一种非接触式半导体电性故障分析法的制作方法

1.本发明公开了一种半导体电性故障分析法，且特别是关于一种非接触式半导体电性故障分析法。


背景技术：

2.针对半导体最下层晶体管电性故障分析，一般都先会使用接触式的导电原子力显微镜(conductive atomic force microscope；cafm)进行确认，其原理主要是在导电原子力显微镜的探针与半导体试片之间施加一直流偏压，并利用探针轻轻接触半导体试片的表面，扫描半导体试片表面并侦测反馈电流。随着半导体制程尺寸不断缩小，受限于探针尖端的尺寸，利用导电原子力显微镜对半导体试片进行电性故障分析可能会造成半导体试片表面的实际结构没办法清楚呈现，且由于导电原子力显微镜的探针会接触半导体试片的表面，故半导体试片的表面结构会在探针在扫描过程中被刮伤，经过多次扫描后，半导体试片就无法再进行后续分析，且其表面分辨率只能达到数奈米的空间分辨率。
3.有鉴于此，一种可清楚呈现尺寸缩小化半导体试片的表面实际结构，可提供表面分辨率达到原子等级且不会刮伤其表面的非接触式半导体电性故障分析法乃目前半导体业界所殷切期盼。


技术实现要素：

4.本发明公开一种非接触式半导体电性故障分析法，其特征在于，包括以下步骤：提供一半导体样品，前述半导体样品具有相对的一表面与一背面，其中前述表面包括至少一半导体组件；提供一扫描穿隧式显微镜，前述扫描穿隧显微镜包括一探针、一电流放大器、一反馈控制器以及一计算机，其中前述探针、前述电流放大器、前述反馈控制器以及前述计算机彼此电性连接；以及将前述扫描穿隧式显微镜的前述探针放置于相对于前述半导体样品的前述表面的( )z轴方向，并施加一偏压于前述扫描穿隧显微镜的前述探针与前述半导体样品之间以产生一穿隧电流，并利用前述扫描穿隧式显微镜的前述探针以不接触前述半导体样品的前述表面的方式，沿相对于前述半导体样品的前述表面的x轴方向与y轴方向进行扫描且同时侦测前述半导体样品的前述表面所量测到的前述穿隧电流，前述穿隧电流经前述电流放大器放大后被送到前述计算机进行分析，以获得前述半导体样品的前述表面的结构轮廓，并且判断前述半导体样品中的前述至少一个半导体组件的电性是否故障；其中，当前述穿隧电流大于所设定的一电流阀值时，前述探针会在前述反馈控制器的控制下沿相对于前述半导体样品的前述表面的( )z轴方向收缩以远离前述半导体样品的前述表面，而当前述穿隧电流小于所设定的一电流阀值时，前述探针会在前述反馈控制器的控制下沿相对于前述半导体样品的前述表面的(-)z轴方向伸长以靠近前述半导体样品的前述表面。
5.前述的的故障分析用的半导体试片的制备方法，其中前述第一、第二介电层为相同或相异介电材料所构成。
6.前述的非接触式半导体电性故障分析法，前述偏压为正偏压，前述穿隧电流自前
述扫描穿隧显微镜的前述探针流向前述半导体样品。
7.前述的非接触式半导体电性故障分析法，前述偏压为负偏压，前述穿隧电流自前述半导体样品流向前述扫描穿隧显微镜的前述探针。
8.前述的非接触式半导体电性故障分析法，前述反馈控制器为压电反馈控制器。
9.前述的非接触式半导体电性故障分析法，前述探针的末端更包括一探针头，且前述探针头与前述半导体样品的前述表面之间的最小距离为d，1nm≤d≤10nm。
10.前述的非接触式半导体电性故障分析法，前述探针头的曲率直径r介于1～100微米之间。
11.前述的非接触式半导体电性故障分析法，前述穿隧电流乃介于50pa～50na之间。
附图说明
12.图1所绘示者为一适用于根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法的半导体样品100的剖面示意图。
13.图2所绘示者为一适用于根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法的扫描穿隧式显微镜200的示意图。
14.图3所绘示者为根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法，利用图2所绘示的扫描穿隧式显微镜200对图1所绘示的半导体样品100进行故障分析的示意图。其中，附图中符号的简单说明如下：
15.10
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半导体样品
16.10a
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半导体样品表面
17.10b
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半导体样品背面
18.100
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半导体组件
19.110
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硅基板
20.120
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闸极
21.130
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闸极氧化层
22.140
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源极
23.160
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汲极
24.170
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介电层
25.180、182、184
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金属接触
26.200
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扫描穿隧式显微镜
27.210
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探针
28.215
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探针头
29.220
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电流放大器
30.230
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反馈控制器
31.250
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计算机
32.d
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探针头215与前述半导体样品10的前述表面10a之间的最小距离
33.i
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穿隧电流
34.r
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探针头215的曲率直径
[0035]vꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
偏压
具体实施方式
[0036]
为了使本发明公开内容更加详尽与完备，下文针对了本发明的实施态样与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。以下所揭露的各实施例，在有益的情形下可相互组合或取代，也可在一实施例中附加其它的实施例，而无须进一步的记载或说明。
[0037]
在以下描述中，将详细叙述许多特定细节以使读者能够充分理解以下的实施例。然而，可在无此等特定细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，为简化图式，熟知的结构与装置仅示意性地绘示于图中。
[0038]
实施例
[0039]
请参阅图1～3。图1所绘示者为一适用于根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法的半导体样品100的剖面示意图。图2所绘示者为一适用于根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法的扫描穿隧式显微镜200的示意图。图3所绘示者为根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法，利用图2所绘示的扫描穿隧式显微镜200对图1所绘示的半导体样品100进行故障分析的示意图。
[0040]
如图1所示，其所绘示者为一种用于根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法的半导体样品10。前述半导体样品10具有相对的一表面10a与一背面10b，且前述表面10a上包括至少一半导体组件100，前述半导体组件100包括一硅基板110、一闸极120、一闸极氧化层130、一源极140、一汲极160、一介电层170以及分别连接闸极180、源极140和汲极160的金属接触180、182、184。如图1所示，半导体样品10乃事先经过前处理，去除部分介电层170，使半导体组件100的金属接触180、182、184部分裸露出来。半导体样品10中的半导体组件100在此实施例中仅用以例示说明而非用以限定其范围，具有其它结构的半导体组件也可适用于根据本发明所揭示的非接触式半导体电性故障分析法。
[0041]
如图2所示，所绘示者为一适用于根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法的扫描穿隧式显微镜200的示意图。扫描穿隧式显微镜200包括包括一探针210、一电流放大器220、一反馈控制器230以及一计算机250，其中前述探针、前述电流放大器、前述反馈控制器以及前述计算机彼此电性连接。根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法的扫描穿隧式显微镜200的探针210，只需使用一般化学蚀刻用的金属探针即可，且成像与侦测电流质量也与探针结构没有太大关系，而无须像导电原子力显微镜(cafm)所使用的探针般需要仰赖晶圆代工制造。根据本发明的一实施例，前述探针210的末端更包括一探针头215，且前述探针头215的曲率直径r例如但不限于介于1～100微米之间。惟，根据本发明的其它实施例，探针210也可视实际需要，选择其它曲率直径r为奈米等级尺寸大小的探针头215。
[0042]
如图3所示，其所绘示者为根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法，利用图2所绘示的扫描穿隧式显微镜200对图1所绘示的半导体样品100进行故障分析的示意图。
[0043]
如图3所示，进行根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法时，将前述扫描穿隧式显微镜200的前述探针210放置于相对于前述半导体样品10的前述表面10a的( )z轴方向，并施加一偏压v于前述扫描穿隧显微镜200的前述探针210与前述半导体样品10之间以产生一穿隧电流i，并利用前述扫描穿隧式显微镜200的前述探针210以不接
触前述半导体样品的前述表面的方式，沿相对于前述半导体样品10的前述表面10a的x轴方向与y轴方向进行扫描且同时侦测前述半导体样品10的前述表面10a所量测到的前述穿隧电流i，前述穿隧电流i经前述电流放大器220放大后被送到前述计算机250进行分析，以获得前述半导体样品10的前述表面10a的结构轮廓，并且判断前述半导体样品10中的前述至少一个半导体组件100的电性是否故障。
[0044]
根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法，上述施加于前述扫描穿隧显微镜200的前述探针210与前述半导体样品10之间的偏压v为正偏压，前述穿隧电流i自前述扫描穿隧显微镜200的前述探针210流向前述半导体样品10。根据本发明其它实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法，上述施加于前述扫描穿隧显微镜200的前述探针210与前述半导体样品10之间的偏压v也可为负偏压，而前述穿隧电流i乃改自前述半导体样品10流向前述扫描穿隧显微镜200的前述探针210。
[0045]
根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法，上述穿隧电流乃介于例如但不限于50pa～50na之间。
[0046]
如图3所示，上述前述扫描穿隧式显微镜200的反馈控制器230可为例如但不限于压电反馈控制器。
[0047]
此外，如图3所示，前述扫描穿隧式显微镜200的前述探针210是以不接触前述半导体样品的前述表面的方式，沿相对于前述半导体样品10的前述表面10a的x轴方向与y轴方向进行扫描，前述探针头215与前述半导体样品10的前述表面10a之间的最小距离为d，1nm≤d≤10nm。
[0048]
如图3所示，进行根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法时，当前述穿隧电流i大于所设定的一电流阀值时，前述探针210会在前述反馈控制器230的控制下沿相对于前述半导体样品10的前述表面10a的( )z轴方向收缩以远离前述半导体样品10的前述表面10a，而当前述穿隧电流i小于所设定的一电流阀值时，前述探针210会在前述反馈控制器230的控制下沿相对于前述半导体样品10的前述表面10a的(-)z轴方向伸长以靠近前述半导体样品10的前述表面10a。
[0049]
综上所述，相较于利用导电原子力显微镜(cafm)进行的接触式半导体电性故障分析法，其表面分辨率只能达到数奈米的空间分辨率，且半导体试片的表面结构会在探针在扫描过程中被刮伤，经过多次扫描后，半导体试片就无法再进行后续分析，根据本发明实施例所揭示的非接触式半导体电性故障分析法，不仅不会刮伤半导体试片表面，且因为施加一偏压v于前述扫描穿隧显微镜200的前述探针210与前述半导体样品10之间所产生的穿隧电流i与探针210的探针头215和前述半导体试片10的表面10a之间的距离d是指数关系，所以对表面高度的敏感度比cafm高出许多，故可提供原子级的平面分辨率，对于尺寸缩小化的半导体组件可提供更准确的电性故障分析。
[0050]
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。