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SEM-based Nano-probing

技術原理

在高效能運算的需求下,先進製程逐漸邁向後摩爾時代,製程節點越趨縮小,已然來到了 5nm,不久的將來更是會再進入到 3nm 與 2nm 的極限工藝中,而且元件已從過往平面式的結構轉變成 3D 類型的 FinFET 與 GAA 製程,其間製程的變化真的是讓人耳目一新。因製程日趨微縮,舊有可量測單一元件的 AFM-based nano-probing 奈米探針技術已追趕不上,必須以 SEM-based nano-probing 方可執行,才能確認先進製程樣品的形貌與後續的電性量測分析。

 

在 SEM 環境下,以低加速電壓分析可清楚且微觀地觀察奈米級電晶體的表面形貌,並可進行電性量測與準確定位失效點,進而推導出元件的失效模式;而低加速電壓的電子束亦可避免樣品表面汙染及電晶體特性的飄移。nP4 綜合以下各項功能與優勢,針對先進製程產品提供更多可選擇的分析項目,目前最小製程技術已可成功量測 5nm FinFET。以下詳細介紹各項功能:

 

 

1.I-V Curve Measurement

奈米探針對元件來說是非破壞性的電性量測,主要用於確認元件特性曲線與漏電路徑,以增加缺陷查找的成功率,避免發生樣品遭到破壞後無法進一步分析的窘境。配合 SEM 觀察可使探針與目標有更佳的接觸,使電性量測的環境更加穩定。

 

其操作電壓最低可至 100eV,可以有效避免在試片內的電荷累積所產生的電性飄移問題。舉例來說,7nm 的元件在 1KeV 的加速電壓下操作,其電性行為已與低加速電壓下有明顯的差異,對分析工程師來說,便會造成誤判的可能。

 

 

圖一 7nm 元件在不同加速電壓下的操作,其加速電壓最低可至 100eV 

 

 

 

2.Thermal Stage

製程越趨先進、產品日新月異,先進產品的普及化所要面對的是更嚴苛的使用環境,舉凡高功率下的高溫,以至於高緯度下的低溫操作。nP4 設備附加控溫載台,可提供樣品在不同的環境溫度下進行電性分析,此功能是元件與電路設計工程師絕佳的分析利器。

* 機台可調整的溫度範圍:-40~150oC

 

 

圖二 元件升降溫量測的程序

 

 

 

3.EBIC Analysis

 

 

4.EBAC Analysis

 

 

5.EBIRCH Analysis

 

 

6.750ps pulsed IV

一般在進行 IV 量測時,電壓掃描的方式是階梯式的逐步上升,意即每個電壓點給予一個定電壓並持續一段時間後,再進入到下一個電壓點。但是如果遇到有電阻或電容的效應時,惟有脈衝式的給電才能量測出此類的 RC 效應。通常市面上的參數分析儀皆附有此功能,而 nP4 也具備這樣的能力,且其週期可短至 750ps,代表的是抓取延遲效應的能力較強。

 

透過供應閘極脈衝電壓-電流,可生成電晶體開關時的暫態波形,以此得知電晶體開關時的電壓上升與下降的延遲時間,再藉由正常品及失效品的波形比對,判斷閘極的接合是否有異常,以及偵測閘極氧化層是否有漏電現象。

 

 

圖三 高速的 pulsed IV 量測功能,可測出因電阻或電容問題造成的元件時脈延遲現象

 

 

 

7.C-V Measurement

C-V 主要是量測 MOS 電容元件的特性,藉由施加電壓於元件,其會間接影響金屬層間介電層或閘極氧化層的電荷變化,透過正常品及失效品的電容值量測,以此推算絕緣層的厚度以及品質判斷。

 

 

圖四 藉由比較元件的 ID-VG 特性而推斷出元件通道的問題,並由 TEM 得到驗證

 

 

 

 

機台種類

nProber IV - 4th Generation SEM Based NanoProber

 

 

 

 

 

常見問題

Q1.如在 SEM 環境下量測 I-V Curve,是否會影響電性呈現?

A:執行點針時,以 Low kV 環境執行點針,且探針點到目標並接著量測 I-V Curve 時,會關閉電子束掃描,以避免過多電子束對樣品電性造成影響。

 

 

Q2.什麼狀態下可執行 EBIRCH?

A: EBIRCH以檢測 short 及 high impedance defect 為主

  • EBIRCH:各層 Metal 間以及 Poly/Contact 層有 Short defect or High impedance 現象
  • EBIC:GOX/Junction(Poly/Contact層) 有 Leakage 現象
  • EBAC:各層 Metal 間有 Open or High impedance 現象

 

 

Q3.閘極氧化層崩潰 (gate oxide breakdown) 該如何找出失效真因?

A:利用EBIC技術,就可以輕易找到閘極氧化層崩潰的位置喔!由於電子束撞擊樣品時產生電子電洞對,再經由點針構成的迴路形成電流,就可以由電流影像來判斷缺陷的位置。

 

 

 

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