通过 UltimMax170 能谱对功率器件进行失效分析

金属化是制造现代半导体器件不可缺少的一个工序，它将不同的元件连接在一起，也直接影响到器件工作时的性能。如果金属层被氧化，电阻增加，电气联通下降，会造成器件的性能恶化甚至是失效。因此，一旦发现金属层缺陷，寻找其缺陷原因并回溯到制造工艺是一个非常重要的失效分析内容。

图 1 所示，是一个失效的功率器件的金属层结构。该器件首先通过电气性能测试，定位到其失效部位位于 Al 金属层，直接裂片后，在扫描电子电镜（SEM）中观察其截面的形貌和元素分布。

图1 功率器件中失效部位（Al 金属）的形貌及元素分布

从电子图像中，我们可以清晰的看见中间 Al 金属的空洞。通过能谱 EDS 检测到的元素面分布图可见，中间的 Al 金属中也有大量 O 元素的信号，这表明该失效点的 Al 金属已经发生氧化。从 Ti 的元素分布图可知，本应连续分布在 Al 金属表面的 Ti/TiN 介质层并不连续，中间出现了缺失。此外，Al 金属的分布越过了介质层，且在 Al 金属处还检测出了微量的 Cl 和 F，而这两个元素在结构设计中不存在。反观半导体工艺制程，F 是某些光刻胶中的主要成分，Cl 可能来自于剥离光刻胶的溶液。综合以上信息，我们可以推断出该坏点的失效机理与光刻胶清洗不彻底有关。

上面的结果，显示了能谱仪 EDS 可以作为失效分析的一个手段，帮助寻找失效原因。但是，在 EDS 的面分布中，可能会存在诸如重叠峰和信号量起伏造成的影响。比如此案例中的 F 元素，含量很少，它的分布就极易受其他含量多的元素（如 Si 和 O）的影响，其结果如图 2 中左上图 Smartmap 中所示，F 在整个分析区域都有分布，这显然是错误的信息，严重时甚至会影响失效原因的判断。因此，需要通过 AZtecLive 能谱软件做背底扣除（信号量起伏造成的分布图偏差）及重叠峰剥离获得真实的元素分布图。牛津仪器的 AZtecLive 软件使用 Tru-Q^®  技术，可以一键消除背底对所有元素分布的影响，输出真实的元素分布图 TruMap，如图 2 右上图中 F 的 TruMap 结果，为真实的 F 元素分布图。

图 2  样品中 F 的分布，左上图为不扣除背底影响的 SmartMap，右上图为扣除背底后真实的 F 分布情况，下图为样品的谱图及 F 附近区域的放大显示，背底对 F 峰干扰较明显。

通过该案例，我们展示了现代大面积能谱仪 UltimMax170 在半导体器件失效分析中的应用，也了解到在进行 EDS 分析时，含量多的元素会对含量少且有偏聚的元素的影响，因此需要软件能够智能地对背底的影响进行剥离，输出正确的元素分布图。

牛津仪器纳米分析部近年来推出的 Ultim Max 系列能谱具有操作简单灵活、对低含量及轻元素敏感、适配各种探头（STEM、EBSD 和 BSD）等特点，可以应用于更多材料，帮助研究者了解材料内部的元素构成及分布，建立更全面的微观—宏观联系。