LiteScope AFM in SEM电镜式原子力显微镜

当先进制程推进到5nm甚至3nm，一颗芯片里的晶体管数量已经逼近千亿级别。但对失效分析工程师来说，制程进步带来的不只是性能提升，还有越来越棘手的定位难题：缺陷越来越小、越来越隐蔽，传统方法的灵敏度正在逼近极限。

最近，NVIDIA与 LiteScope AFM in SEM电镜式原子力显微镜制造商Nenovision 合作发表了一项研究，提出了一套将导电原子力显微镜（C-AFM）与等离子聚焦离子束（pFIB）集成在同一真空腔体内的失效分析方案。这套方案不仅大幅缩短了分析流程，还催生了一种全新的成像技术——扫描EBIC显微术（SEBICM）。

本文将从问题出发，拆解这套集成方案到底解决了什么、怎么工作、效果如何。

01｜先进制程失效分析，难在哪里？

传统的半导体失效分析中，电子束和离子束被动电压衬度（PVC）技术一直是缺陷定位的主力手段。但在先进制程节点下，这套方法的局限性越来越明显：它对电学上微弱的缺陷、或者埋在表层之下的缺陷，灵敏度急剧下降。

导电原子力显微镜（C-AFM）的出现，在很大程度上弥补了这一短板。C-AFM用一根尖锐的导电探针在样品表面做光栅扫描，同时在探针和样品之间施加偏压，逐点测量局部电流。这样得到的不仅是形貌图，还有一张定量的电流分布图。

图1：C-AFM 工作原理示意图及集成电路样品的形貌与电流图像示例

一张C-AFM电流图可以同时包含成百上千个纳米器件的定量电流数据，这让它在FinFET等纳米器件的缺陷分析中格外有价值。

图2：C-AFM 成功定位电阻型通孔缺陷，而主流 SEM PVC 技术未能发现同一缺陷

上图就是一个典型案例：一个有缺陷的通孔（Via），在SEM PVC图像中完全看不出来，但C-AFM电流图清晰地标记出了异常位置，电流线剖面也显示缺陷通孔的电流水平明显低于参考通孔。

02｜C-AFM很强，但有一个绕不开的瓶颈

C-AFM虽然灵敏度高，但它对样品制备的要求极为苛刻。探针要在纳米尺度上与器件结构形成可靠的电接触，样品表面必须洁净、无氧化、无污染。

传统的去层方法——化学机械抛光（CMP）——在这一点上问题很大。抛光过程中和抛光之后，导电的电路结构暴露在大气环境中，金属表面很容易形成氧化层。到了先进制程，钴（Cobalt）接触等新材料的引入让这个问题更严重——钴在室温下接触空气就会迅速氧化。

等离子聚焦离子束（pFIB）气体辅助刻蚀的出现，让去层过程变得更精确可控。反应气体通过喷嘴注入腔体，等离子离子束可以选择性地、均匀地铣削目标区域，同时电子束可以实时监控去层进度。

图3：pFIB 气体辅助去层用于 C-AFM 样品制备的示意图

但即便用pFIB制备样品，还有一个问题没解决：样品要在pFIB腔体和C-AFM设备之间来回转移。每一次转移都意味着暴露在大气中，氧化风险随之而来。而且每次转移后还要重新导航定位到感兴趣区域，费时又费力。

03｜核心方案：把C-AFM装进pFIB/SEM双束系统

NVIDIA与Nenovision的思路很直接：既然问题出在“转移”上，那就不要转移。

Nenovision开发的LiteScope是一套原位集成于FIB/SEM中的AFM设备（即AFM in SEM），NVIDIA使用LiteScope实现了AFM直接安装在pFIB/SEM双束系统的样品台上，让去层和电学表征在同一个真空腔体内完成。

图4：集成系统的三种工作模式：(a)铣削模式 (b)切换模式 (c)AFM扫描模式

整个工作流程在三种模式之间无缝切换：

铣削模式

AFM头缩回停在安全位置，气体注入系统（GIS）喷嘴靠近目标区域输送反应气体，Xe等离子离子束铣削定义区域（实验中为100×100 µm²窗口）。通过台电流测量和离子束图像亮度实时监控去层进度，间歇性用SEM成像确认，精确停在目标电路层。

切换模式

GIS喷嘴和AFM头都回到停泊位置，确保铣削和扫描之间的安全过渡。

AFM扫描模式

AFM头下降到工作位置，导电探针在去层后的新鲜表面上进行C-AFM电流成像。

实验样品是一颗5nm级工艺的集成电路裸片，从封装中取出后，先用机械研磨去除顶部较厚的金属层，然后装入pFIB/SEM系统中的AFM样品台。样品台倾斜52度——这是Xe等离子FIB铣削和SEM成像的最佳角度。

04｜效果验证：逐层去层+逐层成像，逻辑单元和SRAM都拿下

图5：目标区域 SEM 图像：(a)pFIB 气体辅助去层前 (b)去层后 (c)AFM 探针定位到去层窗口准备分析

从SEM图像可以清楚看到去层效果：100×100 µm²的窗口被均匀铣削，暴露出下层电路结构，表面平整度达到数十纳米甚至更好——这正是高质量C-AFM成像所需的表面条件。窗口侧壁可以看到超过十层金属化层的截面轮廓，直观证明了去层的深度和均匀性。

SEM辅助导航

把“找位置”从难题变成简单事

LiteScope AFM in SEM带来的另一个巨大优势是导航效率。传统独立AFM平台上，要把探针定位到特定的晶体管、逻辑单元或存储单元，是一件非常繁琐的事：AFM成像本身就要几分钟，然后还要把低对比度的AFM形貌图与版图设计手动比对，既慢又容易出错。

而在LiteScope AFM in SEM中，SEM图像几乎是实时获取的，而且结构细节丰富——包括材料衬度和边缘效应带来的亚表面信息。在52度倾斜下，AFM探针针尖在SEM图像中清晰可见，可以实时跟踪和操控探针移动。

图6：SEM 成像引导 AFM 探针导航到目标位置：(a)探针初始定位 (b)实时 SEM 观察下逐步移动 (c)探针精确落在目标电路上

FIB/SEM双束系统通常还配备CAD导航功能，可以将样品台与CAD版图同步，进一步加速导航过程。

逐层分析

逻辑单元和SRAM的多层电流图

完成某一层的C-AFM分析后，探针缩回，系统切回铣削模式，继续pFIB气体辅助去层到下一层，然后重新定位探针、再次进行C-AFM成像。这个“去层—成像—再去层”的循环可以迭代重复，实现目标器件或区域的逐层电学表征。

图7：pFIB 气体辅助去层到三个不同层级后，5nm 逻辑单元的 C-AFM 电流图像

图8：pFIB 气体辅助去层到三个不同金属化层级后，5nm SRAM 位单元的电流分布图

上图分别展示了5nm逻辑单元和SRAM位单元在三个不同电路层级的C-AFM电流图像，验证了这套逐层去层与分析方法在不同器件结构上的可重复性和精度。

整个流程从去层到成像都在单一真空环境中完成，不需要破真空、不需要在不同设备间转移样品、不需要每次分析后重新导航。传统流程中每次工具转移都带来的氧化风险、污染风险和对位误差，在这里被彻底消除。

05｜意外收获：一种全新的成像技术诞生了

把C-AFM和电子束集成在同一个系统里，还催生了一个传统方法做不到的新能力。

当器件被去层到接触层，并暴露在参数优化的电子束下时（加速电压、束流、电子束与AFM探针的相对位置都经过配置），电子束诱导电流（EBIC）会在器件中产生。这些电流源于电子-空穴对的产生，以及随后在p-n结处的载流子分离。

C-AFM探针在光栅扫描过程中实时采集这些EBIC信号，就可以重建出一张二维图像，映射扫描区域内的结行为。研究人员将这种新技术命名为扫描EBIC显微术（Scanning EBIC Microscopy，简称SEBICM）。

图9：扫描 EBIC 显微术（SEBICM）概念示意图及代表性结果：(a)实验装置截面示意 (b)逻辑单元区域的 SEBICM 电流图像

SEBICM能够在纳米尺度上、直接在单个接触下方，对结特性进行空间分辨成像。这是传统失效分析方法很难做到的。从结果图中可以看到，不同接触处呈现出明显不同的电流水平，反映了亚表面结行为的差异。

这项技术有望用于结质量的局部分析，检测传统SEM PVC甚至独立C-AFM都看不到的微妙结相关异常——比如注入缺陷、结漏电或掺杂不均匀。

06｜深度案例：堆叠裸片封装中的漏电栅极定位

论文中最有说服力的案例，来自一个堆叠裸片（stacked-die）封装的失效分析。这个案例不仅展示了集成方案的效率，还展示了pFIB在其中扮演的一个意想不到的角色。

失效器件是一个由数百个晶体管通过铜金属化层并联组成的裸片堆叠结构。分析流程如下：

第一步，机械研磨封装基板暴露可疑裸片，再研磨去除顶部厚金属层以减少后续pFIB去层时间。

第二步，装入pFIB腔体内的紧凑型AFM系统，气体辅助pFIB并行铣削继续去层，直到暴露可疑电路的顶层。

第三步，立即对可疑电路进行C-AFM电流扫描。形貌图显示去层结构均匀清晰，但电流图中整个区域电流都极低——没有发现任何异常。

图10+11：堆叠裸片案例研究：(a)去层后SEM图像 (b)AFM形貌图 (c)初始C-AFM电流图（未发现异常）(d)接地沟槽铣削后C-AFM电流图（发现两个高电流异常结构）(e)原理示意图

为什么电流这么低？原因是失效裸片下方还键合了另一颗裸片，两层之间的绝缘键合材料阻断了电流通路。标准C-AFM需要体硅有良好的电接地，电流才能从探针尖端、经过器件p-n结、流到接地的AFM样品台。绝缘键合层让这一切都断了。

解决方案出人意料地简单：在同一pFIB腔体内，在可疑晶体管附近铣削一条深沟槽，一直延伸到下方的裸片，为晶体管的N阱结构提供接地通路。整个过程不需要移动样品。

接地沟槽创建后，再次进行C-AFM电流成像——这次两个结构显示出异常高的电流，而它们在之前的电流图中完全不显眼。后续版图分析确认，这些高电流结构连接到一个并联晶体管栅极阵列，表明至少有一个栅极存在缺陷。

为了进一步定位具体的失效栅极，用pFIB气体辅助并行铣削将样品去层到更低层级——在这个层级各个栅极是分开的。第二次C-AFM电流扫描成功识别出两个漏电栅极。

图12：pFIB 铣削创建深沟槽为可疑电路阱结构接地后，晶体管层级的 C-AFM 电流图像，成功识别出两个漏电栅极

精确定位缺陷位置后，用FIB将漏电栅极提取并减薄成TEM薄片。透射电镜物理分析确认，漏电原因是栅氧化层击穿——这正是芯片失效的根本原因。

这个案例还展示了集成方案的另一个独特优势：测量位置紧挨着FIB创建的深沟槽，传统AFM分析扫描跨过沟槽时很容易损坏探针。

但借助实时SEM成像，AFM探针在扫描开始前就被精确、高效地定位到沟槽旁边的目标区域上，完全避免了探针损伤风险。

07｜总结：这套方案到底改变了什么？

回顾NVIDIA和NenoVision的这项工作，集成C-AFM-pFIB平台的核心价值可以归纳为三点：

第一，效率提升。pFIB气体辅助铣削与原位C-AFM电流成像的结合，消除了重复的真空循环和手动样品转移，显著缩短了分析时间。模式切换只需几次鼠标点击，同时保持样品表面洁净和探针对位一致。

第二，质量保障。整个流程在单一真空环境中完成，样品表面始终保持无氧化、无污染的原始状态，这对高质量C-AFM电流成像至关重要。逐层去层与逐层成像的迭代，实现了跨层的精确空间配准。

第三，能力拓展。SEM辅助导航大幅提升了探针定位的速度和精度；电子束与C-AFM的协同催生了扫描EBIC显微术（SEBICM）这一全新技术，能够在纳米尺度映射亚表面结行为；pFIB甚至可以直接“改造”电路（如创建接地通路），让原本无法分析的堆叠结构变得可测。

对先进半导体失效分析来说，这不仅仅是一个工具的改进，更是一种工作流程的重构——把过去分散在多台设备、多个环节、多次转移中的分析流程，压缩到一个真空腔体里闭环完成。随着制程继续微缩、器件结构继续复杂化，这种“原位集成”的思路很可能会成为先进失效分析的标配方向。

NenoVision的 LiteScope AFM-in-SEM ——一台专为装入扫描电镜而设计的原子力显微镜，也可以脱离电镜独立使用。

整套系统由LiteScope扫描单元、NenoBox控制单元和NenoView软件组成，支持CPEM关联成像，装卸通常在五分钟内完成，开环扫描范围约100×100×20 µm、闭环约80×80×16 µm，噪声低至35pm。对希望复现这套流程的实验室来说，它提供的是一条现成路径——把CAFM能力接进现有的FIB/SEM平台，而不必再添置一台独立AFM。

芯无界作为NenoVision中国区授权代理，可协助确认SEM机型适配、安排装机演示并提供产品资料。

文献来源

本文改写自 ISTFA 2025 会议论文：Chuan Zhang, Jane Li（NVIDIA）；Radek Dao, Rosalinda Ring（NenoVision）. Streamlined Advanced Semiconductor FA Through In-Situ C-AFM and Plasma FIB Integration. Proceedings of ISTFA 2025, ASM International.

核心事实来源

1. C-AFM技术原理及与SEM PVC的对比：论文Introduction及Figure 1、Figure 2；

2. pFIB气体辅助去层原理：论文Figure 3及相关正文描述；

3. 集成系统工作流程（三种模式切换）：论文Experimental部分及Figure 4；

4. 实验样品为5nm级工艺集成电路裸片：论文Experimental部分；

5. 去层窗口尺寸为100×100 µm²：论文Experimental部分；

6. 样品台倾斜角度52度：论文Experimental部分；

7. 逻辑单元和SRAM逐层C-AFM成像结果：论文Figure 7、Figure 8；

8. 扫描EBIC显微术（SEBICM）技术原理及结果：论文相关章节及Figure 9；

9. 堆叠裸片封装案例研究（接地沟槽、漏电栅极定位、TEM确认栅氧化层击穿）：论文Case Study部分及Figure 10-12。

图片来源

本文配图均取自该论文 Figure 1–12，版权归原作者及 ASM International 所有。

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