异形器件的失效分析测试方案之原位XPS+AES

样品：SiO₂/Si基底上的缺陷Au电极（完好区域：OK；缺陷区域：NG）

特征：异形件，俯视：存在多个毗邻的特征区域；剖面：各组件以嵌入式结合，且高低不平

尺寸：特征区域（①和②）的最大尺寸均在50微米以内，如图1所示                

图1. SiO₂/Si基板上的缺陷Au电极光学照片。 

目的：分析器件失效的原因

要求：1. 识别NG区域缺陷/污染物的组分；

2. OK和NG区域形貌和组分的二维分布；

3. 表征该器件的层结构。

挑战一：NG区域并非仅限于表面，实为嵌入式不规则块体，需进行表面+深度分析。

挑战二：在横向，NG存在两个毗邻的、尺寸均在数十微米的特征区域，表面微区分析时难以精准定位。

挑战三：在纵向，该异形件不同区域深度上组分差异明显，层结构表征中不能仅靠传统的XPS深剖，还需实现深度方向上的微区分析。

a. SXI导航和定位：采集样品表面的SXI影像，通过SXI精准定位OK和NG区域，并建立测试点；

b. 微区XPS：利用小束斑（10 um）采集OK和NG测试区的XPS全谱和精细谱，获取污染物的组分和化学态，以分析污染物的来源；

c. XPS Mapping：通过SXI定义面分析区域，采集表面的元素XPS Mapping，以获取污染物在表面的二维分布；

d. AES Mapping：借助高空间分辨的SAM配件，原位采集样品表面的SEM图像，以及元素的AES Mapping；

e. 多点同时深度分析：通过SXI定义多个测试点，再利用氩枪进行刻蚀，同时获取多个测试点各自的深度曲线。

如图2所示，SXI展示了样品表面的微观形貌，精准定位到尺寸约为50 um的NG区域。进一步地，利用微区XPS采集全谱和精细谱，表明缺陷区域外源物主要为BN。值得注意的是，尽管NG区域紧邻SiO₂/Si基底，但是全谱中并未检测到Si元素，表明XPS的信号完全聚焦于NG区域，做到了对微区的精准定位和分析。此外， XPS Mapping直观地展示了表面B、Au和Si元素的二维分布，成功地获取了污染物的表面具体分布情况。

图2. XPS微区分析：缺陷区域的SXI精准定位，精准组分分析和元素XPS mapping。

利用XPS仪器的SAM扫描俄歇配件，进一步对该样品进行原位AES表征，其结果如图3所示。SEM展现出比SXI更高的空间分辨能力，使得样品表面的微观形貌更加清晰明了。在AES mapping视角下，B、Au和Si的分布情况与先前XPS Mapping一致，缺陷内在BN含量较少的区域，存在富C区，二者的分布呈现互补。测试结果充分体现了二者对于微小特征组分的表征能力。

图3. SAM（扫描俄歇）分析：缺陷区域的SEM图像和元素AES mapping

    通过SXI分别在缺陷（NG）、Au电极（OK）以及Si基底上定义了3个测试点，结合Ar⁺进行XPS深度分析。结果如图4所示，PHI扫描型XPS可在微区内快速往复扫描，同时采集这3个测试点的XPS谱图，从而同时生成3个深剖曲线，直接展示了该异形件在深度方向上的组分分布情况。由此，成功绘制出该异形样品的层结构模型。

图4. XPS多点同时深度分析：全方位获取异形器件的多层结构模型。

PHI XPS以其卓越的微区XPS分析能力为基础，再结合SAM功能配件，铸就了一款功能强大与完备于一体的顶尖表面分析工具。这一组合尤其是在应对微小特征和结构复杂异形器件的失效分析上，可实现对微区特征的精准定位和可靠的分析，展现出无可比拟的优势和不可替代性。