原创 下一代纳米级IC卓越的性价比测量解决方案(二)

前面一篇文章我们介绍了接触级别膜片晶体管探测的原理，接下来我们会主要介绍探测的实施方案。

探测的实施方案

一般来说，KZ100探测仪可以配备4个探针，这些探针[1]都是独立的，可以在X、Y、Z方向线性操作，精度在5nm以下。为了研究目的，在高分辨率扫描电子显微镜(SEM)中安装了KZ100探测仪，用于精密成像和探针布置，类似于图2中的布局。利用具有45度弯曲度的钨探针，并安装在4个远程位置调节器中。90nm节点集成电路测试芯片被处理至接触级别，并在由20分水：1份49% HF组成的腐蚀液中蚀刻5秒钟。集成电路芯片IC被安放在KZ100接地中心的旋转台上。

图2  聚焦离子束(FIB)系统中的KZ100操纵器，倾角为52度。中心台上正在探测的样本是经过处理的集成电路芯片。

在扫描电子显微镜(SEM)抽真空以及显微镜图像参数确定后，对集成电路测试区域进行定位，探针放置在测试区域上方。向着集成电路表面移动探针，建立探针表面接触。一旦探针接触到集成电路，探针立即升起，并恰好在集成电路表面上方，然后在与表面平行方向移动，直到每个探针都重新定位在预计电路接触面上方。

虽然探针重新降低至电路接触点，但探针仍可以在前后方向扫描，以确定接触点及其位置。一旦探针接触电路，其扫描动作就变成绕轴旋转动作，旋转点就是探针接触集成电路表面的地方。接着，探针就位，这样旋转点就与集成电路接触点保持一致。图3给出电子接触中的4个探针以及n-沟道MOSFET[2]器件的漏、源、栅以及P基底接触点。

图3 在n-沟道MOSFET上的4个探针接触。栅极探针连接至4个n-沟道晶体管共享的通门。基底探针（Psub）连接至基底接触，S/D探针连接至测试晶体管的源极和漏极。KZ100系统能够连接至小至70 nm、大至10 mm间隔的接触点。（a）n-沟道MOSFET漏-源漏电压（VDS）(伏) ；(b) n-沟道MOSFET源-漏源电压（VSD）(伏)

探测系统参数分析

吉时利4200半导体特性分析系统用于偏置探针以及采集集成电路器件漏电流和漏源电压 (IDVDS) 数据。该系统配备4个4200-SMU[3](源-测量单元)以及三轴线缆。在扫描模式下，将速度设置为快速，可以获得IDVDS曲线。源电流（IS）和漏电流[4]（ID）的电流上限都被设置为500 µA，并在0.0 V～1.5 V（步长5 mV）对漏极电压（V_DS）进行扫描。通过在1.5 V和100 nA上限内对栅极电压（V_GS）进行步进，可以测得一系列IDVDS曲线。为了把电荷感应带来的干扰降到最小，在数据采集之前和数据采集期间，显微镜不发出扫描光束

对于指定的V_GS，在I_D几乎恒定的大部分工作范围内，MOSFET的行为与跨导器件类似。这个工作范围通常称作饱和区。当漏源电压（V_DS）较小时，在源电流（I_D）与V_DS呈线性比例的范围内，MOSFET器件的行为则与电阻相似 ，这个区域通常称作线性区。

如图4所示，利用KZ100系统从90nm节点n-沟道MOSFET器件采集的IDVDS数据具有典型MOSFET的线性区和饱和区。图4a给出集成电路在正向偏置时的漏电流，图4b给出同一个集成电路在反向偏置的漏电流。这个比较是确定器件功能是否正常的一种方法。图4a和4b的IDVDS曲线非常相似，这说明被调查的电流器件功能如同预期一样。

图4 (a) KZ100纳米操纵器系统测得的n –沟道MOSFET的IDVDS曲线。(b)在反向偏置情况下，对图4(a) 中器件进行测试。

对于p-沟道MOSFET，当栅极电压（V_GS）相对于源电压（V_DS）为负时，I_D电流流动。通常，p-沟道 MOSFET具有较高的栅极阈值电压和较低的饱和电流。图5给出90 nm节点p-沟道MOSFET器件IDVDS系列曲线。这些p-沟道曲线是通过KZ100系统采集的，曲线表明：同n-沟道MOSFET相比，p-沟道MOSFET性能较差，这和预期一样。

图5 利用KZ100系统测得的p-型MOSFET的ISVSD曲线

集成电路的电气特性是制作和设计环路的重要组成部分。为了与集成电路技术进步带来的线宽缩小保持同步，迫切需要高放大倍率扫描粒子束显微镜；同时，利用为这些显微镜使用而设计和优化的探测系统，对集成电路进行电气特性分析也非常必要。KZ100系统是为需要更精密探针布置、高精密电流和电压测量的当前和下一代集成电路器件特性而设计和优化的，在其高分辨率扫描电子显微镜(SEM)和聚焦离子束(FIB)系统内包括高放大倍率显微镜。利用这个系统，集成电路设计人员和故障分析工程师可以更好地把握下一大集成电路的器件性能，并解决故障问题。

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