CN107004553A - 用于电子器件的纳米探测的装置以及方法 - Google Patents

用于电子器件的纳米探测的装置以及方法 Download PDF

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Abstract

一种用于使用扫描电子显微镜(SEM)和纳米探针的组合来探测待测半导体器件(DUT)的方法，包括：获得DUT中感兴趣区域(ROI)的SEM图像；获得ROI的CAD设计图像；将CAD设计图像与SEM图像进行配准以识别接触目标；获得对应于接触目标的网表，并使用网表来确定应当选择哪个接触目标作为测试目标；以及对纳米探针导航以使纳米探针落在每个测试目标上并在纳米探针与相应的测试目标之间形成电气接触。

Description

用于电子器件的纳米探测的装置以及方法
相关申请
本申请要求享有于2014年6月25日提交的、序列号为62/016,650的美国临时申请的优先权，该申请的公开内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明属于半导体器件测试领域，并且更具体而言，经由微芯片形式的电子器件或晶圆级电子器件的纳米探测来实现电气测量。
背景技术
设计和工艺工程师需要获得与他们设计和构建的器件和电路有关的尽可能多的信息。器件信息可以分为两组：物理特性和电气特性。电气特性给出了所制造器件的最终性能，如果这些符合设计，则实际上不需要其他的来进行设计修改或工艺监测和控制。当然，如果工艺从未随着时间而中断或偏移，则电气特性就足够了。然而，当工艺中断或偏移并且工厂产量下降时，工艺工程师需要执行故障分析(FA)以调查故障并找出哪个工艺失败。在这一点上，物理特性(例如，临界尺寸(CD)、膜厚度和均匀性、化学成分、界面等)的获知突然变得重要。工艺工程师需要调查工艺在哪个具体步骤失败。常常使用对器件的物理建模，以便理解电气属性对器件的物理参数和工艺公差的依赖性。这个经典的方案很多年来工作得很好。然而，最近这个方案开始失效，并且由于增加的制造复杂性，预计该方案的失效率将增加。
在当前和未来的芯片中，内部器件与原子尺寸变得相当。这意味着表面和接口对器件性能会产生显著的影响。大型材料模型并未很好地描述器件电气性能对尺寸、材料成分(例如，掺杂、Si氮氧化物、Hf氧化物等)和物理特性的依赖性。此外，尺寸计量和物理表征的所需精度也降低。因此，产量和工艺工程师在他们可用的准确物理和尺寸信息越来越少的情况下，面临着找到故障根本原因的新挑战。
为了解决这个问题，工程师必须使用越来越多的器件本身的电气特性。不幸的是，电气数据仅在形成至少一个互连级时才可用。在大多数情况下，电路的关键元件仅可以在构建了若干层互连件之后才可以被测试。这花费时间和资源，并且常常导致许多昂贵的晶圆废弃。
被称为SEM纳米探针的专用电子束仪器由扫描电子显微镜(SEM)和设置在SEM真空腔内部的一组纳米探针组成。来自SEM的二次电子图像用于相对于要进行电气测试的集成电路的器件结构来定位纳米探针。探针用于电气表征器件结构。纳米探测能够通过电流/电压(I/V)曲线测量来直接测量基本晶体管参数，例如阈值电压(Vt)、截止状态漏电流(Ioff)、饱和电流(Isat)和结行为。在其它应用中，这些电气测量可用于执行对有缺陷的器件结构的根本原因故障分析。
为了对电路进行电气测试，探针必须物理地接触IC内的器件的元件。然而，接触和扫描探针(例如，原子力探针(AFP))需要接触和成像力超过制造厂“接受的”所谓的“非接触”力(几纳米牛顿或nN)。针对在工艺流程的早期甚至通过流程逐步地电气表征器件和关键电路的方式，在过去已经提出了各种提议。可能的解决方案的示例可以在美国专利US5,899,703和US6,399,400中找到。
已知用于测试微芯片的基于SEM的离线AFM和纳米探针的若干形式。Carl Zeiss的Merlin SEM可以与AFM和光学显微镜组合。详细信息可以在Carl Zeiss的“MERLIN series”手册中找到。3TB 4000系统是Nanonics Imaging Ltd.的组合式AFM、FIB和SEM。该AFM使用无激光音叉力传感器。SEM和AFM混合工具的其它示例是Attocube Systems AG(www.attocube.com)和Nanosurf AG(www.nanosurf.com)、Kleindiek Nanotechnik GmbH(www.kleidiek.com)。在例如美国专利7,285,778、7,319,336、7,675,300和8,536,526中公开了用于测试个体芯片(DUT)的具有纳米探针和带电粒子束设备的系统。
Kleindiek Nanotechnik GmbH已经设计了研究型基于SEM和基于FIB的离线纳米探针。下一级基于SEM的纳米探测由DCG Systems,Inc.提供。最新型号nProber II是一种基于SEM的离线自动化纳米探针，具有12.5×12.5mm2负载锁定样品、8个低漂移探针和适合于10nm技术的整体能力。
待解决的问题
在上述系统中，当样品和系统在测试周期期间发生漂移时，在将探针尖端落在目标上以及将探针尖端保持在目标上的方面仍然存在问题。另外，有时目标需要进一步处理，例如去除氧化物或去除一层或多层材料、执行切割等。这通过将器件转移到另一个系统或SEM腔室内的另一个站(例如，离子枪)来完成。然而，需要重新获取目标位置，以便适当地聚焦离子束。类似地，当器件返回到SEM时，需要重新获取目标，这是耗时的。此外，有时需要时间和技能来识别纳米探针的目标，并确定哪些纳米探针应当落在哪些目标上。有时还难以确定在器件上运行哪种类型的测试。
另外，许多器件具有需要测试的重复结构。这些结构中的每一个都可能需要若干个纳米探针来执行测试。因此，在每次测试之后，系统需要导航到下一个结构并且执行多个纳米探针的纳米探针导航和着陆。由于结构相同，因此有助于找到利用结构重复性来减少纳米探针的导航和着陆时间的解决方案。
发明内容
包括了本公开内容的以下发明内容，以便提供对本发明的一些方面和特征的基本理解。本发明内容并非是对本发明的广泛综述，因此它并非旨在具体指出本发明的关键或重要要素或描述本发明的范围。其唯一目的在于以简化形式给出本发明的一些概念，作为下面给出的更详细描述的前序。
根据公开的实施例，针对纳米探测的操作提供了多种提高。这些实施例使得更容易和更快地落在适当的目标上，在测试期间保持探针尖端与目标之间的适当配准，并且选择适当的测试来运行。另外的实施例提供了容易的目标获取，特别是当样品在粒子束设备的各个显微镜之间移动时。
根据公开的实施例，提供了一种用于使用扫描电子显微镜(SEM)和纳米探针的组合来测试待测半导体器件(DUT)的方法，该方法包括以下步骤：获得DUT中感兴趣区域(ROI)的SEM图像；获得ROI的CAD设计图像；将CAD设计图像与SEM图像进行配准以识别接触目标；获得对应于接触目标的电气设计(例如，网表)，并使用该电气设计来确定应当选择哪些接触目标作为测试目标；以及对纳米探针导航以使纳米探针落在每个测试目标上并在纳米探针与相应的测试目标之间形成电气接触。在实施例中，另一步骤可以包括检查电气设计以从可用电气测试的列表中选择要使用纳米探针执行的至少一个电气测试。而且，硬化的探针尖端(例如，金刚石探针尖端)可以用于标记，例如通过在需要进一步研究的感兴趣区域上划出标记。这将有助于在进一步测试中查找和配准这些ROI。
根据公开的实施例，提供了一种用于使用扫描电子显微镜(SEM)和纳米探针的组合来测试待测半导体器件(DUT)的方法，该方法包括以下步骤：获得DUT中感兴趣区域(ROI)的SEM图像；在ROI中选择目标区域；将纳米探针导航到目标区域；以及使用纳米探针在目标区域中划出目标标记。在该方法中，步骤可以包括选择具有强化尖端的纳米探针。在该方法中，强化尖端可以包括金刚石、碳化硅或其它硬质材料。
根据公开的实施例，提供了一种用于使用扫描电子显微镜(SEM)和纳米探针的组合来测试待测半导体器件(DUT)的方法，该方法包括以下步骤：获得DUT中感兴趣区域(ROI)的SEM图像；识别ROI内的接触目标；选择将通过向接触目标施加电势来执行的参数测试；确定完成参数测试所需的时间段并将该时间段与阈值时段进行比较；当测试时段超过阈值时段时，将参数测试分成多个子测试，每个子测试具有比阈值时段短的测试时段；对纳米探针导航以接触该接触目标并执行该多个子测试，其中，在每个子测试之间执行以下步骤：从接触目标提升纳米探针，在需要时校正纳米探针与接触目标的对准，以及使接触目标与纳米探针重新接触。
确定要进行的测试可以是该过程中的第一步骤。为了执行器件或DUT表征，可以出于统计原因而决定一定数量的测试，然后确定子测试，然后识别进行测试的ROI，然后通过SEM对测试部位进行成像。在获得数据之后，可能希望检查局部变化。对于过程调试，过程步骤可以类似。SEM图像可以用于验证已经适当地准备的目标区域。对于DUT的故障分析，ROI可以根据其它测试结果(例如，ATE测试结果)来确定。
根据公开的实施例，提供了一种用于测试待测半导体器件(DUT)的纳米探针，包括：致动器，被配置用于接收驱动信号并执行对应于驱动信号的运动；臂，耦合到致动器并且被配置为借助于致动器所执行的运动而被移动；探针头，包括多个纳米尖端，每个尖端以固定取向固定地附接到探针头，以使得多个纳米尖端形成固定几何取向以用于接触以相对应取向布置的多个目标。
附图说明
依据参考以下附图做出的详细说明，本发明的其它方面和特征将是显而易见的。应当提出，具体实施方式和附图提供了本发明的各个实施例的各个非限制性示例，其由所附权利要求限定。
并入并构成本说明书一部分的附图例示了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释和说明本发明的原理。附图旨在以图解方式例示出示例性实施例的主要特征。附图并非旨在描绘实际实施例的每个特征以及所描绘的元件的相对尺寸，并且并非是按比例绘制的。
图1例示了根据一个实施例的用于集成CD SEM和纳米探针的实施例。
图2是例示了在测试下多个纳米探针尖端接触器件的示意图。
图3例示了纳米探针尖端接触DUT的SEM图像。
图4例示了具有处于固定取向的多个纳米探针尖端的纳米探针头的实施例。
具体实施方式
使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实施本发明的各个特征，以使用纳米探针提供对半导体器件的参数测试。被探测器件可以是微芯片、管芯、晶圆片或整片晶圆的形式。通常，当被探测器件是微芯片的形式时，它们被解包封，并且有时去除一些层以暴露出接触目标。接触目标用于向器件施加电测试信号。多个公开的实施例提供了改进的工艺以在纳米探针与接触目标之间进行适当的接触。参考图1中所示的测试器布置来解释各个实施例和特征。所述的工艺可以利用自动化、半自动化(即，需要一些用户输入来执行)或手动(即，根据用户的指示来执行)的各个步骤。
参考图1并且根据本发明的实施例，扫描电子显微镜(SEM)纳米探针10包括容纳在真空腔32内部的电子枪12、一组扫描线圈14、16、18、20、样品台22以及一组纳米探针24、26、28、30。电子枪12包括阳极和阴极(未示出)，针对其施加加速电压以产生相对大的电势差，该电势差从阴极提取发射电流并且从而通过场发射或热离子发射而生成初级电子束25。位于SEM纳米探针10的真空腔32内部的是设有各个聚光透镜、物镜和孔径的柱状物(column)33，它们共同操作为电子光学器件，在从电子枪12到样品台22的行进路径中聚焦和准直初级电子束25。扫描线圈14、16、18、20也位于真空腔32内部。样品台22在台控制器34的管理下可移动，以将样品36上的不同感兴趣区域置于初级电子束25的视场内。样品36可以是承载集成电路的管芯，制备其用于在SEM纳米探针10中进行电气探测以执行根本原因故障分析。可替换地，样品36可以是承载多个产品芯片的晶圆。
尽管本文相关于初级电子束25的使用进行了描述，但本领域技术人员将意识到，本发明的实施例还可以适用于结合纳米探测使用包含正离子的聚焦离子束、或者另一种类型的聚焦带电粒子束。本领域技术人员将理解，将工具转换为与其它类型的带电粒子(例如，对其的离子束控制将是静电的而不是磁性的正离子)一起使用所需的对SEM纳米探针10的修改。此外，设备10可以包括SEM和离子束柱，例如聚焦离子束、等离子体离子束等。可替换地，SEM柱状物可以在真空腔32内部，而离子束柱可以位于相邻的真空腔中。
扫描线圈14、16、18、20设置在电子枪12与样品台22之间的柱状物33内。激励扫描线圈14、16、18、20以使初级电子束25在两个维度上跨样品36的表面上感兴趣的区域进行扫描。为此，一组扫描线圈14、16被配置为在第一方向上相对于样品36的表面偏转初级电子束25，并且另一组线圈18、20被配置为在与第一方向正交的第二方向上相对于样品36的表面偏转初级电子束25。
在被初级电子束25照射时，从样品36发射二次电子35。二次电子35通过初级电子束25与原子在样品36的表面处或附近相互作用而产生。二次电子35由位于真空腔32内部的二次电子检测器38来收集。通常，二次电子检测器38包括将收集的二次电子35转换成闪光的磷光体或闪烁体、以及将这些闪光转换为放大的电信号的光电培增管。二次电子检测器38被正偏置以吸引二次电子35。
从二次电子检测器38输出的经放大的电信号由图像显示控制单元40转换为视频信号，该视频信号被提供给视频显示单元42用于显示为样品36上的视场的二次电子图像。二次电子图像包含由初级电子束25与样品36的表面的相互作用而促使的二次电子发射的二维强度分布或图。显示在视频显示单元42上的二次电子图像中的个体像素的强度取决于来自样品36上相对应位置的到达二次电子检测器38的二次电子35的数量。可替换地，来自样品36的二次电子图像可以在显示在视频显示单元42上之前被数字化为离散的像素，并以数字格式保存在控制器64的储存器70中。从样品36上的任何点发射的二次电子35的数量取决于被暴露于初级电子束25和样品的形貌的材料的类型。
初级电子束25的行进路径穿过SEM纳米探针10的柱状物33中的扫描线圈14、16、18、20。扫描线圈14、16、18、20协作以在x轴和y轴上偏转初级电子束25，以使得在扫描线圈14、16、18、20的下游初级电子束25以预设图案相对于样品36上的表面区域进行扫描。电子束控制单元44被配置为通过具有施加的激励电压的扫描线圈14、16、18、20来监测和控制初级电子束25的偏转。为此，电子束控制单元44被配置为通过使能初级电子束25的光栅扫描、初级电子束25的向量扫描、束停留或扫描定时以及束消隐来生成预设图案。
SEM纳米探针10包括用于控制和管理初级电子束25以及样品台22的操作、二次电子成像和电气探测的各个控制模块。对于光栅扫描，可以从电子束控制单元44中的扫描信号发生器电路46向扫描线圈14、16、18、20提供具有与最终放大率相对应的幅度的二维扫描信号。电子束控制单元44的光栅控制模块48被配置为向扫描信号发生器电路46指示光栅组的起始角、扫描速率(或停留和步进率)、光栅扫描线的初始和终止位置、连续光栅扫描线之间的间隔和光栅盒的高度。电子束控制单元44的向量控制模块50被配置为向扫描信号发生器电路46指示初级电子束25的向量扫描线的向量起始点、向量方向、向量终点和扫描速率。
电子束控制单元44的束消隐控制模块52被配置为设置当以光栅扫描或向量扫描而跨样本36移动时初级电子束25的消隐的开始位置和停止位置。束消隐控制模块52可以向一组偏转板53、55施加电压，以将初级电子束25横向偏转到柱状物33中的下游孔径光阑57上，从而消隐电子束25，以使得初级电子不入射到样品36上。通过从偏转板53、55去除电压来恢复初级电子束25，以使得再次允许初级电子束25通过孔径光阑57中的开口而行进到样品38。当操作束消隐控制模块52以消隐初级电子束25时，来自样品36的二次电子发射停止，因为初级电子束25被阻止行进到样品36。
在光栅扫描模式下，将初级电子束25跨样品36的移动分成被称为扫描线的水平条序列。通过使电子束控制单元44中的扫描信号发生器电路46操作扫描线圈14、16、18、20以从起点到终点沿着平行于一个轴的线性路径以固定增量(或作为连续扫描)偏转初级电子束25来实施每个扫描线。允许初级电子束25在起点与终点之间的每个中间点处停留固定的停留时间。在每条扫描线的终点处，初级电子束25的位置沿着与第一轴正交的第二轴递增地前进。初级电子束25可以返回到第一轴的起点以开始下一连续扫描线，或者初级电子束25可以在相反方向上从终点被偏转返回起点。该过程继续，直到在样品36上已经追迹了所有光栅扫描线并且初级电子束25已经在每条扫描线中的所有点处停留为止。
SEM纳米探针10的图像显示控制单元40管理视频显示单元42的操作。在视频显示单元42上周期性地刷新二次电子图像94(图3)。图像显示控制单元40使显示在视频显示单元42上或存储在显示缓冲器54中并周期性地转发到视频显示单元42的二次电子图像94与由电子束控制单元44和扫描线圈14、16、18、20致使的初级电子束25的偏转密切同步。因此，视频显示单元42上得到的二次电子图像94是从样品36上的扫描区域发射的并且与其密切相连的二次电子35的强度的分布图。
图像显示控制单元40具有在视频显示单元42上的二次电子图像94上叠加CAD布局并且捕获这种操作者定义的信息以用于由电子束控制单元44控制电子束的能力。图像显示控制单元40包括用于SEM放大的补偿控制，以缩放电子束视场的图像以及缩放掩模、区域或CAD布局。使用二次电子图像94，纳米探针24、26、28、30由机动化纳米操纵器56、58、60、62操控以将纳米探针24、26、28、30的尖端定位成与样品36上的导电特征直接接触。在该定位过程期间，使用二次电子图像94来监测样品36上的接触点的位置及可任选地探针24、26、28、30的实时位置。当适当地定位了探针24、26、28、30的尖端时，将电测试信号从探针24、26、28引导到样品36上的导电特征。如本领域技术人员将意识到的，根据电气测试测量的类型，与SEM纳米探针10相关联的探针24、26、28、30的确切数量可以不同于图1中所示的代表性数量，并且其范围可以从一(1)个到八(8)个、或甚至多于八个。
SEM纳米探针10的操作由与样品台控制器34、图像显示控制单元40和电子束控制单元44电耦合的控制器64协调和控制。控制器64包括处理器66以及与处理器66耦合的存储器68。处理器66可以表示一个或多个个体处理器(例如，微处理器)，并且存储器68可以表示包括控制器64的主储存器的随机存取存储器(RAM)设备，以及任何补充级别的存储器，例如高速缓冲存储器、非易失性或备份存储器(例如，可编程存储器或闪存)、只读存储器等。此外，可以认为存储器68包括物理上位于控制器64中其它位置的存储器设备(例如，处理器66中的任何高速缓冲存储器)，以及用作虚拟存储器的任何储存器容量(例如，存储在大容量储存设备70上)。大容量储存设备70可以包含高速缓冲存储器或其它数据储存器，其可以包括一个或多个数据库72。数据库72可以例如包含用于实践本发明的实施例的CAD导航数据和CAD布局数据。
控制器64通常还接收用于外部通信信息的多个输入和输出。为了与用户或操作者相接口，控制器64通常包括图形用户界面74，其具有一个或多个输入设备(例如，键盘、鼠标、追迹球、操纵杆、触摸板、辅助键盘、触控笔和/或麦克风等)、以及显示器(例如，CRT监视器、LCD显示面板)和/或扬声器等、或其它类型的输出设备(例如，打印机)。到控制器64的接口还可以通过直接或远程连接到控制器64的外部终端，或通过经由网络76、调制解调器或其它类型的识别的通信设备与控制器64进行通信的另一计算机。控制器64通过网络接口78在网络76上进行通信。
控制器64在操作系统80的控制下进行操作，并执行或以其它方式依赖于各个计算机软件应用、组件、程序、对象、模块、数据结构等。一般来说，被执行以实施本发明实施例的例程，无论是作为操作系统的一部分还是特定应用、组件、程序、对象、模块或指令序列而实施的，在本文中将被称为“计算机程序代码”或简称为“程序代码”。计算机程序代码通常包括一个或多个指令，其在各个时间驻留在计算机中的各个存储器和储存设备中，并且当被计算机中的一个或多个处理器读取和执行时使得该计算机执行必要的步骤以执行具体化本发明的各个方面的步骤或要素。
SEM纳米探针10可以向用户提供利用用于测试器件的各个区域的各个实施例的指令和设置来对控制器64进行编程的能力。例如，用户可以经由用户接口74来提供用于选择纳米探针的接触目标的指令。可替换地，可以远程接收用于选择目标和选择测试协议的指令，例如从通过网络76可操作地耦合到控制器64的另一台计算机来接收该指令。
图2是例示了多个纳米探针尖端24、26、28和30接触器件36上的各个目标的简图。器件结构82可以是例如场效应晶体管或包含若干场效应晶体管的存储器单元等。探针24、26、28、30的尖端被设置为与端子或接触目标84、86、88、90接触，用于电气表征受测试的器件(DUT)的器件结构82。接触目标实际上可以小于探针尖端本身。图3例示了器件36的感兴趣区域ROI的SEM图像，示出了一些接触点和一些纳米探针尖端。同样示于图3中的是可以由用户使用的光标100，如下面将更详细地描述的。为了清楚起见，在图3中未示出叠加与ROI相对应的CAD设计图像的能力。
根据本发明的实施例，数据库148可以由处理器66经由网络76来询问。可替换地，来自数据库的适当数据被发送到存储器68或下载到存储器68上。数据库148中的数据可以采取CAD设计数据、网表或两者的形式。相反，CAD设计数据和网表可以存储在可以独立地连接到网络76的两个不同的数据库上。CAD设计数据描述了集成电路上各层的计划的几何形状，而网表描述了电子设计的连接性，即，单个网表是应当电连接在一起以使电路工作的所有组件端子的列表。因此，尽管CAD设计数据提供了可以与SEM图像进行比较并且与SEM图像配准/对准的可视图像，但网表提供了与SEM图像中所示的各个元件相关的电连接性数据。因此，例如，网表可以指示是否以及何时应当将接触部84电连接到接触部86。这种信息不是由CAD设计数据或SEM图像直接提供的。对这种连接性的知晓有助于确定哪些接触目标适合于执行哪些测试。例如，如果网表指示接触部84和86应当电连接(这对于SEM是不可见的，因为连接可能在器件的较低的、被遮蔽的层中)，则一个纳米探针可以向接触部84施加电势，而另一个纳米探针可以用于检查接触部86上的电势，以验证它们确实是电连接的。
根据另一实施例，SEM用于生成电压对比图像，并且电压对比图像用于识别目标。具体而言，根据该实施例，将电势施加到晶圆。例如，可以使用晶圆支撑件将电势施加到晶圆，其中，晶圆支撑件包括将电势施加到晶圆的电极。当然，电势可以是0V，即地电势。根据另一个示例，一个或多个纳米探针尖端可以接触晶圆内的导电元件并施加电势。然后使用SEM柱状物以使电子束对ROI进行扫描并收集从ROI发出的二次电子。来自处于所施加的电势的区域的二次电子的量将不同于来自与该电势绝缘的那些区域的二次电子的量。因此，从二次电子生成电压对比图像，其中，处于施加电势的区域以不同于与该电势绝缘的区域的强度显现。这个实施例在本文中称为有源电压(active voltage)对比。其中由纳米探针尖端所施加的电压变化的实施例在本文中称为动态电压对比。然后可以使用电压对比图像来识别纳米探针尖端的目标。根据另一实施例，电压对比图像可以叠加在SEM形貌图像上或CAD图像上以更好地识别适当的目标。另外，网表也可以与电压对比图像结合使用以识别适当的目标。
根据一个实施例，通过使电子束对ROI进行扫描同时使用晶圆支撑件向晶圆施加电压电势来获得静态电压对比图像。然后，通过在使用纳米探针向晶圆施加电压的同时扫描ROI来获得有源电压对比图像或动态电压对比图像。然后将活动图像或动态图像与静态电压对比图像进行比较，以确定DUT中的缺陷的位置和类型。
根据一个实施例，通过处理器66来实现自动目标获取。根据一个示例，处理器执行过程，其中，处理器操作SEM以生成ROI的SEM图像。然后，处理器将SEM图像与CAD设计数据进行比较，以识别ROI相对于DUT的其余部分的位置。一旦处理器识别出ROI位置，它就识别ROI内的元件，例如，接触部84和86以及线92。然后，处理器询问网表以确定ROI内的哪些元件应被纳米探针接触以执行电气测试。一旦处理器确定应当接触哪些元件，处理器就将纳米探针分配给每个元件。顺便提及，也可以通过用户操作光标100并点击不同的元件和探测器来对纳米探针执行分配。一旦将纳米探针分配给其各自的元件，处理器66就计算每个纳米探针的运动向量并进行检查以确保根据运动向量的运动不会导致纳米探针的碰撞。当未检测到碰撞时，处理器66向每个纳米探针发出运动向量以使其尖端移向所分配的元件。上述步骤中的每一个都可以自动地、半自动地(即，利用来自用户的一些输入)或手动地执行。
根据另外的实施例，一旦处理器获得ROI的CAD设计数据，处理器就根据由CAD设计数据指示的设计从参数测试库中选择参数测试。例如，处理器66可以根据CAD设计数据是否指示ROI包括SRAM、二极管、存储器单元等来选择不同的参数测试。另外，根据CAD设计数据，处理器可以选择多个纳米探针以在参数测试中使用。可替换地，根据从网表接收的信息来选择测试。
如前所述，可能存在需要将样品转移到另一个设备以进一步研究样品内的特定元件或准备样品以用于进一步研究的时候。然而，在当前技术中，元件是纳米尺寸的，并且即使使用最先进的粒子显微镜也非常难以找到。因此，根据一个实施例，当SEM获取感兴趣的目标并且确定可能需要进一步研究样本时，处理器遵循以下过程。处理器确定ROI内的安全区域。可以通过用户例如使用光标100指示位置、或者通过处理器自动地、半自动地或结合CAD设计数据的询问而执行确定来进行安全区域的确定。安全位置被定义为不是电路的一部分的位置。例如，其可以是绝缘区域，例如图3中所示的区域105。然后，处理器将运动向量发送到纳米探针之一以向安全区域移动。一旦纳米探针到达安全区域，处理器就向纳米探针发出指令以在相同区域中划出标记。为此，根据一个实施例，一个纳米探针装配有专业尖端，例如由例如金刚石、碳化硅(SiC)、氧化锆、Al2O3或其它硬质材料制成的硬化尖端，并且其是用于刮划样品的唯一纳米探针。因此，例如，装置10可以包括具有导电尖端(例如，由钨制成)的若干纳米探针，同时还包括具有硬化尖端的一个或多个纳米探针，其可以由绝缘体制成并且不用于参数测试。可替换地，导电尖端纳米探针之一可以用于刮划，尽管由于尖端的钝化或弯曲其可能需要更早的更换。然后，刮划标记可以由其它粒子或光学显微镜使用以更容易地找到和识别ROI和/或ROI内的目标。
根据上述过程，本发明的实施例可以包括一种用于研究样品的方法，其包括：对样品内的感兴趣区域进行成像，识别用于标记ROI的安全位置，使用纳米探针在安全位置中划出标记，以及将样品转移到另一个站(例如，受迫离子束)，以及通过使用显微镜(例如，光学或粒子束显微镜)搜索划痕来在下一个站处获取ROI。如果第二站不包括成像工具，但是用于对区域进行去处理(deprocess)(例如，从该区域移除层)，则安全标记区域需要在被去处理的区域外部。
DUT的探测可以包括使用硬化的探针来标记另外的感兴趣区域的步骤。根据该实施例，扫描电子显微镜(SEM)和纳米探针的组合用于通过实施以下步骤来探测DUT：获得DUT中的感兴趣区域(ROI)的SEM图像；获得ROI的CAD设计图像；将CAD设计图像与SEM图像进行配准以识别接触目标；获得对应于接触目标的电气设计，并使用该电气设计来确定应当选择哪个接触目标作为测试目标；对纳米探针导航以将纳米探针落在每个测试目标上并且形成纳米探针与各自测试目标之间的电气接触；以及使用具有硬化尖端的纳米探针在需要进一步研究的任何ROI上做出标记。电气设计可以是网表的形式。
根据另一实施例，执行以下方法以克服系统中的自然漂移，例如由于热变化导致的样品或系统部件的漂移。在一个示例中，一旦确定了要执行的测试类型，则确定执行整个测试所需的时间段。然后将该时间段与阈值时段进行比较。阈值时段可以根据预期或潜在漂移时间来计算。例如，根据样品的材料，可以确定在五秒内漂移就可以大到足以使得与接触元件接触的尖端变形或使尖端滑离接触元件。因此，可以将阈值时段设置为四或五秒。如果确定测试时段大于漂移时段，则将测试分为若干子测试，每个子测试需要总测试时段的一个子时段。例如，如果确定整个测试将花费30秒来完成，则可以将测试分为六个子测试，每个子测试需要五秒来完成。然后在每个子测试之间，将尖端从它们的接触元件升起，对ROI成像，如果检测到漂移则校正纳米探针与它们各自的着陆目标的对准，并且将尖端重新落在它们各自的接触元件上用于下一个子测试。
在上述方法中，可能每个子测试需要不同数量的纳米探针，因为每个子测试可能测试ROI内的不同元件。在这种情况下，对于每个子测试，该方法继续识别参与这种子测试的接触元件的数量。然后，该方法继续向那些接触元件分配纳米探针。然后，对于每个子测试，仅将纳米探针的子集落在分配的元件上，按照该特定子测试所需要的。在每个子测试结束时，将着陆的纳米探针提离接触元件，并将下一子集落在下一组接触元件上以执行下一子测试。
本发明的另一实施例有助于通过事先知晓纳米探针的接触元件的预期几何布置来缩短目标获取的时间。例如，相对于图2的图示，设计结构82可以在整个样品中重复许多次。它也可以在相同或相似芯片设计的其它样品中重复。因此，根据该实施例，将设计与接触元件的相关联的几何形状和用于所分配的纳米探针的运动向量一起存储在存储器设备(例如，储存器70或数据库148)中。例如，元件82的图像可以与模拟出现在管芯上的数量6的几何形状(即，每行具有三个点的两个平行的行)以及相关联的运动向量(每个具有其分配的纳米探针)一起存储。然后，当在SEM的视场中识别特定形状时，可以立即识别出该图案，并且将运动向量发送到所分配的纳米探针。
另一方面，图4例示了特别适于测试重复图案布置的另一实施例。在图4中，纳米探针包括微操纵器，例如操纵器56。探针臂51在一端附接到操纵器56，使得操纵器可以根据运动向量而移动臂51。探针头59附接在臂51的另一端，并且在本文中有时被称为纳米探针卡。探针头59具有固定地附接到探针头59的多个探针尖端61。探针尖端61以单个特定取向附接到探针头59，例如以对应于接触元件的特定几何形状。在图4的示例中，四个探针尖端61以与DUT 36的接触元件81的布置相对应的固定取向附接到探针头59。由于探针尖端61以一个单个取向固定地附接到探针头59，该特定探针头可以仅用于利用接触元件81的测试。然而，要注意的是，如果需要，系统中的其它标准纳米探针可以用于接触其它接触元件。然而，对于具有被布置为元件81的接触元件的任何设备，可以使用该特定的探针头。这个布置具有能够使用单个致动器56使四个纳米探针同时着陆的优点。
在图4的实施例中，提供了四个单独的引线83，每个探针尖端61一个。以此方式，每个探针尖端可以分别向其接触元件传送不同的电流或信号。当然，如果以相同的电流或测试信号激励所有接触点，则可以使用一个引线83向四个尖端61传送功率。
同样在图4中示出的是提供了替换探针头59'。图4中可见，在探针头上提供了快速拆卸耦合器(coupler)98。在52上提供了相对应的拆卸耦合器，但在图4的图示中不可见。提供拆卸耦合器实现了对探针头的更换以用于测试不同的目标或运行不同的测试。
如在该示例中所示，替换探针头59'具有被设计为接触下部四个接触元件81中的两个接触元件的两个探针尖端以及被定向为落在接触元件81'上的两个探针尖端61'。因此，根据一个实施例，探针头可以从臂51移除并可以与其它探针头互换。此外，根据一个实施例，每个DUT具有为在该特定DUT上发现的测试元件专门制造的一组探针头59。因此，当选择DUT用于测试时，确定分配给特定DUT的探针头集合并且该探针头集合被安装在相应的探针臂上。
根据另一实施例，同样在图4中示出，在探针头的顶部表面上提供了对准目标。这仅在探针头59'上示出，但可以在任何探针头上提供。对准目标被配置为通过SEM或其它粒子显微镜可见。这可以使用不同的形貌或材料来完成。例如，探针头59可以由陶瓷材料制成，而目标93可以是沉积或嵌入的导体，例如金。当操纵器56移动臂以使探针尖端对准而着陆到其目标上时，SEM可以用于对探针头成像并使用对准目标来确保所有探针尖端将确实落在其接触元件上。
在上述实施例中，在探针尖端落在它们各自的目标上之后，控制器将测试信号发送到每个探测器。测试信号可以是简单的正、负或地电势，或者实际上可以是变化的模拟或数字信号，或这些的组合。在将这些信号发送到探针尖端时，电路中具有到任何探针尖端处的测试信号的导电路径的区域和元件将承担该电势。可以说元件或区域处于测试信号电势。在该时间期间，操作SEM柱状物以使电子束对ROI进行扫描并收集从ROI发出的二次电子。二次电子与ROI内的每个区域或元件的电势相互关联，并且可以用于生成探针电压对比图像。该探针电压对比图像可以与在尖端落在目标上之前所生成的电压对比图像进行比较，从而调查电路中的互连缺陷。
本文所使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或另有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。此外，就具体实施方式或权利要求中使用术语“包括”、“具有”、“具备”、“有”或其变型而言，这些术语旨在以类似于术语“包括”的方式是包括性的。还应当理解，本发明的实施例的特征在附图中不一定按比例示出。
针对所公开的过程描述的步骤可以是手动的、部分自动化的或基本上自动化的。例如，手动步骤可以基本上依赖于用户输入。过程的部分自动化实施例可以自动执行过程的动作和/或决策的子集，同时依赖于针对动作/决策的剩余部分的用户输入。部分自动化实施例的自动化方面可以包括过程启动、过程执行、过程监测和/或调整(例如，时间、功率、速度、力等)、过程终止、和/或过程错误等。过程的基本上自动化的实施例可以基本上依赖于自动化机器人和/或其它机械或装置、和/或基本上自动化的计算硬件和/或软件，以使得例如在过程期间对探针的选择可以在基本上没有用户输入的情况下执行。其中自动化程度可以基本上与在特定方法或方法组件或其特定装置或功能期间所需或采用的用户输入的量成反比的规约也适用于该方法的其它方面，并且适用于在本公开内容的范围内的其它方法和装置的方面。
以下权利要求中的所有模块或步骤加功能元件的相对应的结构、材料、动作和等效形式都旨在包括用于与具体要求保护的其它要求保护的元件相结合来执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本发明的描述，但是其并非旨在是穷举性的或者以所公开的形式限制本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使得本领域技术人员能够理解具有各种修改的各个实施例的本发明适于预期的特定用途。

Claims (20)

1.一种用于对半导体器件执行纳米探测的纳米探针，包括：
致动器；
探针臂，所述探针臂在第一端部处耦合到所述致动器，其中，所述致动器被配置为根据所述致动器接收到的运动信号来移动所述探针臂；
探针头，所述探针头附接到所述探针臂的第二端部；
多个探针尖端，每个探针尖端均以特定的单个取向固定地附接到所述探针头，以使得所述多个探针尖端形成与所述半导体器件的探测目标的几何布置相对应的固定布置。
2.根据权利要求1所述的纳米探针，其中，所述探针头还包括对准目标。
3.根据权利要求2所述的纳米探针，其中，所述探针头包括绝缘体材料，并且所述对准目标包括导电材料。
4.根据权利要求3所述的纳米探针，其中，所述对准目标包括金。
5.根据权利要求1所述的纳米探针，其中，所述探针尖端中的每个探针尖端均包括导电材料，并且还包括多条导电线，每条导电线均连接到所述探针尖端中的一个探针尖端。
6.根据权利要求1所述的纳米探针，其中，所述探针臂包括能够将所述探针头从所述探针臂拆卸下来的拆卸耦合器。
7.根据权利要求1所述的纳米探针，还包括具有多个探针尖端的第二探针头，每个探针尖端均以单个取向固定地附接到所述第二探针头，以使得所述多个探针尖端形成第二固定布置，并且还包括能够以所述第二探针头来替换所述探针头的拆卸耦合器。
8.一种用于对半导体器件执行纳米探测的系统，包括：
真空腔；
扫描电子显微镜柱状物，所述扫描电子显微镜柱状物被设置为在所述真空腔内部辐射电子束；
多个纳米探针，所述多个纳米探针被设置在所述真空腔内部；
其中，所述纳米探针中的至少一个纳米探针包括：
致动器；
探针臂，所述探针臂在第一端部处耦合到所述致动器，其中，所述致动器被配置为根据所述致动器接收到的运动信号来移动所述探针臂；
探针头，所述探针头附接到所述探针臂的第二端部；
多个探针尖端，每个探针尖端均以特定的单个取向固定地附接到所述探针头，以使得所述多个探针尖端形成与所述半导体器件的探测目标的几何布置相对应的固定布置。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括多个替换探针头，每个替换探针头均包括多个探针尖端，每个探针尖端均以单个取向固定地附接到所述探针头，以使得所述多个探针尖端形成与所述半导体器件的探测目标的几何布置相对应的固定布置。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述纳米探针中的至少一个纳米探针包括：
致动器；
探针臂，所述探针臂在第一端部处耦合到所述致动器，其中，所述致动器被配置为根据所述致动器接收到的运动信号来移动所述探针臂；
硬化的探针尖端，所述硬化的探针尖端附接到所述探针臂。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述硬化的探针尖端包括金刚石。
12.根据权利要求8所述的系统，所述探针头还包括对准目标。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述探针头包括绝缘体材料，并且所述对准目标包括导电材料。
14.根据权利要求13所述的纳米探针，其中，所述对准目标包括金。
15.根据权利要求8所述的纳米探针，其中，所述探针尖端的至少一个子集包括导电材料，并且还包括多条导电线，每条导电线均连接到包括导电材料的所述探针尖端中的一个探针尖端。
16.根据权利要求8所述的纳米探针，其中，所述探针臂包括能够将所述探针头从所述探针臂拆卸下来的拆卸耦合器。
17.一种用于使用扫描电子显微镜(SEM)和纳米探针的组合来探测待测半导体器件(DUT)的方法，所述方法包括以下步骤：
获得所述DUT中感兴趣区域(ROI)的SEM图像；
获得所述ROI的CAD设计图像；
将所述CAD设计图像与所述SEM图像进行配准以识别接触目标；
获得对应于所述接触目标的网表，并且使用所述网表来确定应当选择哪个接触目标作为测试目标；以及
对纳米探针导航以使纳米探针落在所述测试目标中的每个测试目标上并且在所述纳米探针与相应的测试目标之间形成电气接触。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，进一步的步骤包括检查所述网表以从可用电气测试的列表中选择要使用所述纳米探针执行的至少一个电气测试。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括将测试信号发送到所述纳米探针中的每个纳米探针。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
在将所述测试信号发送到所述纳米探针中的每个纳米探针的同时，使电子束对所述ROI进行扫描，收集从所述ROI发出的二次电子，从而生成所述ROI的电压对比图像，其中，连接到所述测试信号的区域显现出与所述测试信号绝缘的区域不同的强度。
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