如何利用表面分析工具,抓出半導體製程缺陷

作者 | 發布日期 2021 年 09 月 14 日 12:00 | 分類 晶片 Telegram share ! follow us in feedly


現在面臨的失效現象,到底要用什麼工具找到汙染缺陷點?以及那些汙染缺陷,一定得用表面分析工具才能找到嗎?
本篇要告訴大家如何選擇適當表面分析工具,抓出製程缺陷。

在半導體生產的過程中,難免會遇到一些汙染產生,常見的微粒異物很容易被光學或電子顯微鏡檢測出,然而有一類異常汙染卻是無法被發現的,例如表面氧化或微蝕的殘留汙染,近數奈米幾個原子層的厚度,相較於原本固體材料又是不同的性質,使用一般光學或電子顯微鏡觀察根本無法鑑別,這樣的汙染層可能導致後續的鍍膜脫層,封裝的打線或植球脫球,甚至影響電性的阻值偏高、或電性不良等異常失效的現象。這些肉眼或顯微鏡看不到的異物分析,此時就不得不藉由表面分析的儀器來尋找解答了。

本期宜特小學堂,將與各位分享「如何利用表面分析工具,抓出半導體製程缺陷」

何謂表面分析

在生產製造的研發初期,也許會產生極小、極薄的奈米等級異物,要探究其來自於哪一道製程所產生的;甚至是到最後封裝測試組裝才發現可能在製作 RDL、UBM 等製程有氧化或汙染造成電性的異常、阻值偏高(或開路)、短路或漏電等現象。這些異常的隱形缺陷,都必須藉由表面分析工具才能鑑定出來。

五大表面分析工具,該在什麼時機點使用?

  • 觀察表面高低起伏形貌與尺寸量測- SEM

在一般材料分析應用中比較熟知的掃描式電子顯微鏡(SEM),主要目的是觀察表面的高低起伏形貌或尺寸量測,藉由電子掃描樣品表面擷取二次電子的訊號來成像,也可搭配X光能量分散光譜(EDS)探測器鑑別表面的元素成分。

  • 氧化、腐蝕或污染之奈米薄膜鑑定- AES/XPS

然而,由於此 SEM 所蒐集的是來自於表面以下數百奈米深度的特性 X 光訊號,反倒是在最表面的幾個原子層數奈米的厚度汙染卻是很難被偵測到的。

因此,就需靠最常用來檢測奈米薄膜的工具-歐傑電子能譜(AES, Auger Electron Spectroscopy)與 X 光光電子能譜(XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy),這兩種能譜分析儀最常被用來檢測如氧化、腐蝕或污染的鑑定,甚至透過搭配氬離子濺蝕的縱深分析技術,即可進行氧化或腐蝕層的厚度分析。

如圖一為典型 AES 分析 IC 鋁墊(Al pad)表面定性分析的結果,左圖能譜顯示表面偵測到殘留的元素有 C、O、F 和 Al;右圖是縱深(Depth profile)分析的結果,可觀察各個元素含量隨著深度分布的情形,亦可提供估計氧化層或表層F成分汙染的厚度,分別為 24nm 與 13nm,這是由於鋁墊在開窗(Opening)製程使用乾蝕刻 CF氣體,或是存放時間過久所導致的氧化腐蝕殘留,此為影響後續封裝打線接合品質重要的參考指標。

▲圖一:歐傑電子能譜分析 IC 鋁墊表面殘留成分與氧化層厚度的縱深分析

此外,針對先進 3D 封裝製程的 TSV 導通孔,在蝕刻製程後側壁的殘留,或是銅柱(copper pillar)製程表面氧化的分析,均可藉由 AES 的微電子束進行孔壁內或 bump 直徑在數十微米以下的表面殘留分析。

不過因為使用的激發源是電子,對於非導體材料進行分析的時候會發生表面充電(charging effect)的現象干擾歐傑訊號的擷取,不如一般在進行 SEM 的量測觀察時,可在樣品表面鍍一層金屬做導電,造成無法分析絕緣樣品為其最大的缺點。

  • 待測樣品非導電、大於十微米以上的表面檢測- XPS

對於樣品大於十微米以上的表面另可採用 XPS 進行表面分析,其激發源為 X 光,能夠分析的範圍區域較大,通常在 30 微米以上,比如 IC 鋁墊、PCB 的金墊、金手指、封裝用錫球、焊點均可使用。

另外在非導電的樣品表面,XPS 亦為極佳的分析工具,如 IC 鋁墊周圍的絕緣護層 SiNx、PCB 銅線路外的絕緣綠漆,或在 RDL/UBM 製程線路外的 PI 或 PBO 絕緣層等,圖二即為在 PI 層上觀察到蝕刻後微量的 Ti 金屬殘留,此會導致 bump 漏電的問題,因此而成為在 UBM 製程觀察的重要指標。

▲圖二:X 光電子能譜分析 UBM 製程 PI 表面的成分,除了主要的 C、O 外,還有 Ti、Si 等金屬殘留

由於 XPS 是觀察電子束縛能(Binding energy)的一種分析技術,可藉由高分辨化學位移(Chemical shift)分析,來判斷化學鍵結的型態,如圖三為鋁墊蝕刻製程後表面生成橢圓形的汙染物,經過能譜化學位移擬合(Curve Fitting)分析的結果,顯示出束縛能分別為 78.7eV 的 [AlF6]3-、76.3eV 的 AlF3 與 74.5eV 的微量 Al2O這三種化學態共存的汙染物。

諸如此類蝕刻製程的生成物分析外,關於一些陶瓷薄膜材料的製程研究,亦可利用此擬合分析技術,進行化學態鍵結比例的分析,以供後續製程調配改良的參考依據。

▲圖三: X 光電子能譜分析 IC 鋁墊上腐蝕殘留物的化學鍵結態有三種,分別為 (AlF6)3-、AlF與 Al2O3. (圖片引用: Y.Hua et al., IPFA 2014)

  • 黃光/蝕刻製程等高分子有機化合物定性分析- SIMS

另外一種靈敏度更高的表面分析是「飛行時間式」二次離子質譜(TOF-SIMS)分析儀,主要是用「離子源」作靜態(static)的表面成份分析,不同於一般磁偏式(Magnetic sector)SIMS 或 XPS 作動態(dynamic)縱深的定量分析應用,因其一次離子源是採用非連續性的脈衝式設計,使得在轟擊樣品表面作用的表面能與電荷量能夠相對減少,另外再加以適當的電荷補償後,非常適合絕緣有機材料的分析。

因此若當待測樣品由前文中提及的 AES 或 XPS 定性分析之結果為 C、N、O 這類元素時,在製程中又可能涉及高分子有機材料,此時如果需要了解是哪一種有機化合物,即可以透過 TOF-SIMS 的質譜分析來進行鑑定。

比如在黃光、蝕刻製程或清洗後的缺陷汙染,通常伴隨著有機溶劑或光阻等殘留,就非常適合使用 TOF-SIMS 來進行分析。

基於上述關於表面污染的定性成份分析技術外,其它像是數個奈米厚度的超薄膜,亦可借助的表面分析儀器如原子力顯微鏡(AFM)、X光繞射的X光全反射(XRR)分析技術,進一步獲取樣品奈米表面形貌、粗糙度,或是厚度等的資訊(進一步閱讀: 借力三大工具,精準量測樣品表面粗糙度 )。

  • 樣品需要準備多大呢? 可以鑑別的異物或樣品圖形能接受多大的範圍呢?

當遇到形貌、外觀、顏色甚至電性等各式各樣的異常現象,該如何選擇正確的分析工具,或是先該從哪一個方式著手?由於每種儀器能夠承載的樣品空間並不固定,並且能夠分析的範圍也都相異。

宜特表面分析實驗室準備以下圖表(圖四),讓您可以更清楚了解如何根據汙染物的預估深度,尺寸以及希望觀察的濃度大小及分析流程圖。

從圖四,假設目前發現的異物汙染無法用一般顯微鏡觀察到,僅能確定一區有異常變色的狀況,即可以先行使用 XPS 分析;若結果是 C、N、O 這三個元素,極可能為有機汙染;進一步要分析是何種有機物,就可以走到最底下的 FTIR 或 TOF-SIMS 分析來做鑑定。

▲圖四:表面汙染分析儀器的選擇準則

 

本文與各位長久以來支持宜特的您,分享檢測驗證經驗,若上述選擇都是很難判斷的狀況下,且樣品尺寸也不符,或是想要更進一步了解如何根據樣品尺寸、大小、汙染處選擇正確的分析儀器,請回信或洽詢宜特,宜特將手刀奉上一張精心製作的圖表,請洽 +886-3-579-9909 分機 1068 邱小姐│ Email: marketing_tw@istgroup.com

(圖片來源:宜特科技)