和球栅阵列封装（BGA），详细描述了它们的结构特点、引脚数量、安装方式以及适用的集成电路规模和应用场景，为初学者提供了一份集成电路封装的快速参考指南。

设计经验发布时间 : 2024-05-21

How is the Performance of SLKOR Silicon Carbide MOSFET?

The silicon carbide MOS tube of Slkor has multiple performance advantages in electrical performance, switching characteristics, thermal performance, and reliability.

产品发布时间 : 2024-10-18