Scanning Mikrobølgeovn Mikroskopi for Semiconductor Failure Analysis

By Wenhai Han

Innholdsfortegnelse

Semiconductor Failure Analysis

Svikt analyse er en viktig prosess i utviklingen av nye produkter og / eller forbedring av eksisterende produkter i halvlederindustrien. Vellykket feilanalysering kan identifisere årsaken til en mislykket enhet og guide korrigerende tiltak.

Semiconductor svikt analyse innebærer ofte en rekke ulike teknikker, slik som kurve sporing, scanning elektron mikroskopi, transmisjon elektron mikroskopi, microthermography, og fokusert ion stråle analyse. Flere teknikker basert på atomic force mikroskopi (AFM) , for eksempel skanning kapasitans mikroskopi, ledende AFM , og scanning spre motstand mikroskopi, har også blitt benyttet for analyse av ulike mislykkede enheter [1].

I denne artikkelen, halvleder svikt analyse ved hjelp av Agilent Technologies 'nyutviklede scanning mikrobølgeovn mikroskopi (SMM) [2-5] er demonstrert.

Introduksjon til SMM

Scanning mikrobølgeovn mikroskopi kombinerer høy romlig oppløsning som gis av en atomic force mikroskop (AFM) med høy følsomhet elektrisk måling evner av en vektor nettverk analysator (VNA). I SMM [2], passerer en hendelse mikrobølgeovn signal genereres fra VNA gjennom en matchet resonant krets i AFM og når slutten av et ledende sonde, som er i kontakt med en overflate. Den reflekterte mikrobølgeovn fra kontaktpunktet detekteres av sonden og returnert til VNA.

Ved å måle den komplekse refleksjon koeffisient, eller S11 parameter, er kapasitans / impedansen på kontaktpunktet innhentet fra VNA. I praksis det kartlagte signaler logaritmen av refleksjon koeffisient amplitude, merket som VNA amplitude, og VNA fase. Etter skikkelig kalibrering, kan du kontakte kapasitans / impedans være avledet fra VNA amplitude og fase verdier. Før innføringen av SMM , hadde bare kvalitative målinger blitt brukt for denne typen feil analyse arbeid.

Agilent-eksklusiv SMM fungerer på alle store halvleder typer: Si, Ge, III-V (f.eks GaAs, INAS, Gan), og II-VI (f.eks CdTe, ZnSe). I motsetning til scanning-probe kapasitive teknikker, SMM ikke krever en oksidsjiktet. Det er også et ypperlig valg for et bredt spekter av biologiske og materialvitenskap programmer, inkludert karakterisering av grenseflatespenning eiendommer og kontrast fra molekylære vibrasjoner moduser. I tillegg til sin evne til å arbeide på halvledere, glass, polymerer, keramikk og metaller, lar teknikken Agilent AFM brukere utfører høy følsomhet undersøkelser av ferroelectric, dielektriske, og PZT materialer. Studier av organiske filmer, membraner, biologiske prøver, og ionekanaler kan også dra nytte av SMM.

SMM for Semiconductors

Når et metall sonde er i kontakt med en silisium overflate, dannes det en metalloksid-halvleder kondensator - godt studert i halvledere fysikk [6]. I en forenklet en-dimensjonal modell, kommer den totale kapasitansen fra bidragene av to kondensatorer koblet i serie: overflaten oksid dielektriske lag med en fast kapasitans og under uttømming laget i silisium substrat med en variabel kapasitans.

Den kapasitans variant av uttømming lag i respons til et anvendt ac bias bestemmes av uttømming dybde, som igjen er i stor grad påvirket av dopant konsentrasjon i underlaget. Derfor kan ved å måle kapasitansen endre indusert av den anvendte ac bias, eller DC / dV, den dopant konsentrasjonen på hvert kontaktpunkt kartlegges. Eventuelle feil som skyldes unormal dopant konsentrasjon kan deretter identifiseres fra DC / dV image, samtidig med kapasitans bildet målt fra VNA amplitude signal.

Experiment

Prøven blir testet var en depackaged 250nm statisk random access memory (SRAM) chip. En standard SRAM enhet bit celle inneholder seks felteffekttransistorene (FET): to p-type FET i en n-dopet godt og fire n-typen FET i en nabo p godt. Blant tusenvis av litt celler på chip, var en funnet mislyktes. Inne i feilet litt, var en n-type FET målt ha en unormal terskel spenning Vt Det var den 48. n-typen FET i raden, som vist i Figur 1.

Figur 1. Optisk bilde av en liten del av de testede SRAM chip. Den mislykkede bit inneholder en n-type FET (den 48. i den raden) med en unormal Vt

Scanning mikrobølgeovn mikroskopi ble deretter benyttet i et forsøk på å finne noen uvanlige egenskapene til transistoren (dvs. egenskaper som skilte seg fra de andre, normale transistorer). En ren Pt metall sonde og en conductively belagt silisium probe ble begge brukt. Den Pt metall probe var 300-400 im lang og laget av solid platina montert på en aluminium substrat. Dens våren konstant ble estimert å være 0,3 til 0,8 NN / nm; spissen krumningsradius var omtrent 10 til 20 nm. Silisium probe ble 125 im lang og belagt med 20Nm Ti og 10Nm Pt. Den nominelle våren konstant var 5 NN / nm, og den hadde et tips radius på ca 40 nm.

Scanning ble gjennomført under omgivelsesforhold i kontakt modus. Valgte mikrobølgeovn drift frekvenser var mellom 2 og 5 GHz. Den lave frekvensmodulasjon var rundt 80 kHz. Skanningen sats var typisk 0,5 til 1 linje / sek. Begge typer prober viste konsistente SMM resultater på SRAM chip.

Resultater

Å nøyaktig identifisere eventuelle problem med en tilstrekkelig grad av detalj, hver to par FET på samme rad som sviktet FET ble skannet fra 43rd/44th paret gjennom 51st/52nd paret, som vist i Figur 2. Til sammen fire sett av bilder (A, B, C, D) ble kjøpt under samme vilkår. Hvert sett inneholdt topografi (øverst), DC / dV (midten), og VNA amplitude (nederst) bilder, som ble innhentet samtidig. For illustrasjon formål, var det likt antall n-type FET på samme rad som sviktet FET skissert med ruter i alle bilder.

Figur 2. Fire sett (A, B, C, D) for scanning mikrobølgeovn mikroskopi bilder på den mislykkede SRAM chip. Hvert sett inneholder topografi (øverst), kjøpte DC / dV (midten), og VNA amplitude (nederst) bilder samtidig. Den røde firkanter skissere den mislykkede 48nde n-type FET; de blå firkantene er normal n-type FET på samme rad.

Topografien bilder av den 48. n-type FET, skissert av de røde firkanter i figur 2 B1 og C1, ikke synes å ha noen struktur forskjell sammenlignet med de andre, normale n-type FET (blå firkanter samt umerkede seg i alle topografi bilder). De var også svært lik de sett på andre SRAM prøver [2, 4].

I DC / dV bilder, derimot, var forskjellen ganske merkbar. Hver normal n-type FET (blå firkant) konsekvent viste et mørkt område nær sentrum. Den mørke (lav) verdi i DC / dV image representert p-type dopant av brønnen i kanalen. Den 48. n-type FET, derimot, var helt flat uten kontrast, som vist i den røde firkanter av både figur 2 B2 og C2.

Det manglende p-dopant signal i den 48. n-type FET tydelig indikert en endring av dopant strukturen i kanalen området av transistoren. Den VNA amplitude bilder av den 48. n-type FET hvis undersøkt nøye i figur 2 B3 og C3, viste også noen annen struktur sammenlignet med de andre, normale n-type FET. Dette indikerte en annen kapasitans / impedans verdi.

Konklusjoner

Nytten av scanning mikrobølgeovn mikroskopi for halvledere feilanalysering er påvist. Bilder av dopant konsentrasjon målt fra DC / dV signal på en SRAM-brikke klart identifisert en uvanlig dopant struktur i et mislykket n-typen FET som skilte seg fra andre, normal n-type FET. Kapasitans bilder målt fra VNA amplitude viste også en annen kontrast i transistor.

Dette eksperimentet har vist at scanning mikrobølge mikroskopi kan være en praktisk direkte-imaging verktøy for sondering et utvalg av elektrisk feil i halvlederkomponenter i mikrometer til nanometer skala som ikke er synlige fra overflaten topografi struktur.

Referanser

[1] For eksempel, P. Tangyunyong og CY Nakakura, J. Vac. Sci. Technol. En 21, 1539 (2003), T. Tong og A. Erickson, ISTFA 2004, International Symposium for Testing og Failure Analysis, 42 (2004).

[2] Wenhai Han, Agilent Application Note 5989-8881EN 2008.

[3] F. Michael Serry, Agilent Application Note 5989-8818EN 2008.

[4] Wenhai Han og Hassan Tanbakuchi, 08 ISPM, International Scanning Probe Mikroskopi Conference, Seattle, juni 2008.

[5] Wenhai Han, Photonics Spectra, mai 2008, s. 58.

[6] EH Nicollian og JR Brews, MOS (Metal Oxide Semiconductor) fysikk og teknologi, Wiley, New York, 1982.

Om Agilent Technologies

Agilent Technologies nanoteknologi instrumenter la deg bilde, manipulere, og karakteriserer en rekke nanoskala atferd-elektriske, kjemiske, biologiske, molekylære og atomære. Vår voksende samling av nanoteknologi instrumenter, tilbehør, programvare, tjenester og forbruksvarer kan avsløre ledetråder du trenger for å forstå nanoskala verden.

Agilent Technologies tilbyr et bredt spekter av høypresisjons atomic force mikroskop (AFM) for å dekke dine unike forskningsbehov. Agilent er svært konfigurerbar instrumenter tillate deg å utvide systemets funksjoner etter hvert som behovene oppstår. Agilent bransjeledende miljø / temperatur systemer og væskebehandling gir overlegen flytende og myke materialer bildebehandling. Søknader inkluderer materialvitenskap, elektrokjemi, polymer og liv-science applikasjoner.

Kilde: Agilent Technologies

For mer informasjon om denne kilden besøk Agilent Technologies