SEM-based Nano-probing
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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：
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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
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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
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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
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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
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機台種類 |
nProber IV - 4th Generation SEM Based NanoProber |
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常見問題 |
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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。
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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
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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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