首頁 技術文庫 名針探精準定位 讓奈米電性量測找出缺陷

名針探精準定位 讓奈米電性量測找出缺陷

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名針探精準定位 讓奈米電性量測找出缺陷

by ruby

發佈日期:2022/11/22奈米電性量測,
發佈單位:iST宜特

當奈米級先進製程的元件發生故障,要找出微小尺度下的缺陷,該透過何種電性量測精準定位?

奈米電性量測

各國大廠近年致力挑戰3奈米、2奈米微縮角力戰,製程技術是一場永無止境的競爭。當研發遇上瓶頸時,無論是IC設計、晶圓製造、測試、封裝等,都需要故障分析輔助來釐清問題所在。

而先進製程中的故障分析,對於研發與產能來說更是至關重大,但元件尺寸越做越小,如何在僅有數奈米的微小尺度下,進行電晶體的特性量測以及缺陷處定位則成為了一大難題。

奈米探針電性量測(Nano-Probing) 對上述問題有極大幫助,奈米探針系統是由奈米探針與掃描式電子顯微鏡 (SEM) 兩個系統整合而成的工具,SEM的奈米級高解析度搭配尺寸極小的奈米探針,

不管是精確定位出一個奈米級的電晶體位置進行電晶體特性量測,或是一個奈米級的異常點定位分析,都能夠因該奈米探針系統的應用而被一一實現。本期宜特小學堂將與您分享「如何利用奈米探針系統,定位缺陷位置的應用方式」。

奈米電性量測

奈米電性量測

何謂奈米探針系統(Nano-Prober)

奈米探針系統係透過配備在電子顯微鏡中極小曲率半徑探針,搭接IC內部線路或接觸層(Contact Layer),來達到電性量測或缺陷定位的分析機台系統。在電性量測部分,可透過外接電性量測設備經微小探針輸入訊號並進行量測電特性曲線;此外,亦可應用電子顯微鏡裡電子束的特性,進行相關缺陷定位應用分析,包括電子束感應電流(Electron Beam Induced Current,簡稱EBIC)、電子束吸收電流(Electron Beam Absorbed Current,簡稱EBAC )、電子束感應阻抗偵測 (Electron Beam Induced Resistance Change,簡稱EBIRCH)。

  • 一、電子束吸收電流(Electron Beam Absorption Current ,簡稱EBAC)

    圖一為電子束吸收電流(EBAC)的示意圖,當電子顯微鏡中的電子束(E-beam)照射在樣品上並掃描至某定點時,若此處為金屬導線且有透過奈米探針導通,則電子會被元件中的金屬導線吸收,再經由奈米探針(Nano-Probe)導出至放大器(Amp),進而得到該位置的吸收電流,經由訊號處理可以形成電流影像,我們將其稱為EBAC影像。

    奈米電性量測

    圖一:EBAC示意圖

    而前述提到有電流導出的位置,在電流影像上會形成亮區。反之,若此處「不為金屬導線」或是發生「開路(Open)」的異常現象,造成探針無法獲得電流,則在電流影像成像上為暗區。通常亮暗區交接處即為導線發生開路異常的位置。

    電子顯微鏡中的二次電子影像(Secondary Electron image,簡稱SE),可以反映元件的表面形貌(Topography),將EBAC影像與二次電子影像兩者搭配疊圖後,可以得到元件表面的電流走向分布。這樣的量測方式可以偵測出整個導線的走向分布,若導線中有開路異常,可以經由好、壞品比對或是與走線佈局(Layout)對照,即可定位出發生異常的精確位置。

    下圖是實際案例,圖二(左)為電路佈局圖(Layout),圖二(右)為EBAC影像重疊於SEM二次電子影像上所做出的疊圖,亮起來的區域表示吸收到電子束中的電子,經由奈米探針導出至參數分析儀的電流。對照圖二(左),我們可以明確地看出導線走向分布,宜特故障分析實驗室就是藉著這樣的方式,來判斷導線有無故障、開路等等異常。

    這個案例是導線末端有開路異常,而EBAC影像亮暗交界處即為開路異常的發生位置。EBAC除了常用於金屬導線的量測與狀況判斷之外,亦可以用來判斷閘極氧化層(Gate Oxide)的異常漏電偵測。

    奈米電性量測

    圖二(左):電路佈局圖(Layout);圖二(右):EBAC影像重疊SEM二次電子影像

  • 二、電子束誘發電流(Electron Beam Induced Current,簡稱EBIC)

    在P-N Junction中間會形成「空乏區(Depletion Region)」(圖三中間的黃色區域),空乏區內會形成「內建電場(Build-in Electric Field)」。當電子顯微鏡的電子束照射在正負接面(P-N Junction) 時產成的電子電洞對 (Electron-Hole Pair)透過內建電場作用而誘發的電流量測 (參見圖三)稱之為電子束誘發電流(EBIC) ,形成電流後再經由奈米探針導出至放大器(Amp) ,最後形成電流影像。以材料常見的矽(Si)舉例,激發一對電子電洞對所需的能量為3.6eV。

    奈米電性量測

    圖三: EBIC示意圖

    EBIC可以分析P-N Junction中的特性,像是內建電場強度分布影像,或是更進階的藉由強度分布去推算載子的擴散長度(Diffusion Length),這些資訊對於材料特性的分析相當有幫助。

  • 三、電子束誘發阻抗變化(Electron Beam Induced Resistance Change,簡稱EBIRCH)

    EBIRCH的原理與雷射光束電阻異常偵測(OBIRCH) 相同,差異只是在OBIRCH所用的激發源為「雷射」,受限於雷射波長的關係,其空間解析度約為微米(µm)等級;而EBIRCH的激發源為電子顯微鏡的「電子束」,其波長遠小於雷射,因此可以將空間解析度提升至奈米(nm)等級,進而可更精準地定位出缺陷位置,大幅增加後續進行物性故障分析(PFA)的缺陷呈現能力與穿透式電子顯微鏡(TEM)分析的成功率。

    奈米電性量測

    圖四: EBIRCH示意圖

    當電子束照射在樣品上,因為不同物質的升溫係數不同與熱電效應(Seebeck Effect)的雙重影響,導致缺陷異常處的阻抗與正常處不同,經由好壞品的比對,便可以定位出缺陷的異常位置。

    EBIRCH分析時,可透過施加不同偏壓條件的往復選定,來進行更精準的異常位置定位。EBIRCH的用途廣泛,通常可以用來針對短路(Short)、漏電(Leakage)或高阻抗(High Resistance)的異常進行偵測與定位。

    圖五的實際案例是在電性量測發現有漏電,於是先在接觸層(Contact Layer)利用奈米探針系統對相關位置進行點針,得到EBIRCH影像(圖五(左)),之後再將EBIRCH與二次電子影像疊加後,可以準確找出故障的接觸點(圖五(右)),提供後續進行PFA或TEM分析的精確定位。

    奈米電性量測,EBIRCH

    圖五:EBIRCH與二次電子影像疊加後準確找出故障接觸點

在半導體奈米級製程持續開發且不斷精進的路上,宜特科技能夠根據客戶所需,善用奈米探針搭配電子顯微鏡進行精準量測,無論是電晶體的特性量測或是故障分析,即使缺陷藏在未知的角落,都可以透過這次小學堂介紹的奈米探針系統,協助您精準定位以加速產品的開發流程。

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