透射电镜分析中能谱元素彩色面分布分析技术的研究和在半导体芯片失效分析中的应用

文摘：

在本文中我们将介绍新一代的Talos系列透射电镜和研究能谱元素彩色面分布分析技术，并探讨这种新的探测技术与传统探测技术的不同，以及应用新技术能获得的元素彩色面分布影像具有超高灵敏度和空间分辨率的原因。我们也将展示几个将能谱元素彩色面分布分析技术应用到失效分析和解决疑难杂症的实际案例。

透射电镜与能谱元素彩色面分布分析技术

随着半导体芯片设计、晶圆制造和先进封装技术的快速发展，失效分析发挥着非常重要的作用。在失效分析中，我们不仅要提供快速、和准确的失效分析结果，更重要的要提供有关半导体芯片内部纳米级的结构和材料/缺陷元素彩色面分布（Elemental Color Mapping）等信息，以满足客户在半导体芯片研发和生产中的需求。应用透射电镜分析，我们可以实现和满足上面的要求，特别是最新一代的Talos系列的场发射扫描/透射电镜，可提供快速、精确的纳米材料和缺陷的定量表征 。

以Talos F200E场发射扫描/透射电镜为例，全新的设计有超过150项改进（专利），配有高亮度电子光源，以及4个高效的EDS能谱信号探测器，可以实现快速的能谱信号采集，并获得精确的定性和定量的EDS成分分析结果，特别是芯片纳米结构、材料和缺陷表面元素彩色面分布的重要信息。全新的大视场16M CMOS相机，可快速采集高分辨率透射电镜图像（HR-TEM）和电子衍射图谱。Talos系列透射电镜在操作上增加了诸多简单、自动化的设计，简化了材料分析的难度，为纳米尺寸材料及其结构的快速、精确和定量表征提供了高质量、高可靠性数据。

图1展示了安装在胜科纳米实验室的新一代的Talos系列高分辨场发射扫描/透射电镜及能谱仪系统。仪器采用了操作控制系统和设备主机完全分离的设计，工程师可以通过控制电脑实现高度自动化的样品分析并撰写分析报告。

谈论到透射电镜分析，首先想到的肯定是使用透射电镜可以得到高放大倍数和高清晰度的影像照片（包括暗场像和明场像）。例如，图2展示了一个半导体FinFET结构在一百零五万倍（1.05 M×）放大倍数下的高分辨透射电镜（TEM）图像。但是对新型Talos系列透射电镜来讲，功能还远不止如此。因为新型的透射电镜除了能够提供高放大倍数和高清晰度的影像照片之外，还能够提供高灵敏度、高清晰度的能谱元素彩色面分布照片。

图1.安装在胜科纳米实验室的新一代 S/TEM-EDS 分析仪器 – Talos高分辨扫描/透射电镜及能谱系统。

图2.FinFET结构的高分辨TEM图像，TEM放大倍率高达1.05 M×。从图中可以清晰的看到硅原子的排列。

能谱元素彩色面分布分析技术是在扫描/透射电镜的STEM模式下进行的。分析过程中，电子束会在感兴趣区域内对样品进行逐行逐点扫描。当高能电子束达到样品上时会与样品发生相互作用并激发出特征X射线信号。利用能谱仪探头可实时对电子作用位置产生的X射线信号进行收集，并使用能谱解析软件对收集到的特征X射线进行解析，便可得到对应位置的元素信息并通过软件以不同的颜色将不同元素区分显示出来，获得整个区域元素的彩色面分布图像。

如图3所示，我们应用透射电镜内的能谱元素彩色面分布分析技术获得的一张非常清晰的关于半导体微结构的照片。从图像中不仅能够看到芯片内部门电路（Gate/Oxide）附近的结构和形貌，还能看到对应结构上清晰的元素组成分布信息。这些信息对半导体芯片研发和失效分析是非常重要的。借助此技术可以在极短时间内获得高空间分辨率的、准确的元素组成定性及定量的彩色面分布信息。

图3.通过透射电镜中能谱元素彩色面分布分析技术获得的一张关于半导体微结构的照片。

从图像中能够看到芯片内部门电路（Gate Oxide）附近的结构和形貌，及对应结构上清晰的元素组成分布信息。

新一代透射电镜分析中能谱元素彩色面分布分析技术在半导体芯片失效分析中的研究

为了很好的对比传统EDS技术与新一代的EDS技术差异，我们首先从一组对比结果来展示两者之间的差异。图4（a）和图4（b）分别展示了使用传统EDS技术与新一代EDS能谱技术获得的元素彩色面分布能谱图像结果。从图中显示的信息不难看出，传统的EDS技术在信号采集量、图像信噪比、界面清晰度等方面的表现力均较差。尤其是像O、N等半导体器件中常见的轻元素的信号采集量是明显不足的。同时，相较于新一代的EDS技术，传统技术的数据收集时间要多出数十倍。

图4. 应用（a）传统EDS能谱分析技术和（b）新一代EDS能谱分析技术获得的彩色元素彩色面分布能谱图像结果比较。

导致两种分析技术结果呈现的差异因素主要是探头材质。对于传统EDS技术，其探头材质是硅 （锂）- Si（Li）探头。如图5所示，这类探头通常使用液氮制冷。其在低计数率下工作时可维持较好的能量分辨率。

随着计数率的增加，能量分辨率会发生下降，导致元素区分能力变差。而新一代的Si漂移探头（SDD探头）在高计数率下仍可保证极高的能量分辨率。

另外，相比于新一代的SDD探头，传统Si（Li）探头的电子-空穴对迁移率也是偏低的。因此，Si（Li）探头的信号解析效率要低于SDD探头。此外，传统的Si（Li）探头面积都较SDD探头面积也通常更小。为了获得高能量分辨率和高信噪比的EDS能谱面分布图，使用传统Si（Li）探头要比SDD探头长出数十分钟的采集时间。

图5.传统液氮制冷的硅 （锂）- Si（Li）能谱探头。因探头材质及面积有限等因素导致其信号采集效率偏低。

随着EDS采集时间的延长势必还会带来其他问题。比如，在半导体器件制造过程中往往会引入一些低介电常数（俗称low-k）材料。这类材料通常是不耐电子束辐照的。长时间的电子束轰击会导致材料变形，还可能引发成分或结构转变。

由于STEM-EDS技术需要在样品上反复逐帧扫描，材料的变形会导致EDS能谱面分布图中部分界面、边界变得模糊。同时还可能导致半导体样品发生结构、成分转变，无法再继续进行后续分析工作。

这对于孤点的失效分析案例是很难接受的。另外，长时间的扫描还需要对试片进行实时的漂移矫正工作，一方面可能对最终分析结果造成边界模糊的现象，另一方面还进一步延长了测试分析时间。

图6展示了在最新一代Talos F200E上搭配的Super-X SDD探头示意图。其由4个独立的SDD探头所组成，对称分布在TEM的物镜极靴内。探头总面积达到了120 mm2，有效收集角达到了0.9 srad。

对比传统Si（Li）单探头设计，Super-X SDD的多探头设计可从多角度收集样品激发的X射线信号。大面积的探头设计可大幅提升EDS能谱信号采集效率，使得原始可能长达几十分钟到一小时的EDS能谱采集时间缩短到了十分钟左右，甚至可以支持研究人员开展原子级的EDS能谱分析工作。

对称式的四探头设计还保证了样品无论在何种倾转角度下均有能谱探头可以采集大量X射线信号，使得对样品进行三维化学成分重构分析工作成为了可能。

由此可见，新型的EDS能谱技术不仅在面分布图像的信噪比、信号探测灵敏度、信号采集效率等方面有大幅提升，还拓展了包括原子级EDS能谱分析、三维化学成分分布解析等应用场景。

图6.Talos F200系列场发射扫描/透射电镜配备的新型Super-X SDD EDS能谱探头的几何空间设计示意图。

所以新型的Talos系列透射电镜不仅可以提供高放大倍数、高清晰的影像照片，也可以提供高灵敏度、高清晰的能谱元素彩色面分布成像照片。帮助我们在失效分析中能够探测纳米级别的微结构和微缺陷，和解决一些疑难杂症，为芯片设计研究、晶圆制造和先进封装等领域客户提供了快速和有效的分析数据。

新一代透射电镜分析中能谱元素彩色面分布分析技术在半导体芯片失效分析中的应用

从上面的讨论中我们可以看到，应用新型扫描/透射电子显微镜，除了可以获得高放大倍数下高清晰的影像照片外（图2），还能获得纳米级别的半导体芯片结构及成分元素组成信息（图3）。

除此之外，我们再来讨论几个在扫描/透射电镜中EDS元素彩色面分析技术的应用案例：晶圆制造中纳米级别的缺陷的分析和表征、 VIA结构的失效分析研究以及半导体器件的三维结构的表征工作。

1、晶圆制造中纳米级别的微缺陷分析和表征

图7. 应用Super-X EDS能谱探头获得的半导体器件中氧元素成分彩色面分布图像，可以清晰的探测到高清晰度、高信噪比的纳米级尺寸的富氧层微缺陷。

图7展示了使用能谱元素彩色面分布分析技术表征纳米级别的微缺陷的一个实例。图中展示了使用Super-X EDS探头采集并分析获得的氧（O）元素在感兴趣区域的面分布图。如图中蓝色箭头所示，我们可以观察到一层较为明显的几纳米厚度的富氧（O-rich）膜层的存在。这是在使用传统Si（Li）探头无法达到的高清晰度、高信噪比的成像效果和分析能力。这样纳米级别的微缺陷，使用透射电镜传统成像技术也是难以实现的。

图8展示了另一个样品分析区域内铜（Cu）元素的EDS能谱成分彩色面分布分析数据。从图中黄色虚线矩形方框圈画的区域可以看见一条明显的纳米级尺寸的Cu元素的线状结构缺陷。该分析结果为器件铜线间存在漏电现象提供了有力证据，证明了器件电性异常是由于局部的铜金属桥连式微缺陷所引起的。

图8.应用Super-X EDS能谱探头获得的半导体器件中铜元素成分面分布图像，测试结果探测到了纳米级别的桥连式的漏电微缺陷。

上述分析结果表明，新型Talos系列扫描/透射电镜搭载的能谱元素彩色面分布分析技术在晶圆制造的失效分析领域具有重要的应用价值。我们通过联合创新、研究、开发和应用了该技术，建立了先进和卓越的分析能力，给众多的半导体客户提供了一站式的服务，为半导体芯片设计、晶圆制造和先进封装的研发和生产提供了巨大帮助。

2、疑难杂症案例 – Via失效分析

下面我们再来讨论另一个失效分析案例–Via失效分析。图9（上）展示了晶圆制造中一组Via失效的透射电镜成像照片。从TEM照片可以看出，Via有2/3的位置接触良好，但额外1/3的Via接触不良。因此根据TEM照片可以判断，这极可能是一个高阻抗的失效案例。但是根据电性失效分析（EFA）分析结果，该失效案例属于Via近乎开路的失效案例。这就造成了物性失效分析（PFA）与EFA结果不符合的结论。

为了搞清楚为何出现PFA与EFA结果相悖且确定Via开路失效的引起因素，我们对该区域进行了EDS能谱元素彩色面分布测试分析。

图9 （下） 的能谱元素彩色面分布结果表明：在钨电极（W Contact）下方和钴硅化合物（CoSix）层上方存在一层极薄的富氧层（O-rich layer），如图中黄色箭头所示。因富氧层是绝缘的，因此这是导致电性测试发现Via开路失效的根本原因。

图9. 能谱元素彩色面分布照片显示在钨（W）电极Contact下方和 CoSix 层上方存在一层薄薄的富氧层（O-rich layer）。该膜层导致了芯片Via的开路失效。

由此案例可知，仅凭TEM成像来推断该失效案例是Via高阻抗失效是不准确的，并且该结论与EFA确定的Via开路失效结论是不符的。进一步借助能谱元素彩色面分布分析技术发现了在Ti阻挡层中的富氧层才是最终导致了Via的开路失效的本因。因此，这是一个非常成功的使用能谱元素彩色面分布分析技术解决的Via失效这类疑难杂症的分析案例。

3、三维半导体结构的表征

对于复杂的半导体结构，获得半导体器件的三维结构，进行三维尺度的分析对于获得半导体器件的真实缺陷结构或者元素分布至关重要。目前在透射电镜中主要采用电子断层技术，逐步的调整半导体样品的观察角度，从而重构出半导体器件的三维结构。

新型能谱探头Super-X采用对称式设计，因此能谱信号的采集不再像传统Si（Li）单探头受限于样品倾转角度，在不同角度下都可以采集到足量的能谱信号，从而实现了电子断层技术可以同时采集样品的电子显微镜图像和能谱数据。

受益于新一代透射电镜能谱探头的发展和创新技术的研发应用，能谱的收集效率得到极大的提升，因此电子断层技术采集信号的时间也大大的缩短了，提高了采集结果的信噪比，实现了高灵敏度的元素彩色面分布采集，也避免了长时间的信号采集对样品的损伤。

图10. 逻辑器件的能谱元素的三维结构图，不同元素采用不同颜色表示，直观展示器件的结构细节

图10展示了逻辑器件的三维元素彩色面分布谱图结构，从图中可以清晰观察到不同元素的分布情况。以上层的M0金属层为例，可以观察铜导线结构的完整性，包括外层阻挡层结构的缺陷，也可以清晰观察到。或者以器件门电路栅极结构为例，也可以观察到栅极中铝电极的结构完整性，可以更直观地观察器件缺陷产生的具体原因，帮助解决失效分析中的溯源。

结论

在本文中，我们进一步研究和应用透射电镜分析技术，特别研究和探讨了EDS能谱元素彩色面分布分析技术，以Talos F200E场发射扫描/透射电镜为例，探讨了这种新的探测技术与传统探测技术的不同，以及应用新技术能获得的元素彩色面分布影像具有超高灵敏度和空间分辨率的原因。我们也讨论和展示了几个能谱元素彩色面分布分析技术的几个实际应用案例。应用能谱元素彩色面分布分析技术我们对晶圆制造中纳米级别的微缺陷进行了成功的分析和表征；也在芯片Via失效分析中解决疑难杂症案例，也对三维半导体结构进行了成功的表征，为先进半导体器件的生产制造、良率提升及研发等提供了巨大帮助。

作者介绍

作者华佑南，刘兵海，李晓旻，来自胜科纳米（苏州）股份有限公司；

作者章春阳，李德帅，来自赛默飞世尔科技(中国)有限公司。

本文作者们衷心感谢胜科纳米（苏州）股份有限公司和赛默飞世尔科技（中国）有限公司团队的大力支持。