eSPM（电学扫描探针显微镜）技术在先进存储器开发中的应用

方向一变，难点也跟着换了。工程师现在头疼的不再是线宽，而是：在几百层叠起来的结构里打一个又深又细的孔，孔壁会不会歪、孔底的材料到底填进去没有、这条电流通路究竟通不通。

这些问题有一个共同的麻烦——它们都是电学问题，却又都测不到具体位置。

这张图把 SPM 在半导体领域的用武之地压缩在了一页里。横向是三大器件族——存储器、功率器件、逻辑器件；每一块器件上方的黄色标注，写明了它对应的评价对象和所用的 SPM 模式。

图的标题很直白：局部电学特性、纳米探针、二维/三维成像。

这就是 eSPM（电学扫描探针显微镜） 的定位。它不是又一种"看形貌"的显微镜——那件事 SEM 和 TEM 做得更好。它的独门本事，是把"电"这个物理量变成一张纳米分辨率的图像：哪里电阻高、哪里漏电、哪里存了电荷、哪里的载流子浓度掉了下去，都能在图上指出具体位置。

对开发和失效分析来说，这个差别是决定性的。晶圆级的电学测试能告诉你"这颗芯片不合格"，却告诉不了你"是第 137 层的那根通孔底部没有打穿"。

回到图的上半部分。存储器那一行放了四种结构，从左到右恰好是一部技术演进史，而每一种都有自己的病灶。

FG-NAND（浮栅型） ——图中最左，控制栅、浮栅、隧穿氧化膜层层叠起。电荷靠隧穿穿过那层极薄的氧化膜写入浮栅，问题也正出在这层膜上：只要局部存在一点缺陷，电荷就会缓慢漏掉，数据保持能力随之下降。对应图上的两条标注——隧穿膜的局部漏电流用 C-AFM（导电原子力显微镜） 评价，源漏扩散层则用 SSRM（扫描扩展电阻显微镜） 观察。

MONOS（电荷陷阱型） ——图中那两个同心圆环示意的就是它。电荷不再存放在导电的浮栅里，而是被"陷"在氮化硅层中。好处是抗漏电，代价是电荷分布本身变得极难测量：它是一片弥散的电荷云，而不是一个电位明确的电极。图上给出的方案很巧妙——先用探针在局部把电荷写进去（标注中的"光刻式"局部写入），再用 KFM（开尔文探针力显微镜） 读出表面电位分布，直接看到电荷写在了哪里、有没有横向扩散。

BiCS（3D NAND） ——图中蓝色那一块，也是本文的重点，下一节展开。

ReRAM（阻变存储器） ——靠在介质中形成、断开一根纳米级的导电细丝来记录 0 和 1。整个器件的性能，取决于这根肉眼绝无可能看见的丝长在哪、多粗、断在何处。图上给的方案是 C-AFM 配合 SSRM，做局部动作观测与细丝的三维还原。

四种结构，四种问题，共同点是：要看的东西都是电学的，都是局部的，而且都藏在器件内部。

3D NAND 的基本思路，是把原本平铺的存储单元竖起来。图中蓝色区域里，绿色的是水平堆叠的字线（层数就是"多少层"里的那个层），红色的是顶部的位线（Bit line），而那些白色的柱子，就是贯穿整个堆叠的高深宽比接触插塞（High AR Contact plug）。

存储器件靠堆叠通孔的材料与导电连通取胜——说的正是这些柱子。

第一，深宽比极端。 层数越堆越多，孔的深度成比例增长，孔径却不能跟着变粗。一根数微米深、直径不足百纳米的孔，深宽比可达数十比一。刻蚀气体与副产物要在这么细长的通道里进出，孔形几乎必然失真：中段鼓出、上宽下窄、深处扭曲，严重时根本没能打穿最底层。

第二，填充比刻蚀更难。 孔打好只完成了一半，还要把阻挡层和金属填进去，而且要一直填到孔底。深处的台阶覆盖率一旦不足，孔底就会留下空洞、残留物或过薄的阻挡层——从形貌上看孔是通的，从电学上看它是断的，或者电阻高出一个数量级。

第三，层与层之间天然不一致。 为了把每一层字线引出来，3D NAND 采用阶梯结构，这意味着不同层的接触插塞深度完全不同。同一道刻蚀要兼顾最浅和最深的那一根，各层接触电阻的离散几乎不可避免。这种离散通常不会让芯片直接报废，而是表现为某几层的读写窗口变窄、可靠性劣化——恰恰是最难查的那一类问题。

SEM 和 TEM 给出的是形貌与成分。它们能拍出孔壁的弯曲，也能看到孔底有没有残留物，但回答不了那个最关键的问题：这条通路的电阻是多少，它到底通不通。 一个填充看起来完美、界面却生成了一层薄氧化物的通孔，在 TEM 图像上和一个好通孔几乎无法区分。

反过来，器件级与晶圆级的电学测试测的确实是"电"，但空间信息全部丢失。它只给出一个数值，告诉你这条串联通路总电阻偏高；至于是哪一层、哪一根、孔的哪个位置出了问题，无从判断。

形貌与电学之间的这道缝，正是 eSPM 所填的位置。

具体是这样一条链路：

先用 FIB（聚焦离子束） 把样品切开，暴露出穿过通孔的剖面；再让导电探针在剖面上逐点扫描——SSRM 施加偏压测量局部扩展电阻，得到一张二维电阻分布图，掺杂区、金属、阻挡层与缺陷处的电阻差异会以图像方式直接呈现；C-AFM 则测局部电流，可以逐根通孔比较导通能力，把"这一根偏高"精确定位出来。

再进一步，把剖面逐层削去一薄层、扫描一次，如此重复若干轮，将每一层的电阻图像堆叠起来，就得到了这根通孔的三维电学重构。原图标题里的"2D/3D 成像"，指的正是这件事。

走到这一步，问题的描述就从"这颗芯片电阻偏高"，变成了"第几层的哪一根通孔、在距孔底多少纳米处存在高阻区"。这是能够直接反馈给刻蚀与薄膜工艺去调整参数的信息。

回到总图的下半部分。功率器件中，超结 MOSFET（Si-SJ）的深槽扩散层均匀性由 SSRM 评价；GaN 功率器件中，可用 SSRM 测量局部电阻，并在标样校准后表征载流子分布；SMM 则用于观察微波阻抗、电容等局部高频电学响应。逻辑器件那一格写得最简洁——扩散层故障解析，SSRM。

器件不同、工艺不同，问题的表现形式各异，但底层需求是同一个：在纳米尺度上，把电学特性变成一张能指出位置的图。

这既是 eSPM 的价值，也是这张图想说的全部内容。

上海国智维科技发展有限公司专注于纳米尺度电学分析与新一代半导体分析技术，提供高灵敏度高真空 SSRM、C-AFM、SCM、SMM 等电学 SPM 分析服务，并可结合 FIB 精准制样与 SEM-EDS / TEM-EDS 形貌成分互证，形成从制样、二维电学成像到三维重构的完整分析链路，覆盖存储器件、功率器件、第三代半导体（GaN/SiC）、图像传感器等应用方向。

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