外應力量測設計

現今的半導體技術中，應變矽與應變工程已成為半導體主要的製程之一，由 於現今半導體元件尺寸微縮的愈來愈小，相對的啟動電壓也逐年變小中，因此元 件處於低電壓環境工作時，對於微小的雜訊干擾相對於早期大尺寸電晶體元件而 言敏感許多，根據文獻[9] [10]中提到，應力大小在通道中呈現不均勻分布，不同 的通道長度，其應力大小分布也會不一樣，因此電晶體之基本電性與通道長度有 相當大的密切關係，長通道受到的應力比短通道來的大，矽的壓阻係數對於通道 長短而言，長通道的變化率要比短通道要來的明顯，在外應力的作用下，長通道 相比短通道會來的比較好施壓形變[11][12]。

為了做外應力實驗，施加外應力於通道，其中外應力施壓分別為與通道平行 ( Longitudinal )以及與通道垂直( Transverse )兩部分，根據研究結果[13][14]，施 力與通道平行其實驗結果會有較大的變化量，因此本實驗採用施力與通道平行的 量測方式，實驗結果會在第三章節中做討論。本小節中針對外應力治具設計與施 壓方式以及施壓的應力大小來說明。

首先我們設計了上頂與下頂兩種不同的應力效應實驗，於是使用了 AutoCad 進行多樣的治具設計模擬，最後決定此種的外應力治具，如圖 2-5-1 和 2-5-2。有 了 3D 模型圖以後，我們進而聯繫模具工廠進行模具製作。

有了外應力治具後，如圖 2-5-3 和 2-5-4，再者我們判斷通道的方向，如圖 2-5-5，為顯微鏡下的元件腳位佈局圖，選定一顆元件放大後，我們可以經由 UMC 提供的腳位資料判定通道平行以及垂直的方向，如圖 2-5-6。通道方向判斷確定 後，我們將晶片切成 35mm×35mm 的正方形，並讓元件靠近夾片中，大約距離 夾片約 5 mm，如圖 2-5-7 和 2-5-8，當晶片越靠近夾片，其應力相對的大，而應 力大小的計算，我們根據結構樑臂力學在下面進行說明。根據結構樑臂力學的分 析，如圖 2-5-9，其應力( S )大小公式如下 :

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𝑆 = ^𝑊_𝑍( 𝐿 − 𝑥 )(𝑃𝑎)---(1)

𝑊 =^{3×𝑦×𝐸×𝐼}_𝐿3 (𝑁)---(2)

𝐼 = ^𝑏×ℎ₁₂³---(3)

𝑍 = ^𝑏ℎ₆²---(4)

其中，L 樑臂的長度(單位 m )，W 為施加的重量(單位 Norton )，x 為元件的 位置(單位 m )，y 為螺絲的高度(單位 m )，I 為轉動慣量，b 為晶片的寬度(單位 m )，h 為晶片的厚度(單位 m )，Z 為截面係數，E 為矽的楊氏係數。

有了以上應力公式，各別套入每個參數，L = 33 mm，W = 6.34 Norton，x = 3 mm，y = 0.22 mm(半圈螺絲高度)，I = 1.0×10^-12 m⁴ ，b = 35 mm，h = 0.7 mm，Z

= 2.858×10^-9 m³，E = 150 GPa。如此一來將可以求出螺絲圈數旋轉 1 圈以及 1/2 圈的所對應的應力大小分別為 133.1MPa 與 66.55MPa。

本次外應力實驗的步驟，首先切好通道平行的鰭式場效電晶體，先進行通道 平行的電晶體上頂 1/2 圈螺絲圈以及上頂 1 圈螺絲圈的動作，完成後再進行對晶 片平行下頂 1/2 圈螺絲圈以及下頂 1 圈螺絲圈的動作。由於本實驗具有破壞性，

因此在實驗操作時，所有實驗步驟必頇一次完成而中途不能中斷。

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Silicon Substrate Oxide Oxide

Gate

Source

Drain

圖 2-1-2 晶圓旋轉 45∘下，使通道由[110]方向轉變為[100]

圖 2-1-1 FinFET 結構

D S D S

[110] [100]

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圖 2-2-1 八吋探針座系統

圖 2-2-2 半導體元件參數分析儀(B1500A Semiconductor Device Parameter Analyzer)

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圖 2-2-3 機台開關轉換裝置 E5250A (Low-Leakage Switch Mainframe)

圖 2-2-4 Easy Expert 軟體

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圖 2-2-5 originlab8.6 程式

圖 2-2-6 量測環境

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圖 2-5-1 AutoCad 下頂 3D 示意圖

圖 2-5-2 AutoCad 上頂 3D 示意圖

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圖 2-5-3 上頂(壓縮應力)實體壓克力治具

圖 2-5-4 下頂(伸張應力)實體壓克力治具

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圖 2-5-5 顯微鏡下旋轉通道與未旋轉通道元件圖

圖 2-5-6 顯微鏡下元件通道方向圖

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圖 2-5-7 上頂(壓縮應力)晶片實驗實體圖

圖 2-5-8 下頂(伸張應力)晶片實驗實體圖

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圖 2-5-9 結構樑臂力圖

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