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永续报告书

SEM-based Nano-probing

技术原理

在高效能运算的需求下,先进工艺逐渐迈向后摩尔时代,工艺节点越趋缩小,已然来到了 5nm,不久的将来更是会再进入到 3nm 与 2nm 的极限工艺中,而且元件已从过往平面式的结构转变成 3D 类型的 FinFET 与 GAA 工艺,其间工艺的变化真的是让人耳目一新。因工艺日趋微缩,旧有可量测单一元件的 AFM-based nano-probing 纳米探针技术已然追赶不上,必须以 SEM-based nano-probing 方可执行,才能确认先进工艺样品的形貌与后续的电性量测分析。

 

在 SEM 环境下,以低加速电压分析可清楚且微观地观察纳米级晶体管的表面形貌,并可进行电性量测与准确定位失效点,进而推导出元件的失效模式,而低加速电压的电子束亦可避免样品表面污染及晶体管特性的飘移。nP4 综合以下各项功能与优势,针对先进工艺产品提供更多可选择的分析项目,目前最小工艺技术已可成功量测 5nm FinFET。以下详细介绍各项功能:

 

 

1.I-V Curve Measurement

纳米探针对元件来说是非破坏性的电性量测,主要用于确认元件特性曲线与漏电路径,以增加缺陷查找的成功率,避免样品遭到破坏后无法进一步分析的窘境,配合 SEM 观察可使探针与目标有更佳的接触,使电性量测的环境更加稳定。

 

另其操作电压最低可至 100eV,可有效避免在试片内的电荷累积所产生的电性飘移问题。举例来说,7nm 的元件在 1KeV 下的加速电压下操作,其电性行为已与低加速电压下有明显的差异,对分析工程师来说,便会造成误判的可能。

 

 

图一 7nm 元件在不同加速电压下的操作,其加速电压最低可至 100eV 

 

 

 

2.Thermal Stage

工艺越趋先进,产品日新月异,先进产品的普及化所要面对的便是更严苛的使用环境,举凡高功率下的高温,以至于高纬度下的低温操作;nP4 设备附加控温载台,可提供样品在不同的环境温度下进行电性分析,此功能是元件与电路设计工程师绝佳的分析利器。

* 机台可调整的温度范围:-40~150oC

 

 

图二 元件升降温量测的程序

 

 

 

3.EBIC Analysis

 

 

4.EBAC Analysis

 

 

5.EBIRCH Analysis

 

 

6.750ps pulsed IV

一般在进行 IV 量测时,电压扫描的方式是阶梯式的逐步上升,意即每个电压点是给予一个定电压并持续一段时间后,再进入到下一个电压点。但是如果遇到有电阻或电容的效应时,惟有脉冲式的给电才能量测出此类的 RC 效应,通常市面上的参数分析仪皆附有此功能,而 nP4 也具备这样的能力,且其周期可短至 750ps,代表的是抓取延迟效应的能力较强。

 

透过供应闸极脉冲电压-电流,可生成晶体管开关时的瞬时波形,以此得知晶体管开关时的电压上升与下降的延迟时间,再藉由正常品及失效品的波形比对,判断闸极的接合是否有异常,以及侦测栅极氧化层是否有漏电现象。

 

 

图三 高速的 pulsed IV 量测功能,可测出因电阻或电容问题造成的组件频率延迟现象

 

 

 

7. C-V Measurement

C-V 主要是量测 MOS 电容组件的特性,藉由施加电压于组件,其会间接影响金属层间介电层或栅极氧化层的电荷变化,透过正常品及失效品的电容值量测,以此推算绝缘层的厚度以及质量判断。

 

 

图四 藉由比较元件的 ID-VG 特性而推断出组件 channel 的问题,并由 TEM 得到验证

 

 

 

 

机台种类

nProber IV - 4th Generation SEM Based NanoProber

 

 

 

 

 

常见问题

Q1.如在 SEM 环境下量测 I-V Curve,是否会影响电性呈现?

A:执行点针时,以 Low kV 环境执行点针,且探针点到目标并接着量测 I-V Curve 时,会关闭电子束扫描,以避免过多电子束对样品电性造成影响。

 

 

Q2.什么状态下可执行 EBIRCH?

A:EBIRCH 以检测 short 及 high impedance defect 为主

  • EBIRCH:各层 Metal 间以及 Poly/Contact 层有 Short defect or High impedance现象
  • EBIC:GOX/Junction(Poly/Contact 层)有 Leakage 现象

  • EBAC:各层 Metal 间有 Open or High impedance 现象

 

 

Q3.栅极氧化层崩溃 (gate oxide breakdown) 该如何找出失效真因?

A:利用 EBIC 技术,就可以轻易找到栅极氧化层崩溃的位置喔!由于电子束撞击样品时产生电子电洞对,再经由点针构成的回路形成电流,就可以由电流影像来判断缺陷的位置。

 

 

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