Semi-blindes Nanoprobing für verbesserte Bauelementtests

Eine der zentralen Herausforderungen beim Nanoprobing ist die Degradation des Prüflings (DUT) durch kontinuierliche Exposition gegenüber dem Elektronenstrahl. Dieses Anwendungsbeispiel zeigt, wie der SmarProbe strahlinduzierte Degradation effektiv eliminiert – selbst bei höheren Strahlenergien – und so zuverlässiges Nanoprobing empfindlicher Proben über alle Arten von REM-Systemen hinweg ermöglicht.

Strahlinduzierte Degradation kann die Bauelementeigenschaften erheblich verändern. Beim Sondieren von Transistoren kann der Elektronenstrahl beispielsweise Oberflächenaufladung verursachen, was zu Verschiebungen der Schwellenspannung und Änderungen der Kanalleitfähigkeit führt. Das Ausmaß der Degradation wird hauptsächlich durch zwei Schlüsselparameter beeinflusst:

• Strahlenergie
• Expositionsdauer

Abbildung 1 veranschaulicht diesen Effekt anhand der Verschiebung der Schwellenspannung eines pFET-Transistors, der mit FD-SOI-Technologie gefertigt wurde. Der Datensatz wurde mit dem hochpräzisen SmarProbe-Nanoprober von SmarAct erfasst, der während des gesamten Messprozesses von mehr als 35 Minuten Stabilität im Nanometerbereich und einen konstanten Kontaktwiderstand gewährleistete.

Abb. 1: Transistordegradation während der REM-Bildgebung. Der SmarProbe ermöglicht das Sondieren einer vollständigen 6T-Speicherzelle in weniger als 2 Sekunden kumulierter Bildgebungszeit.

Degradationseffekte sind bereits nach nur einer Minute Exposition bei Strahlenergien von sowohl 100 eV als auch 200 eV beobachtbar, wobei der Einfluss bei 200 eV deutlich stärker ausgeprägt ist. Obwohl die Degradation bei 100 eV langsamer voranschreitet, führt dieses Energieniveau auch zu einer erheblich reduzierten Bildqualität, was den Sondierprozess deutlich verlangsamt. Folglich ist Nanoprobing auf Basis visuellen Feedbacks – bei dem die Sondenplatzierung manuell über REM-Bildgebung geführt wird – für strahlempfindliche Proben unpraktikabel.

Um diese Einschränkung zu umgehen, werden solche Proben typischerweise mit einem Atomic Force Prober (AFP) analysiert, der eine Kontaktierung ohne elektronenstrahlbasierte Bildgebung ermöglicht. Als innovative Alternative ermöglicht der SmarProbe-Nanoprober semi-blindes Nanoprobing. Diese Methode erlaubt das zuverlässige Sondieren einer vollständigen 6T-Speicherzelle in weniger als 2 Sekunden gesamter REM-Bildgebungszeit – einer Dauer, bei der keine messbare Degradation im Vergleich zu den Werten aus AFP-Messungen beobachtet wurde. Dieser Ansatz kombiniert hohe Präzision mit minimaler Strahlinteraktion und bietet eine leistungsstarke Lösung für die Charakterisierung empfindlicher Bauelemente sowie eine Alternative zum AFP.

Abb. 2: Ungekürztes Video des semi-blinden Nanoprobings. PU-, PD- und PG-Transistoren wurden bei 200 eV nacheinander sondiert, ohne dass eine strahlinduzierte Degradation auftrat.

Die Fähigkeit zum semi-blinden Nanoprobing des SmarProbe-Systems wird durch drei Kernfunktionen ermöglicht, die eine präzise, zuverlässige und wiederholbare Sondenplatzierung bei minimaler Elektronenstrahlexposition sicherstellen:

1. Vollständig positionsencodierte Sonden- und Probenpositionierung mit Closed-Loop-Regelung bei 1-nm-Auflösung
2. Aktive Temperaturstabilisierung zur Unterdrückung thermischer Drift unter allen Umgebungsbedingungen
3. Automatisches Sondenaufsetzen auf allen Oberflächentypen

Zusammen ermöglichen diese Funktionen, die REM-Bildgebung auf einzelne Schritte zu beschränken – jeweils erst nachdem jede Sonden- oder Probenbewegung abgeschlossen ist. Beispielsweise liefert eine erste REM-Aufnahme, die mit einer Zykluszeit von 120 ms bei 200 eV erfasst wird, eine Positionsrückmeldung. Ausgehend von diesem Bild kann der Benutzer per Point-and-Click-Zielauswahl eine Sonde präzise auf ein Transistor-Kontaktpad führen. Sobald die Zielposition erreicht ist, wird ein Folge­bild aufgenommen, um die Sondenplatzierung zu überprüfen. Dank der aktiven Positionshaltefunktion des Systems bleibt die Sonde stabil, ohne Drift oder Piezokriechen.

Dieser Prozess wird für die verbleibenden Sonden wiederholt und erfordert typischerweise nur 6 bis 9 Bilder, um die Einrichtung für alle Kontaktpads abzuschließen. Nach der Positionierung kann der SmarProbe mehrere Transistoren nacheinander automatisch charakterisieren, sofern die relativen Pad-Positionen bekannt sind – beispielsweise aus CAD-Layoutdaten. Dadurch können drei Transistoren hintereinander mit einer gesamten REM-Expositionszeit von nur 1,3 Sekunden sondiert werden, wodurch strahlinduzierte Degradation effektiv eliminiert wird. Dieser hocheffiziente Sondier-Workflow wird im begleitenden Video demonstriert.