01前言

近幾年來，隨著國內(nèi)科技產(chǎn)業(yè)的不斷升級，對微電子器件的需求日益增加。特別是高科技產(chǎn)品的快速發(fā)展，比如智能手機、電腦、無人機、新能源汽車、智能機器人等，對高性能微電子器件的需求更是呈指數(shù)級增長，這使得微電子器件自然而然就成為人們研究的熱點材料。在微電子器件的研究中，通常需要對微電子器件表面進行各種加工、改性處理，來使其具有不同的性能。由于X射線光電子能譜儀（XPS）是一種表面分析技術，隨著商業(yè)化XPS設備的普及，其在微電子器件研究中的應用越來越廣泛，逐漸成為微電子器件研究中不可或缺的分析手段。

本文將通過賽默飛最 新一代XPS表面分析平臺Nexsa G2，對半導體器件表面形成的窄條形SnOx成分進行小束斑+特色SnapMap快照成像測試，展示如何通過設備小束斑+成像功能，快速全面分析這類特殊小尺寸半導體器件表面成分及其在面內(nèi)分布情況，來輔助評估表面處理效果及器件質量。

02樣品情況、測試方案及測試設備

樣品如下圖1所示，為表面噴金形成的金箔，對金箔進行處理，中間形成了窄條形的SnOx成分，尺寸約22um（寬）╳193um（長），需要確定SnOx具體成分及其是否在金箔中有擴散，來輔助評估器件質量及表面處理效果。

圖1 SnOx成分半導體器件示意圖

由于形成SnOx成分區(qū)域的尺寸較小，測試時采用小束斑XPS測試+SnapMap快照成像解決方案：

小束斑XPS測試：采用10um束斑，直接聚焦到窄條形區(qū)域，可快速得到樣品表面元素及其化學態(tài)信息，輔助確定SnOx具體成分。

SnapMap快照成像測試：Nexsa G2成像速度快，可快速得到樣品表面元素及其化學態(tài)在面內(nèi)分布信息，輔助評估SnOx成分分布及其擴散情況。

樣品采用賽默飛Nexsa 系列最 新表面分析平臺Nexsa G2進行測試。Nexsa G2是一款自動化程度高、小束斑性能優(yōu)異；同時，也可實現(xiàn)多技術聯(lián)用的高性能、高效率表面分析平臺。設備特色的SnapMap快照成像功能，成像測試速度快，可實現(xiàn)高效成像分析。設備如下圖2所示。

圖2 賽默飛Nexsa G2 XPS產(chǎn)品

03

SnOx成分半導體器件小束斑XPS+SnapMap快照成像測試結果分析

3.1

SnOx成分半器件小束斑XPS測試結果分析

由于形成SnOx成分區(qū)域的尺寸較小，為快速分析此區(qū)域表面元素及化學態(tài)信息，采用小束斑（10μm），直接聚焦到樣品窄條形區(qū)域進行測試，SnOx成分區(qū)域表面XPS測試數(shù)據(jù)如下圖3所示：

圖3 SnOx成分區(qū)域表面小束斑XPS測試譜圖及定量結果

由上圖SnOx成分區(qū)域常規(guī)XPS數(shù)據(jù)，可得到如下信息：

由O1s譜圖，可看到此區(qū)域表面氧元素表現(xiàn)出不同化學態(tài)，主要為C-O/C=O污染成分和Sn-O成分。比較氧元素中Sn-O成分和氧化態(tài)錫元素相對含量，可看到：

原子百分比（At%）：

Sn(Oxide):O(Sn-O)≈1:2，可判斷SnOx成分主要為SnO2。

此區(qū)域表面含較多Au元素。

此區(qū)域表面含較多C元素，可判斷表面有一定程度污染。

3.2

SnOx成分半導體器件SnapMap快照成像測試結果分析

為分析形成SnOx成分的分布及擴散情況，采用小束斑（10um），選擇Sn/Au/O元素進行SnapMap快照成像，成像區(qū)域大小：250μm╳250μm。元素成像圖如下圖4所示（成像圖顏色以熱圖模式顯示）。

圖4 Au/Sn元素成像圖及疊加圖

由上成像圖，可快速得到Au/Sn元素在面內(nèi)分布情況。顏色越亮，表示對應成分含量越多：

分析Au/Sn元素成像譜圖，可直觀看到Au、Sn元素在面內(nèi)分布區(qū)域互補。

分析Au/Sn元素成像譜圖疊加，可直觀看到Au、Sn兩元素在面內(nèi)分布情況；同時，可快速判斷形成的SnOx成分沒有出現(xiàn)明顯擴散情況。

此外，對Au/Sn/O元素成像圖進行了進一步處理。在成像譜圖中，選10um╳10um的小尺寸區(qū)域，直接聚焦到Au/Sn元素分布特征區(qū)域回溯成譜，將成像圖轉化成XPS譜圖，可快速分析不同區(qū)域元素及化學態(tài)差異，輔助進一步確認SnOx成分及其擴散情況。Au/Sn/O元素成像圖不同區(qū)域回溯成譜，如下圖5所示。

圖5  Au/Sn/O元素成像圖不同位置回溯成譜

由上圖，分析Au/Sn/O元素成像圖不同位置回溯成的XPS譜圖，可直觀看到：

SnOx成分區(qū)域表面檢出明顯Sn元素信號；同時，此區(qū)域也含有一定量Au元素。由Au/Sn/O元素不同化學態(tài)含量表格，可看到Sn(Oxide):O(Sn-O)≈1:2，進一步確定SnOx區(qū)域成分為SnO2。

Au元素區(qū)域表面未檢出Sn信號，說明SnOx成分在此區(qū)域沒有出現(xiàn)明顯擴散情況。

為進一步判斷SnOx成分在與Au分布區(qū)域交界處是否存在擴散情況，對Sn元素成像圖進行線掃描處理，將成像圖轉化成Sn元素計數(shù)率隨距離變化圖，如下圖6所示。

圖6 Sn元素成像圖線掃描

由上圖Sn元素線掃描圖，可直觀看到SnOx成分在Au/Sn交界處也沒有出現(xiàn)明顯擴散情況。說明對Au箔處理后，處理效果好，形成SnOx成分的窄條形區(qū)域質量好。

04 小結

本文通過賽默飛最 新一代XPS表面分析平臺Nexsa G2對金箔表面處理形成SnOx成分的小條形區(qū)域進行小束斑XPS+SnapMap快照成像測試，得到了豐富的樣品信息。

小束斑XPS測試：Nexsa G2，可實現(xiàn)束斑大小10~400um連續(xù)可調(diào)，小束斑下也具有極 佳測試靈敏度，保證測試譜圖質量。對于這類特殊小尺寸樣品，直接選擇小束斑，聚焦到小尺寸區(qū)域，可快速得到樣品表面元素及其化學態(tài)信息。通過這些信息，可輔助快速判斷樣品表面處理形成的SnOx成分為SnO2。

SnapMap快照成像測試：Nexsa G2特色SnapMap快照成像功能，可實現(xiàn)高效成像測試，快速得到不同元素及化學態(tài)在面內(nèi)分布信息。通過分析Au/Sn/O元素成像圖，可進一步確定SnOx成分為SnO2；同時，可確定SnOx成分沒有出現(xiàn)擴散情況，說明樣品表面處理效果較好，形成SnOx成分的窄條形區(qū)域質量好。

面對電子半導體行業(yè)研發(fā)、品質的各種觀察、分析、測量要求。

比如打線結合，BGA高度，鍍層的表面通常很難直觀地觀察及測量，但是基恩士VHX-7000N系列高清數(shù)碼顯微鏡能夠提供精 準的數(shù)據(jù)支持和高清結構觀察。

金線高度檢測

BGA高度檢測

同時也能直接觀察和測量鍍層表面面積占比，為改善鍍層工藝提供更精 準的數(shù)據(jù)參考。

連接器鍍層檢測

眾所周知，催化是現(xiàn)代工業(yè)中極其重要的領域，大約90%的工業(yè)流程都與催化有關。在催化過程中，我們利用催化劑來改變化學反應速率，對化學反應進行選擇和調(diào)控。催化在合成氨工業(yè)、石油煉制、精細化學的合成、高聚物的合成、食品加工以及光催化和電催化等新能源領域起到非常重要的作用。大量的催化基礎和應用研究顯示, 催化反應事實上是發(fā)生在納米尺度上的反應, 不論是液相的原子簇催化劑, 擔載的金屬和金屬氧化物催化劑, 抑或多孔的分子篩催化劑, 它們體現(xiàn)催化活性的活性ZX的尺度就在納米甚至亞納米尺度，譬如優(yōu)良的燃料電池催化劑中貴金屬Pt的粒子平均直徑大約2~3納米，而絕大多數(shù)貴金屬催化劑納米顆粒的尺寸都在1納米至100納米之間。而對于獲得此類納米尺度的催化劑顆粒的微觀形貌和成分信息，高分辨率透射電子顯微鏡配合X射線能譜是一種無可替代的表征方式。使用高分辨率透射電子顯微鏡，我們可以直接得到催化劑納米顆粒的大小、形狀、化學組成以及在載體上的分布位置等相關參數(shù)。而想要得到具有統(tǒng)計相關性并且高JZ度的數(shù)據(jù)，取決于納米顆粒形貌的規(guī)則性，少則500個顆粒，多則幾千個顆粒，都需要進行獨立的電鏡表征和參數(shù)分析。目前，研究人員通過手動圖像采集和表征，一天最多大約能分析30個顆粒，所以通常情況下，表征一個樣品需要數(shù)天的時間，這是一個枯燥以及漫長的工作過程。

Thermo ScientificZX推出的自動化納米顆粒表征工作流程APW （Automated Particle Workflow），基于高分辨率透射電子顯微鏡平臺，結合獨特的大視野高分辨圖像采集軟件MAPS，電鏡操作軟件Velox以及先進的Avizo圖像數(shù)據(jù)分析處理軟件，進行全自動化圖像采集以及實時的納米顆粒數(shù)據(jù)分析。APW提供整體優(yōu)化解決方案，以全自動化和無人值守的方式采集數(shù)據(jù)和進行動態(tài)數(shù)據(jù)處理。APW幫助客戶擺脫手動費時和繁瑣的催化劑納米顆粒分析，并且在此過程中，無需透射電鏡專家的介入，操作就如同使用咖啡機一樣容易。APW可以幫助實現(xiàn)更快的樣品周轉率，有效利用透射電鏡運行時間，通過無人值守和可重復過程來降低每個樣品的表征成本，并通過強大而快速的新材料篩選來實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)的革新過程。通過使用APW，客戶有更多的時間從事與研究相關的工作，并以更高的統(tǒng)計量和更高的JZ度來表征更多的催化劑樣品。

圖1丨使用APW進行自動化大面積TEM圖像采集以及單個納米顆粒參數(shù)分析. 

Sample courtesy of Prof. B. Gorman and Prof. R. Richards, Colorado School of Mines.

圖2丨使用APW進行混合金屬納米顆粒鎳/鐵/銀/鋅樣品的圖像采集和參數(shù)分析. 

不同的顏色代表了不同的金屬元素。

圖3丨圖2中鎳納米顆粒參數(shù)的統(tǒng)計分析。不同的顏色代表不同的顆粒大小，左下圖展示了鎳納米顆粒的表面積和直徑的統(tǒng)計分布，右圖中展示了具體的單個納米顆粒的直徑和表面尺寸等參數(shù)。

圖4丨氧化鋁載體上的金納米催化劑顆粒的APW數(shù)據(jù)采集和分析展示，

下圖顯示了金納米顆粒的直徑參數(shù)統(tǒng)計分布。

電容-電壓(C-V)測量廣泛用于測量半導體參數(shù)，尤其是MOS CAP和MOSFET結構，C-V 測試可以方便的確定二氧化硅層厚度dox、襯底摻雜濃度N、氧化層中可動電荷面密度Q1、和固定電荷面密度Qfc等參數(shù)。

C-V測試方法

進行 C-V 測量時，通常在電容兩端施加直流偏壓，同時利用一個交流信號進行測量。一般這類測量中使用的交流信號頻率在10KHz 到10MHz 之間。所加載的直流偏壓用作直流電壓掃描，掃描過程中測試待測器件待測器件的交流電壓和電流，從而計算出不同電壓下的電容值。

C-V測試系統(tǒng)

LCR表與待測件連接圖

MOS電容的C-V測試系統(tǒng)主要由源表、LCR 表、探針臺和上位機軟件組成。LCR 表支持的測量頻率范圍在 0.1Hz~30MHz。源表(SMU) 負責提供可調(diào)直流電壓偏置，通過偏置夾具盒CT8001 加載在待測件上。以PCA1000LCR表和吉時利2450源表組成的C-V 測試系統(tǒng)為例，可以滿足精確測量的要求：

吉時利2450系統(tǒng)級應用優(yōu)勢

吉時利2450型觸摸屏數(shù)字源表是一款集I—V特性測試、曲線追蹤儀和半導體分析儀功能于一體的低成本數(shù)字源表。吉時利2450豐富的功能也讓它非常適合集成到自動測試系統(tǒng)中：

●嵌入式測試腳本處理器 (TSP)：它將完整的測度程序加載到儀器的非易失性存儲器，無需依賴外部PC控制器，產(chǎn)能更高。

●TSP-Link通信總線：支持測試系統(tǒng)擴展，實現(xiàn)多臺2450儀器和其他基于TSP技術儀器的系統(tǒng)拓展，拓展的測試系統(tǒng)最多可連接32臺2450，在一臺主儀器的TSP控制下進行多點或多通道并行測試。

●兼容的2400工作模式：除了2450 SCPI工作模式， 2450還支持2400 SCPI工作模式，并兼容現(xiàn)有的2400 SCPI程序。這保護了用戶的軟件投資，避免儀器升級換代所帶來測試軟件的轉換工作。

●PC連接和自動化：后面板三同軸電纜連接端口、儀器通信接口（GPIB、USB 2.0和LXI/Ethernet）、D型9針數(shù)字I/O端口（用于內(nèi)部/外部觸發(fā)信號及機械臂控制）、儀器安全互鎖裝置及TSP-Link連接端口簡化多儀器測試系統(tǒng)的集成。

安泰測試作為泰克吉時利長期合作伙伴，專業(yè)提供設備選型和測試方案的提供，為西安多家企業(yè)和院校提供吉時利源表現(xiàn)場演示，并獲得客戶的高度認可，如果您想了解吉時利源表更多應用方案，歡迎訪問安泰測試網(wǎng)。

失效分析是對于電子元件失效原因進行診斷，在進行失效分析的過程中，往往需要借助儀器設備，以及化學類手段進行分析，以確認失效模式，判斷失效原因，研究失效機理，提出改善預防措施。其方法可以分為有損分析，無損分析，物理分析，化學分析等。其中在進行微觀形貌檢測的時候，尤其是需要觀察斷面或者內(nèi)部結構時，需要用到離子研磨儀+掃描電鏡結合法，來進行失效分析研究。

離子研磨儀目前是普遍使用的制樣工具，可以進行不同角度的剖面切削以及表面的拋光和清潔處理，以制備出適合半導體故障分析的 SEM 用樣品。

離子研磨儀

TECHNOORG LINDA

掃描電鏡

Phenom SEM

01 離子研磨儀的基本原理

晶片失效分析思路和方法

案例分享 1

優(yōu)先判斷失效的位置

鎖定失效分析位置后，決定進行離子研磨儀進行切割

離子研磨儀中進行切割

切割后的樣品，放大觀察

放大后發(fā)現(xiàn)故障位置左右不對稱

進一步放大后，發(fā)現(xiàn)故障位置擠壓變形，開裂，是造成失效的主要原因

變形開裂位置

放大倍數(shù)：20,000x

變形開裂位置

放大倍數(shù)：40,000x

IC封裝測試失效分析

案例分享 2

1、對失效位置進行切割

2、離子研磨儀中進行切割

3、位置1. 放大后發(fā)現(xiàn)此處未連接。放大倍數(shù)：30,000x

4、位置2. 放大后發(fā)現(xiàn)此處開裂。放大倍數(shù)：50,000x

PCB/PCBA失效分析

案例分享 3

離子研磨儀

SC-2100

• 適用于離子束剖面切削、表面拋光

• 可預設不同切削角度制備橫截面樣品

• 可用于樣品拋光或最 終階段的細拋和清潔

• 超高能量離子槍用于快速拋光

• 低能量離子槍適用后處理的表面無損細拋和清潔

• 操作簡單，嵌入式計算機系統(tǒng)，全自動設定操作

• 冷卻系統(tǒng)標準化，應用于多種類樣本

• 高分辨率彩色相機實現(xiàn)實時監(jiān)控拋光過程

交流C-V測試可以揭示材料的氧化層厚度，晶圓工藝的界面陷阱密度，摻雜濃度，摻雜分布以及載流子壽命等，通常使用交流C-V測試方式來評估新工藝，材料， 器件以及電路的質量和可靠性等。比如在MOS結構中， C-V測試可以方便的確定二氧化硅層厚度dox、襯底 摻雜濃度N、氧化層中可動電荷面密度Q1、和固定電 荷面密度Qfc等參數(shù)。

C-V測試要求測試設備滿足寬頻率范圍的需求，同時連線簡單，系統(tǒng)易于搭建，并具備系統(tǒng)補償功能，以補償系統(tǒng)寄生電容引入的誤差。

進行C-V測量時，通常在電容兩端施加直流偏壓，同時利用一個交流信號進行測量。一般這類測量中使用的交流信號頻率在10KHz到10MHz之間。所加載的 直流偏壓用作直流電壓掃描，掃描過程中測試待測器件待測器件的交流電壓和電流，從而計算出不同電壓下的電容值。

在CV特性測試方案中，同時集成了美國吉時利公司源表（SMU）和合作伙伴針對CV測試設計的專用精 密LCR分析儀。源表SMU可以輸出正負電壓，電壓 輸出分辨率高達500nV。同時配備的多款LCR表和 CT8001 直流偏置夾具，可以覆蓋 100Hz~ 1MHz 頻 率和正負200V電壓范圍內(nèi)的測試范圍。

方案特點：

★包含C-V（電容-電壓），C-T（電容-時間），C-F （電容-頻率）等多項測試測試功能，C-V測試可同時支持測試四條不同頻率下的曲線

★測試和計算過程由軟件自動執(zhí)行，能夠顯示數(shù)據(jù)和 曲線，節(jié)省時間

★提供外置直流偏壓盒，偏壓支持到正負200V， 頻率范圍 100Hz - 1MHz。

★支持使用吉時利24XX/26XX系列源表提供偏壓

測試功能：

電壓-電容掃描測試

頻率-電容掃描測試

電容-時間掃描測試

MOS器件二氧化硅層厚度、襯底摻雜濃度等參數(shù)的計算

原始數(shù)據(jù)圖形化顯示和保存

MOS電容的 C-V 特性測試方案

系統(tǒng)結構：

系統(tǒng)主要由源表、LCR 表、探針臺和上位機軟件組成。 LCR 表支持的測量頻率范圍在0.1Hz~ 30MHz。源表 (SMU)負責提供可調(diào)直流電壓偏置，通過偏置夾具盒 CT8001加載在待測件上。

LCR 表測試交流阻抗的方式是在 HCUR 端輸出交流電 流，在 LCUR 端測試電流，同時在 HPOT 和 LPOT 端 測量電壓值。電壓和電流通過鎖相環(huán)路同步測量，可 以精確地得到兩者之間的幅度和相位信息，繼而可以推算出交流阻抗參數(shù)。

典型方案配置：

系統(tǒng)參數(shù)：

下表中參數(shù)以 PCA1000 LCR 表和 2450 源表組成的 C-V測試系統(tǒng)為例：

安泰測試已為西安多所院校、企業(yè)和研究所提供吉時利源表現(xiàn)場演示，并獲得客戶的高度認可，安泰測試將和泰克吉時利廠家一起，為客戶提供更優(yōu)質的服務和全面的測試方案，為客戶解憂。