Microscopía de barrido de microondas para el análisis Semiconductor fracaso

Por Wenhai Han

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Semiconductores Análisis de Fallas

Análisis de fallas es un proceso vital en el desarrollo de nuevos productos y / o la mejora de productos existentes en el sector de los semiconductores. Análisis de fallos de éxito puede identificar la causa raíz de un dispositivo que ha fallado y orientar las acciones correctivas.

Análisis de semiconductores fracaso a menudo implica una serie de diferentes técnicas, tales como la curva de la localización, el microscopio electrónico de barrido, microscopía electrónica de transmisión, microthermography, y el análisis se centró haz de iones. Varias técnicas basadas en la microscopía de fuerza atómica (AFM) , tales como la microscopía de barrido de capacidad, conductor AFM , y microscopía de barrido de la difusión de resistencia, también se han utilizado para el análisis de los diversos dispositivos no [1].

En este artículo, el análisis de fallos de semiconductores utilizando Agilent Technologies recientemente desarrollados microscopía de barrido de microondas (SMM) [2-5] se demuestra.

Introducción a la SMM

Microscopía de barrido de microondas combina la alta resolución espacial que ofrece un microscopio de fuerza atómica (AFM) con las capacidades de medición de alta sensibilidad eléctrica de un analizador de redes vectorial (VNA). En SMM [2], una señal de microondas de incidentes generados por la AVN pasa a través de un circuito de resonancia emparejado en el AFM y llega al final de una sonda conductora, que está en contacto con la superficie. El horno de microondas reflejada por el punto de contacto es detectado por la sonda y volvió a la VNA.

Mediante la medición del coeficiente de reflexión complejo, o el parámetro S11, la capacidad / impedancia en el punto de contacto se obtiene de la VNA. En la práctica, las señales asignadas son el logaritmo de la amplitud del coeficiente de reflexión, etiquetado como VNA amplitud y la fase de VNA. Después de la calibración adecuada, la capacidad de contacto / impedancia se pueden derivar de la amplitud de la VNA y los valores de fase. Antes de la introducción de SMM , sólo mediciones cualitativas se ha utilizado para este tipo de trabajo de análisis de fallas.

Agilent exclusiva SMM trabaja en todo tipo de semiconductores importante: Si, Ge, III-V (por ejemplo, GaAs, InAs, GaN), y II-VI (por ejemplo, CdTe, ZnSe). A diferencia de las técnicas de barrido con sonda capacitiva, SMM no requiere una capa de óxido. También es una excelente elección para una amplia gama de aplicaciones de las ciencias biológicas y materiales, incluyendo la caracterización de las propiedades de la interfase y el contraste de modos de vibración molecular. Además de su capacidad para trabajar en los semiconductores, cristales, polímeros, cerámicas y metales, la técnica permite Agilent AFM los usuarios a realizar investigaciones de alta sensibilidad de dieléctrico ferroeléctricos, y los materiales PZT. Los estudios de películas orgánicas, las membranas, las muestras biológicas, y los canales iónicos también pueden beneficiarse de la utilización de SMM.

SMM para los semiconductores

Cuando una sonda de metal está en contacto con una superficie de silicio, se forma un óxido de metal-semiconductor condensador - ha estudiado bien en física de semiconductores [6]. En una versión simplificada de un modelo tridimensional, la capacidad total proviene de las contribuciones de los dos condensadores conectados en serie: el óxido de la superficie de la capa dieléctrica con una capacidad fija y debajo de la capa de agotamiento en el substrato de silicio con una capacidad variable.

La variación de la capacitancia de la capa de agotamiento en respuesta a una polarización aplicada ac está determinada por la profundidad de agotamiento, que es a su vez en gran medida por la concentración de dopante en el sustrato. Por lo tanto, al medir la variación de la capacidad inducida por la polarización aplicada CA o DC / DV, la concentración de dopante en cada punto de contacto se pueden asignar. Cualquier fallo debido a la concentración de dopante anormales pueden ser identificados a partir de la imagen de DC / DV, simultáneamente con la imagen capacitancia medida de la amplitud de la señal VNA.

Experimento

La muestra está probando un depackaged 250nm memoria de acceso aleatorio estática (SRAM) de chips. Una unidad estándar de la célula SRAM poco contiene seis transistores de efecto campo (FET): dos de tipo p FET en una n-dopado bien y cuatro de tipo n FET en un p vecino también. Entre los miles de células poco en el chip, se encontró a nadie no. Dentro de la poco no, un n-tipo FET se midió con un umbral de tensión anormal Vermont fue la 48 ª n de tipo FET de esa fila, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Óptico de la imagen de una pequeña sección de la memoria SRAM prueba. El bit no contiene un FET del tipo n (el 48 en esa fila), con un anormal Vermont

Microscopía de barrido de microondas fue utilizado luego en un intento de encontrar las propiedades inusuales del transistor (es decir, propiedades que difieren de los de los otros transistores, normal). Una sonda Pt puro metal y una sonda de silicio recubierto por conducción fueron utilizados. La sonda Pt metal fue 300 a 400 ìm de largo y de platino sólido montado sobre un sustrato de aluminio. Su constante del resorte se estimó en 0,3 a 0,8 nN / nm, su radio de curvatura de la punta fue de aproximadamente 10 a 20 nm. La sonda de silicio fue de 125 ìm de largo y recubierto con Ti 20nm y 10nm Pt. Su fuente constante nominal fue de 5 nN / nm y tenía un radio de la punta de unos 40 nm.

De exploración se llevó a cabo en condiciones ambientales en el modo de contacto. Seleccionados frecuencias de operación de microondas fueron entre 2 y 5 GHz. La modulación de frecuencia baja fue de alrededor de 80 kHz. La velocidad de exploración fue típicamente 0,5 a 1 línea / seg. Ambos tipos de sondas mostraron consistentes SMM resultados en el chip de SRAM.

Resultados

Para identificar con precisión cualquier posible problema con un nivel suficiente de detalle, cada dos pares de FET en la misma fila que la FET no fueron examinados, de la pareja 43rd/44th a través del par 51st/52nd, como se muestra en la Figura 2. Un total de cuatro conjuntos de imágenes (A, B, C, D) se adquirió en las mismas condiciones. Cada juego contiene topografía (arriba), DC / DV (centro), y la amplitud de VNA (abajo) las imágenes, que fueron obtenidos de forma simultánea. Con fines ilustrativos, aunque el número n de tipo FET en la misma fila que la FET no se describieron con plazas en todas las imágenes.

Figura 2. Cuatro grupos (A, B, C, D) de la digitalización de imágenes de microscopía de microondas en el chip de SRAM no. Cada grupo se compone de la topografía (arriba), DC / DV (centro), y la amplitud de VNA imágenes (abajo), adquirido al mismo tiempo. Los cuadrados rojos del contorno no 48a n de tipo FET, los cuadrados azules son normales n de tipo FET en la misma fila.

Las imágenes de la topografía de la 48 ª n de tipo FET, se indica por los cuadrados rojos en las figuras 2 B1 y C1, no parece haber ninguna diferencia en comparación con la estructura de la otra, normal n de tipo FET (cuadrados azules, así como los marcados en todas las imágenes de la topografía). También fueron muy similares a los observados en otras muestras de SRAM [2, 4].

En las imágenes de DC / DV, sin embargo, la diferencia era notoria. Todo normal n de tipo FET (cuadrado azul) mostraron consistentemente una zona oscura cerca del centro. La oscuridad (baja) el valor de la imagen DC / DV representa p-tipo de dopante del pozo en el canal. El 48 º n tipo FET, por el contrario, era completamente plana sin ningún tipo de cambio, como se muestra en los cuadros rojos de ambas figuras 2 B2 y C2.

El p-dopante falta de señal en la 48 ª n de tipo FET indica claramente un cambio de la estructura de dopantes en el área del canal del transistor. Las imágenes de la amplitud de VNA de la 48 ª n de tipo FET, si se examina detenidamente en las Figuras 2 B3 y C3, también mostró una estructura diferente a los demás, normal n de tipo FET. Esto indica una diferente capacidad / impedancia de valor.

Conclusiones

La utilidad de la microscopía de barrido de microondas para el análisis de semiconductores fracaso se ha demostrado. Imágenes de la concentración de dopante medida de la señal de DC / DV en un chip de SRAM claramente una estructura inusual dopante en un fallido n tipo FET que se diferenciaba de otros, normal n de tipo FET. Imágenes de capacitancia se mide a partir de la amplitud VNA también mostró un contraste diferente en el transistor.

Este experimento ha demostrado que la microscopía de barrido de microondas puede ser una práctica directa de imágenes herramienta para probar una variedad de fallas eléctricas en los dispositivos semiconductores en el micrómetro a escala nanométrica que no son visibles a partir de la estructura de topografía de la superficie.

Referencias

[1] Por ejemplo, P. Tangyunyong y Nakakura CY, J. Vac. Ciencia. Tecnología. A 21, 1539 (2003), T. Tong y Erickson A., ISTFA 2004, Simposio Internacional de Ensayos y Análisis de Fallas, de 42 años (2004).

[2] Wenhai Han, la Nota de Aplicación Agilent 5989-8881EN, 2008.

[3] F. Michael Serry, Nota de aplicación Agilent 5989-8818EN, 2008.

[4] Wenhai Han y Tanbakuchi Hassan, NIMF N º 08, exploración de la sonda Conferencia Internacional de Microscopía, Seattle, junio de 2008.

[5] Wenhai Han, Photonics Spectra, mayo de 2008, p. 58.

[6] EH Nicollian y cervezas JR, MOS (Metal Oxide Semiconductor) Física y Tecnología, Wiley, New York, 1982.

Acerca de Agilent Technologies

Agilent Technologies instrumentos de la nanotecnología que permiten la imagen, manipular y caracterizar una amplia variedad de comportamientos de escala nanométrica-eléctrico, químico, biológico, molecular y atómica. Nuestra creciente colección de instrumentos de la nanotecnología, accesorios, software, servicios y consumibles pueden revelar pistas que necesita para entender el mundo a nanoescala.

Agilent Technologies ofrece una amplia gama de microscopios de alta precisión de fuerza atómica (AFM) para satisfacer sus necesidades de investigación únicas. Agilent instrumentos altamente configurable le permiten ampliar las capacidades del sistema según sus necesidades ocurrir. Manejo de Agilent líder de la industria del medio ambiente / temperatura y los sistemas de fluido líquido superior y permite imágenes de materiales blandos. Las aplicaciones incluyen la ciencia de materiales, electroquímica, polímeros y aplicaciones de ciencias de la vida.

Fuente: Agilent Technologies

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