Quando la tensione diventa un’informazione.
Nell’analisi dei dispositivi elettronici esistono situazioni in cui osservare la sola morfologia o la composizione chimica di un campione non è sufficiente. Un circuito integrato può apparire perfettamente integro al microscopio elettronico, senza evidenti difetti strutturali, eppure non funzionare correttamente. In questi casi diventa fondamentale capire se ogni linea conduttrice, contatto o componente si trovi effettivamente al potenziale elettrico previsto.
Utilizzando un FEG-SEM dotato di detector In-Lens e di un sistema di ottica elettronica avanzato, come il Dynamic Hybrid Objective (DHO) di Ciqtek, è possibile acquisire immagini in contrasto di potenziale (Voltage Contrast, PVC/AVC), un tipo di contrasto d’immagine che deriva da differenze locali di potenziale elettrico sulla superficie del campione.
Fig.1 – Micrografie di circuito integrato acquisite con un rivelatore ad alta sensibilità che utilizza le modalità di contrasto di campo e di contrasto di potenziale. Una delle resistenze è polarizzata a +2 V, mentre le altre sono collegate a massa. Le resistenze a massa, così come i contatti, sono chiaramente visibili sullo sfondo del substrato (i contatti appaiono più scuri e le resistenze più chiare rispetto allo sfondo grigio del substrato).
Il principio fisico alla base del contrasto di potenziale è legato agli elettroni secondari emessi dalla superficie del campione.
La loro energia e la probabilità di essere raccolti dal detector dipendono anche dal potenziale elettrico locale. Una variazione di pochi volt è sufficiente a modificare il numero di elettroni che raggiungono il rivelatore, generando differenze di luminosità nell’immagine.
In questo modo il SEM non fornisce solo informazioni sulla morfologia/topografia della superficie, ma anche informazioni sullo stato elettrico delle diverse regioni del campione. Nel caso di una failure analysis su un microchip difettoso, ad esempio, nelle immagini SEM in contrasto di potenziale una porzione di una pista metallica appare con una luminosità differente rispetto al resto del circuito.
Sebbene la superficie sia perfettamente continua, quella variazione di intensità rivela che il potenziale elettrico locale è diverso da quello delle aree circostanti. L’anomalia può essere causata da un’interruzione interna, da un contatto difettoso o da un collegamento non funzionante, impossibili da individuare con il solo contrasto topografico.
Nell’industria dei semiconduttori il contrasto di potenziale viene impiegato per verificare la continuità delle piste metalliche, individuare cortocircuiti o circuiti aperti, controllare il corretto funzionamento dei collegamenti tra i diversi livelli di metallizzazione e supportare le attività di debugging e failure analysis. La tecnica è inoltre utile nello studio dei fenomeni di carica nei materiali isolanti, consentendo di distinguere aree che accumulano carica elettrica da regioni correttamente dissipative.
Esistono due modalità di sfruttamento del contrasto di potenziale, che si distinguono per il modo in cui viene generata la differenza di potenziale sul campione.
Nel Passive Voltage Contrast (PVC), il dispositivo non è alimentato e il contrasto nasce spontaneamente perché alcune aree del campione si caricano in modo diverso oppure sono elettricamente isolate. Ad esempio: una pista metallica interrotta può caricarsi durante l’irraggiamento con il fascio elettronico; un pad non collegato (“floating node”) assume un potenziale diverso rispetto a un pad connesso a massa; materiali isolanti accumulano carica in modo differente.
Queste differenze modificano l’energia degli elettroni secondari emessi e quindi la loro raccolta da parte del detector In-Lens. Il PVC è molto diffuso perché è veloce e non richiede strumentazione aggiuntiva; è utilizzato ad esempio per un’ispezione rapida dei wafer.
Nel Active Voltage Contrast (AVC), invece, il circuito viene alimentato durante l’osservazione. In questo caso ogni nodo assume il proprio potenziale operativo e il SEM visualizza direttamente tali differenze.
È quindi possibile osservare: linee che commutano, porte logiche, transistor in conduzione o interdizione, distribuzione delle alimentazioni, eventuali anomalie nel funzionamento. L’AVC permette di studiare il comportamento funzionale del dispositivo e non soltanto la sua struttura, ed è utilizzato per debugging di circuiti integrati e failure analysis avanzata.
Sia il PVC sia l’AVC dipendono dalla capacità di rivelare elettroni secondari a bassissima energia, estremamente sensibili alle variazioni di potenziale superficiale.
Nei FEG-SEM di Ciqtek, il Dynamic Hybrid Objective (DHO) utilizza campi elettrostatici e magnetici combinati per guidare e filtrare questi elettroni verso il detector In-Lens.
Il DHO combina due modalità di funzionamento: modalità immersiva (immersion mode), in cui il campo magnetico della lente penetra fino al campione, e modalità non immersiva (field-free mode), dove il campione resta fuori dal campo magnetico. “Dynamic” significa che il sistema può passare dinamicamente tra queste condizioni o combinarle, a seconda delle esigenze.
Gli elettroni secondari a bassa energia vengono guidati in modo selettivo per consentire un imaging a contrasto di potenziale (PVC/AVC) ad elevata sensibilità, che permette di rilevare differenze di pochi volt o anche inferiori, con elevata risoluzione spaziale.
In Fig.2 è riportato un esempio di immagine SEM di difetti scuri rilevati su una struttura SRAM.
Fig.2 – Immagine SEM di difetti scuri rilevati su una struttura SRAM: nelle vie di contatto condivise (shared contact plugs) sono identificabili due differenti tipologie di difetti: una con contrasto più marcato (a) e una con contrasto più debole (b).
In questo studio è stato sviluppato un metodo quantitativo per la failure analysis di circuiti integrati, che permette di stimare la resistenza elettrica di difetti nei contatti di una memoria SRAM direttamente dalle immagini SEM in Voltage Contrast. Invece di utilizzare il contrasto di potenziale solo per individuare la presenza di un difetto, gli autori dimostrano che, mediante un modello elettrico calibrato con misure I-V, è possibile correlare la luminosità dell’immagine al valore della resistenza del difetto, ottenendo così una stima quantitativa utile per il controllo di processo e l’ispezione in linea dei dispositivi semiconduttori.
Il principale vantaggio del contrasto di potenziale è che permette di ottenere informazioni funzionali senza modificare il campione e senza ricorrere a tecniche di analisi più invasive. In molti casi è possibile localizzare rapidamente il punto critico di un dispositivo elettronico, riducendo i tempi di indagine e guidando con maggiore precisione eventuali analisi successive, come sezionamenti mediante FIB o caratterizzazioni TEM.
In un contesto in cui la miniaturizzazione dei componenti rende sempre più difficile individuare l’origine di un guasto, il contrasto di potenziale trasforma il SEM in uno strumento capace non solo di osservare la struttura di un dispositivo, ma anche di visualizzarne il comportamento elettrico. È questa capacità di correlare informazioni morfologiche ed elettriche che rende il contrasto di potenziale una risorsa indispensabile per la moderna diagnostica dei dispositivi microelettronici.
Fonti delle immagini:
Fig.1 – V.G. Dyukov, S.A. Nepijko, G. Schönhense, Chapter Two – Voltage Contrast Modes in a Scanning Electron Microscope and Their Application, Editor(s): Peter W. Hawkes, Advances in Imaging and Electron Physics, Elsevier, Volume 196, 2016, Pages 165-246. https://doi.org/10.1016/bs.aiep.2016.04.010
Fig.2 – Miyako Matsui, Tasuku Yano, Takayuki Odaka, et al. “Quantitative measurement of voltage contrast in scanning electron microscope images for in-line resistance inspection of incomplete contact,” Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS 11(2), 023008 (7 Jun 2012). https://doi.org/10.1117/1.JMM.11.2.023008
