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？
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。
而宜特科技故障分析實驗是的奈米探針電性量測（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）兩者結合而生的工具，SEM 的奈米級高解析度搭配尺寸極小的奈米探針，使製程中數奈米等級的電晶體特性量測，或是精確定位出一個電晶體，甚至是一個接觸點（Contact）的定位分析，都能夠被實現。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」。
何謂奈米探針系統（Nano-Prober）
透過 SEM 顯微鏡的極小曲率半徑探針，搭接 IC 內部線路或接觸層（Contact Layer），使其外接電性量測設備，藉此輸入訊號並量測電特性曲線；另外，亦可利用 SEM 電子束特性，進行相關應用分析，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 SEM 中的電子束（E-beam）照射在樣品上掃描至某定點時，若此處為金屬導線且有導通，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。
▲圖一：EBAC 示意圖（Source：宜特科技）
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 Open 的位置。
電子顯微鏡中的二次電子影像（Secondary Electron，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 Open，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 Open，而 EBAC 影像亮暗交界處即為 Open 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。
▲圖二（左）：電路佈局圖（Layout）；圖二（右）：EBAC 影像重疊 SEM 二次電子影像（Source：宜特科技）
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。
▲圖三： EBIC 示意圖（Source：宜特科技）
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「電子束」，其波長遠小於雷射，所以可以提升空間解析到到奈米（nm）等級，進而精準的定位出缺陷位置，大幅增加後續進行物性故障分析（PFA）或在樣品故障處做穿透式電子顯微鏡（TEM）分析的成功率。
▲圖四： EBIRCH 示意圖（Source：科技新報）
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，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，通常可以用來針對開路（Open）、短路（Short）、漏電（Leakage）、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。
▲圖五：EBIRCH 與二次電子影像疊加後準確找出故障接觸點（Source：宜特科技）
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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（首圖來源：宜特科技；資料來源：宜特科技）