반도체 전기 고장 분석 (EFA)의 종류와 이해 (2)

오늘은 지난 포스팅에 이어 반도체 전기 고장 분석의 또 다른 종류들과 각 분석별 내용에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

반도체 전기 고장 분석 (EFA)의 기타 종류

전기 고장분석의 대표적인 다른 종류들로는 C-AFM, 원자력 현미경(AFM) 기반 나노 프로버 , SEM기반 나노 프로빙, EBIC, EBAC, EBIRCH 가 있습니다.

 

 

반도체 전기 고장 분석 (EFA)의 이해

각 분석별 내용은 아래와 같습니다. 

 

1) C-AFM : 전도성 원자력 현미경(C-AFM)은 AFM의 기능 중 하나로 뾰족한 끝(프로브)을 가진 마이크로 스케일의 캔틸레버로 구성되어 있으며 나노미터 분해력으로 표면 형태를 얻는 데 사용됩니다.
AFM은 게르트 비닝(Gerd Binning)과 하인리히 로러(Heinrich Rohrer)가 1983년에 발명한 주사 터널링 현미경(STM)에서 개발되어 1986년에 노벨 물리학상을 수상하였고 AFM 팁이 샘플 표면에 가까우면 훅의 법칙에 따라 정점과 샘플 사이의 반발력이 캔틸레버를 구부립니다. 피드백 시스템을 통해 힘을 제어하면 높은 공간 해상도의 표면 형태를 얻을 수 있습니다.

C-AFM은 AFM과 비슷하지만 스캔할 때 팁과 샘플 사이에 추가적으로 인가되는 전압 바이어스를 유지합니다. I-V 측정을 통해 접점과 같은 국소 부위의 전기적 특성을 얻을 수 있으며, 스캔한 이미지에서 더 정확한 고장 위치를 쉽게 식별할 수 있습니다.

C-AFM은고저항 접촉, 접합부 누출, 게이트 산화물 누출 등에 대한 고장 분석 및 다양한 접촉 유형 식별 (P+/N+/Poly CT)에 적용될 수 있으며 여러 접촉 유형에 대한 I-V 곡선을 비교하여 고장 원인을 진단하고 특정 점에 대한 I-V 곡선을 측정할 수도 있습니다. 표면 전위 및 전하 분포에 대한 정보를 제공하기도 합니다.

2) 원자력 현미경( AFM ) 기반 나노 프로버 : 원자력 현미경(AFM) 기반 나노 프로버는 높은 공간 해상도로 나노 규모의 정밀한 결함 격리를 달성하는 최첨단 솔루션 중 하나입니다. AFM 기반의 나노프로버는 또한 피코전류 이미징 및 스캐닝 커패시턴스 현미경(SCM)과 같은 많은 AFM 관련 기능을 제공합니다. 이러한 기능은 고장 분석을 위한 검사력을 강화하므로 첨단 반도체 장치 개발에 유망하게 사용됩니다.

원자력 현미경(AFM) 기반 나노 프로버는 고공 간 해상도 ~ 10nm까지 가능하며 전자빔은 효과가 없습니다. 접촉, 탭 모드 이미징 및 강제 피드백 제어에 적용되고 피코전류 감도 ~ 5pA, 주사 용량 현미경 기능에도 적용 가능합니다.

 

3) SEM기반 나노 프로빙 : 고성능 컴퓨팅에 대한 필요성으로 인해 첨단 제조 공정이 점차 포스트 무어 시대로 접어들고 있으며 공정 노드가 축소되고 있습니다. 공정은 5nm 수준에 도달했으며 가까운 미래에 극한의 3nm 및 2nm 수준에 도달할 것으로 예상됩니다. 더욱이 트랜지스터는 이전의 플래너 구조에서 3D FinFET 및 GAA 구조로 진화하고 있어 이러한 변화는 기존 공정을 새로이 변화시키고 있습니다.

기존의 AFM 기반의 단일 소자 측정 나노 프로빙 기술은 공정 규모가 계속 축소되면서 더 이상 따라가지 못하지만 대신 SEM 기반의 나노프로빙 기술로 고급 공정 샘플의 형태를 확인하고 후속 전기 측정 분석을 수행해야 합니다.

SEM 환경은 저가 속 전압 분석을 통해 나노 크기 트랜지스터의 표면 지형을 명확하게 현미경으로 관찰할 수 있고 또한 전기 측정을 가능하게 하고 고장 지점을 정확하게 확인시켜 장치의 고장 모드를 추론하는 데 사용할 수 있습니다. 전자 빔은 낮은 가속 전압으로 샘플 표면을 오염시키거나 트랜지스터 특성의 드리프트를 유발하는 것을 피할 수 있습니다. 

전기-고장-분석(EFA)

4) EBIC / EBAC : EBIC(전자빔 유도전류)는 p-n 접합, 접합 결함 및 확산 길이의 이미징 및 특성화를 위한 방법입니다.
전자빔이 반도체에 부딪히면 내장된 전기장에 의해 공핍 영역에서 전자-정공 쌍이 생성되고 분리되어 전류 흐름을 측정할 수 있습니다.

EBAC(전자빔 흡수 전류)는 상호 연결 개방 및 단락을 식별하는 빠르고 효과적인 방법을 제공합니다. EBAC는 전자 빔을 이용하여 유전체 층들을 관통하고 시료 내부에 전하들을 주입하여 하부 준위 금속화 층(깊이 3층 또는 4층)에 의해 흡수된 전하들은 프로브를 통한 전류 증폭에 의해 측정됩니다.

 

5) EBIRCH : Electron Beam Induced Resistance Change의 줄임말로 SEM 챔버에서 작동합니다. 그 뒤에 있는 원리는 OBIRCH와 비슷하며 두 개의 나노 프로브는 PAD 또는 metal/via 위에 전류 루프를 형성하고 일정한 DC 전압을 제공하기 위해 사용됩니다. 전자 빔 조사 하에서 재료와 작동 요소는 전자 빔 가열에 의해 발생하는 온도 변화를 받게 되고, 이는 저항의 변화를 초래합니다. 전류도 그에 따라 변화할 것으로 EBIRCH는 이러한 전류 변화의 위치를 감지하여 고장 지점을 효과적으로 찾을 수 있습니다.

 

이 기술은 SEM 환경에서 작동하기 때문에 OBIRCH 광학계보다 해상도가 좋고 IC 내부의 특정 메탈 및 폴리 콘택트 층을 대상으로 전류 변화를 감지하고 짧거나 높은 임피던스 장애 위치를 찾을 수 있습니다.

EBIRCH는 100 nm2이하의 밝은 점을 가진 비정상적인 위치를 정확하게 찾을 수 있는 장점이 있는 반면 EBAC는 검출 저항이 1 Mohm이상인 개방형 상호 연결 문제만 해결할 수 있습니다. 고 임피던스 또는 직접 단락 문제가 발생하면 EBIRCH를 사용해야 하며 프로세스가 축소됨에 따라 임피던스 관련 성능 문제가 증가하고 있고 이와 같이 문제가 있는 라인을 결정할 수 있다는 전제하에 EBIRCH는 매우 강력한 도구가 됩니다.

 

이렇듯 다양한 전기 불량 분석들의 특성과 장단점을 통해 불량 발생 시 최적의 방법으로 분석을 진행하고 문제점을 파악할 수 있습니다.