半導体ウェハーの物理解析

半導体ウェハーの工程段階の管理と物理構造の解析には、さまざまな高分解能光学／電子顕微鏡／集束イオンビーム装置および特定の分光分析装置／回折装置を使用します。 表 1 はこうした技術の一覧です。表 2 には半導体加工での使用法を示しています。

現在のウェハー工程では、微細化、新素材、革新的なアーキテクチャに対応しなければならず、重要なデバイス構造はあまりに微細なため既存のツールでは観察することも特性を評価することも困難です。 半導体デバイスの寸法が微細になるにつれ、画像分解能と検出器の感度に求められる性能もさらに厳しくなります。10 nm 以下のデバイスのトランジスターの構造を観察するには、顕微鏡の分解能はオングストローム単位の性能が求められます。また、プロービングされた微小部（< 0.001 um3）から発生する検出可能なシグナルは極めて微弱なため、検出器をリードアウトする電子機器は高感度でノイズフリーであることが求められます。

サーモフィッシャーサイエンティフィックでは、研究、プロセス開発または歩留り立上げと量産などのサイクルの各段階でのウェハー解析に様々な電子／集束イオンビーム装置およびその他の分析装置をご用意しています。

研究とプロセス開発期には、エンジニアとデザイナーが原子レベルで新しい半導体デバイスを開発しながら物理的限界を超えようと努力します。 サーモフィッシャーサイエンティフィックは、この最先端研究開発が 10 nm、7 nm、さらに 7 nm以下の テクノロジーノードで継続できるように最新のツールキットを提供します。

歩留り立上げのフェイズでは、歩留りの改善を加速することが欠かせません。新世代の半導体デバイスがが商業的に成功を収めるには、市場投入までの時間が鍵を握っているためです。 半導体製造装置の多くのプロセスステップにおける歩留まり解析は、かつては光学顕微鏡または SEM ベースのツールセットを用いて行われていましたが、現在では TEM （透過顕微鏡）法が重視されるようになっています。 サーモフィッシャーサイエンティフィックはこの SEM から TEM への移行を可能にする新しい高生産性ツールのワークフローを提供しています。これは高性能でありながら TEM サンプル一つ当たりのコストを最小限に抑えています。

新技術が開発され、歩留まり立上げのフェイズで工程欠陥が排除された後、量産過程で歩留まりを有効的にかつ持続可能なレベルに維持するには、クリティカルで、かつ微細な工程に対する極めて高い精度と効果的な工程管理が必要です。 サーモフィッシャーサイエンティフィックが開発し、ご提案している専用ワークフローソリューションは、歩留まりの問題発生時の高性能な特性評価を最短の時間で、かつてない規模で実現します。

製造工程におけるウェハー解析のためのこれらの解析ソリューションに加え、サーモフィッシャーサイエンティフィックの製品ラインには電気的ウェハーテスト後またはパッケージ済みデバイステスト後に行う配線修正専用製品もあります。 電気的な欠陥のあるデバイスは検査が必要であり、製造工程または電気的設計において欠陥を是正できるようにするために電気的な欠陥の原因を発見する必要があります。 電気的欠陥の解析には 2 つの重要な段階があります。最初の段階はデバイスにおける電気的欠陥回路の物理的位置を検出すること（欠陥分離）であり、第二の段階はその物理的位置をデバイスの物理的または化学的な異常として物理的に解析すること（欠陥識別）です。 欠陥の分離手法は、デバイスを時間変調励起し、デバイスから放出された（やはり時間変調された）シグナルの測定に基づきます。 デバイスの励起は物理的（レーザー、熱）の場合と電気的（電気試験ベクター）の場合があり、装置の反応も物理的な場合と電気的な場合があります。 ロックインサーモグラフィー（LIT）は、熱パルスが任意の周波数で発生するようにデバイスへ信号を入力し、デバイスの局所的温度反応を高感度 IR カメラで撮影する方法です。 OBIRCH（光ビーム加熱抵抗変動法）は、デバイスの異常回路へバイアスを与えた状態で局所的にパルスレーザーで加熱し、この局所的加熱への反応を装置の電気抵抗の変化として測定する方法です。 発光顕微鏡法（EMMI）ではデバイスへテスト用信号を入力する事によって電気的に刺激し、トランジスターのオンとオフが切り替わることにより発光します。 放出された光はピコ秒の分解能を備えた超高感度カメラで検出されます。 最後に、ナノプローバーを使用して、事前に絞り込まれた局所的領域において各トランジスターを電気的に試験することができます。 ナノプローバーは SEM ベースのものと AFM ベースのものがあります。