SEM-based Nano-probing
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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：
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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
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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
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3．EBIC Analysis |
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4．EBAC Analysis |
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5．EBIRCH Analysis |
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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
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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
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机台种类 |
nProber IV - 4th Generation SEM Based NanoProber |
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常见问题 |
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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。
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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
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EBIC：GOX/Junction(Poly/Contact 层)有 Leakage 现象
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EBAC：各层 Metal 间有 Open or High impedance 现象
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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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