CN101958262A - 失效检测方法以及失效检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种失效检测方法以及失效分析装置,用于检测导电体上的缺陷,所述失效检测方法包括:在待测导电体上设置至少两个输出端,且所述输出端电势位相等;依次向所述待测导电体上沿预定路径排列的检测点输入恒定的检测电流;检测各输出端的输出电流;基于各检测点的位置信息以及各输出端的输出电流信息,建立输出端输出电流与检测点位置之间的对应关系;根据所述对应关系判定检测点是否存在缺陷。本发明所提供的失效检测方法,能够精确进行缺陷定位;并且使用带电粒子束作为检测电流源以避免照射点的尺寸限制,满足了小尺寸失效分析的需求。

Description

失效检测方法以及失效检测装置
技术领域
本发明涉及半导体制造领域,尤其涉及一种对半导体器件中的金属互连线进行的失效检测方法以及失效检测装置。
背景技术
在半导体制造领域,半导体器件的失效分析是用于改善工艺技术的可靠性和稳定性的反馈过程,涉及发现和纠正缺陷的根源以克服由缺陷产生的问题。适当的失效分析对于改善半导体器件的质量是关键的。不正确的失效分析可能加长开发和提升半导体器件产品所需的周期。一般地,失效分析包括外部检查、非破坏性分析、电性能检测、破坏性分析等。
为了提高半导体器件的集成度,需要在有限区域内获得尽可能多的元器件数量,进一步增加了半导体器件的复杂度,使得仅仅通过外部检查或电性能检测等方法并不能准确分析出失效的根源,这就需要直接曝露半导体器件的内部结构,以研究其失效情况。
随着线宽尺寸的日益微缩,进入45纳米工艺后,金属互连线上存在的缺陷将极大影响器件的性能,即使是很细小的缺陷都将导致半导体器件完全报废,因此对内部金属互连线的失效分析是非常重要的部分,一般而言,金属互连线上存在的缺陷包括空穴凸起、微粒杂质等。
在半导体领域内,现有的一种对芯片进行失效分析的技术为激光束诱发阻抗变化异常检测(optical beam induced resistance change,以下简称OBIRCH),利用激光扫描技术进行失效定位分析,主要原理如图1所示,在待测器件1的输入端2以及输出端3之间外加电压,对待测器件1进行直流测试,同时利用激光扫描器件内部的连接节点4,所述连接节点4为半导体器件中各功能区域或者元器件之间的连接位置,通过激光的热效应产生温度变化,借此产生连接节点4处的阻值变化,从而引起输出端3的输出电流变化,并记录所述输出电流的变化趋势,经过与良品进行上述测试时的输出电流变化进行比对,查找导致失效的缺陷所在位置。此项技术能够较快的定位半导体器件中的缺陷所在区域,而且可以通过多次测试,逐层缩小缺陷范围,最终精确定位缺陷位置。
然而OBIRCH技术仅适合半导体器件的大范围缺陷定位,无法满足小尺寸失效分析的需要,尤其在对尺寸狭窄的金属互连线进行缺陷检测时,由于激光光斑尺寸的限制,OBIRCH技术存在缺陷查找的灵敏度以及定位精度太低的问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种失效检测方法以及失效检测装置,适于半导体器件中金属互连线的缺陷定位,满足小尺寸的失效分析需要。
为解决上述问题,本发明提供了一种失效检测方法,用于检测导电体的缺陷,包括:
在待测导电体上设置至少两个输出端,且所述输出端电势位相等;
依次向所述待测导电体上沿预定路径排列的检测点输入恒定的检测电流;
检测各输出端的输出电流;基于各检测点的位置信息以及各输出端的输出电流信息,建立输出端输出电流与检测点位置之间的对应关系;
根据所述对应关系判定检测点是否存在缺陷。
更进一步的,本发明还提供了一种失效检测方法,用于检测导线上的缺陷,包括:
在导线两端分别设置输出端,且所述输出端电势位相等;
依次向所述导线上沿预定路径排列的检测点输入恒定的检测电流;
检测各输出端的输出电流;基于各检测点的位置信息以及各输出端的输出电流信息,建立输出端输出电流与检测点位置之间的对应关系;
根据所述对应关系判定检测点是否存在缺陷。
基于上述失效检测方法,本发明还提供了一种失效检测装置,适于检测导电体上的缺陷,所述待测导电体设有至少两个输出端,且所述输出端电势位相等,具体包括:
检测电流输入模块,用于依次向待测导电体上沿预定路径排列的检测点输入检测电流;
输出电流检测模块,用于检测所述输出端的输出电流;
分析模块,基于各检测点的位置信息以及各输出端的输出电流信息,建立所述各输出端的输出电流关于检测点位置的对应关系,对待测导电体进行失效检测。
与现有技术相比,本发明所提供的失效检测方法,将检测点作为检测电流输入端,分析多个输出端的输出电流,能够精确进行缺陷定位;并且使用带电粒子束作为检测电流源以避免照射点的尺寸限制以及热效应,满足了小尺寸失效分析的需求,避免损害待测器件。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明,本发明的上述及其他目的、特征和优势将更加清晰。附图中与现有技术相同的部件使用了相同的附图标记。附图并未按比例绘制,重点在于示出本发明的主旨。在附图中为清楚起见,放大了相关结构的尺寸。
图1为现有的OBIRCH技术进行失效分析的原理示意图;
图2为本发明所述的一种失效检测方法流程示意图;
图3为本发明所述的另一种失效检测方法流程示意图;
图4为本发明所述失效检测方法第一实施例原理示意图;
图5为本发明所述失效检测方法第一实施例等效电路图;
图6为所述第一实施例的输出端电流关于检测点位置的对应曲线图;
图7为本发明所述失效检测方法第二实施例原理示意图;
图8为本发明所述失效检测方法第二实施例等效电路图;
图9为所述第二实施例的输出端电流关于检测点位置的对应曲线图;
图10为本发明所述失效检测装置示意图。
具体实施方式
根据电荷守恒定律,器件的输出电流总和等于输入电流总和,因此如果在导电体上设置若干电势位相等的输出端(即各输出端电势位相同),并在导电体上输入检测电流时,所有输出端的电流总和是一个定值。由于电流总是趋向于阻抗最小的路径,所以各输出端的电流大小取决于该输出端与检测点之间的电阻大小。当检测点的位置发生变化时,各输出端的电流大小也会发生相应变化,这种变化应当是相对应且唯一的,即在固定的检测点输入相同的检测电流,各输出端的输出电流应当是固定的,所述各输出端的输出电流与检测点的位置形成对应的关系。如果该检测点或者其邻界范围出现了缺陷,在输入相同的检测电流时,各输出端的输出电流就将改变,上述对应关系也随之发生变化。
基于上述原理,根据待测导电体的具体情况,提供了以下失效检测方法。
如图2所示,本发明所述的一种失效检测方法流程示意图,具体步骤包括:
S20、在待测导电体上设置至少两个输出端,且各输出端电势位相等;预先确定检测点在待测导电体上的排列路径;
作为优选方案,各输出端尽可能的均匀分布在待测导电体上。
S21、依次向所述待测导电体上沿预定路径排列的检测点输入恒定的检测电流;
作为优选方案,使用能量恒定的带电粒子束照射检测点作为检测电流源,所述带电粒子束可以为电子束也可以为离子束。
S22、检测各输出端的输出电流;基于各检测点的位置信息以及各输出端的输出电流信息,建立输出端输出电流与检测点位置之间的对应关系;
所述对应关系,可以是单个输出端的输出电流大小、变化率等关于检测点位置的变化曲线,也可是若干输出端的输出电流之间的差值、比值等关于检测点位置的变化曲线;可根据变化关系信息是否易于表示、数据采集是否便捷等具体需要,确定其表征含义。
S23、根据所述对应关系判定检测点是否存在缺陷。
以下为判定依据:
对于形状均匀、平滑过渡的导电体,如果检测点及其邻界范围内不存在缺陷,沿预定移动路径移动检测点的位置时,所述对应关系应当规律性变化,若在某一检测点处,对应关系发生不规则变化,则判定当前检测点或者其邻界范围内存在缺陷。
对于形状或材质存在突变的导电体,沿预定移动路径移动检测点的位置时,除在已知的形状或材质突变处之外,所述对应关系也应当规律性变化,若在某一非形状或材质突变的检测点处,对应关系发生不规则变化,则判定当前检测点或者其邻界范围内存在缺陷。
更进一步地,如果待检测的导电体是导线,上述情况将进一步简化。对于一维导线,只需要在两端设置接地的输出端,当保持输入的检测电流恒定,沿导线移动检测点的位置时,且假设导线上不存在缺陷,两输出端的输出电流关于检测点位置的对应关系基本是线性变化,推导过程见后续实施例,如果该对应关系出现突变可以直接判定检测点或者其邻界范围存在缺陷。
基于上述原理,如图3所示,本发明所述的另一种失效检测方法流程示意图,具体步骤包括:
S30、在导线的两端分别设置输出端,且输出端的电势位相等;预先确定检测点在导线上的排列路径;作为优选方案,可以将导线的两端直接接地,所述检测点的排列路径可以为从导线一端移动至另一端。
S31、依次向所述导线上沿预定路径排列的检测点输入恒定的检测电流;
作为优选方案,使用能量恒定的带电粒子束照射检测点作为检测电流源,所述带电粒子束可以为电子束也可以为离子束。
S32、检测各输出端的输出电流;基于各检测点的位置信息以及各输出端的输出电流信息,建立输出端输出电流与检测点位置之间的对应关系;
所述对应关系的具体表征含义根据需要选择,与前述的失效检测方法类似,此处不再赘述。
S33、根据所述对应关系判定检测点是否存在缺陷。
判定依据如下:
如果检测点及其邻界范围内不存在缺陷,沿预定移动路径移动检测点的位置时,所述对应关系应当线性变化,若在某一检测点处,对应关系发生不规则变化,则判定当前检测点或者其邻界范围内存在缺陷。
以上两种失效检测方法分别应对不同的失效检测需要。在实际的失效分析过程中,可根据被测器件具体情况灵活选择或者组合使用。比如在半导体领域进行失效分析时,由于半导体结构中的导电层、互连线、元器件等错综复杂,可以组合使用上述方法。对具体的半导体结构进行失效检测时,可以采用先检测区域节点、再检测互连线路、最后检测元器件的步骤,逐步缩小缺陷所在范围,以提高失效检测的准确性以及失效分析的效率。
下面结合具体实施例,对上述失效检测方法做进一步介绍。
如图4所示,为本发明所述失效检测方法第一实施例示意图。
其中,待测导电体为一块材质均匀但形状不规则的金属板,为简化情况以便推导说明,假设所述金属板总长为L,由长度为L1以及长度为L2(L2=L-L1)厚度不同的两部分组成,所述长度为L1的部分横截面积为S1,长度为L2的部分横截面积为S2;所述金属板的电阻率为ρ;将所述金属板的两端分别通过电流计A1以及电流计A2接地。
在失效检测时,使用恒定能量的带电粒子束照射金属板,并沿预先设定的移动路径,扫描金属板,同时记录两输出端的输出电流变化以及相应的带电粒子束照射位置。所述带电粒子束相当于电流大小为I的恒定电流源;两输出端的电流计A1以及A2所记录的输出电流分别为I1以及I2;照射点即检测点距离金属互连线连接电流计A1一端的距离为x;所述检测点将金属互连线分为长度为x的左侧部分以及长度为L-x的右侧部分,两部分的电阻分别为R1以及R2
假设金属板长宽比较大,将其等效为一维导体,则存在以下关系式:
金属板单位长度的电阻为ρl=ρ/S;
R 1 = ∫ 0 x ρ l ( x ) dx = ∫ 0 x ρ ( x ) / S 1 dx ; ( x ≤ L 1 ) ∫ 0 x ρ l ( x ) dx = ρ L 1 / S 1 + ∫ L 1 x ρ ( x - L 1 ) / S 2 dx ; ( L > x > L 1 ) ;
R 2 = ∫ 0 x ρ l ( x ) dx = ∫ x L 1 ρ ( x ) / S 1 dx + ρ ( L - L 1 ) / S 2 ; ( x ≤ L 1 ) ∫ 0 x ρ l ( x ) dx = ∫ x 1 L ρ ( L - x ) / S 2 dx ; ( L > x > L 1 ) ;
R1+R2=ρL1/S1+ρ(L-L1)/S2=R;其中R为所述金属板的总电阻。
如图5所示,为上述实施例的等效电路图,相当于将金属板的两部分并联,检测点作为输入端输入电流I,则存在以下关系式:
I 1 = R 2 R I
I 2 = R 1 R I
假设金属板连接电流计A1的一端为原点,则检测点的位置坐标为x;将以上各关系式进行联立,容易建立输出电流I1以及I2关于检测点的位置坐标x的关系式,如下所示:
dI 1 dx = I R dR 2 dx = - I R ρ ( x ) / S 1 ; ( x ≤ L 1 ) - I R ρ ( x ) / S 2 ; ( L > x > L 1 )
dI 2 dx = I R dR 1 dx = I R ρ ( x ) / S 1 ; ( x ≤ L 1 ) I R ρ ( x ) / S 2 ; ( L > x > L 1 ) ;
d ( I 2 - I 1 ) dx = I R d ( R 1 - R 2 ) dx = 2 I R ρ ( x ) / S 1 ; ( x ≤ L 1 ) 2 I R ρ ( x ) / S 1 ; ( L > x > L 1 )
将以上关系式反映在坐标曲线上将得到两输出端的输出电流关于检测点位置的对应关系,所述对应曲线a、对应曲线b分别为两输出端电流大小关于检测点坐标的变化曲线,对应曲线c为两输出端电流的差值变化率关于检测点坐标的变化曲线,根据以上关系式可知各对应曲线应当为分段曲线,其中对应曲线a、对应曲线b的斜率分别为
Figure B2009100549516D0000086
而对应曲线c的曲线函数为
d ( I 2 - I 1 ) dx .
假设在金属板上坐标为x1以及x2两位置处存在缺陷,所述缺陷使得该处的电阻率只有ρ/2,为金属板正常部分的一半。则当带电粒子束按预定检测点的移动路径,沿金属板的一端向另一端进行扫描时,将得到如图6所示的坐标曲线图。
从图6可见,所述对应曲线a、对应曲线b以及对应曲线c均在坐标为x1、L1以及x2三位置处发生了突变,从以上关系式可推得在x1以及x2位置处各对应曲线的斜率为正常情况的两倍,而L1作为金属板已知的外形突变处,所以对应曲线在此位置的突变应当被排除,因此根据本发明所述失效检测方法,也能够容易并且直观地检测出缺陷的具体位置。
需要指出的是,虽然本实施例中,使用的对应曲线a、对应曲线b以及对应曲线c分别表征输出电流I1、输出电流I2,以及两输出电流差值(I2-I1)变化率与检测点位置x的对应关系;但在实际失效检测时,可以选择上述对应关系的任意一种,检测相应的输出端电流,便能够完成缺陷的检测查找,而并不需要检测所有输出端的情况。
如图7所示,为本发明所述失效检测方法第二实施例示意图。
其中,待测导电体为半导体器件中一段介质均匀的金属互连线,该段金属互连线长度为L,横截面积为S,金属电阻率为ρ。将所述金属互连线的两端分别通过电流计A1以及电流计A2接地。
在缺陷检测时,使用恒定能量的带电粒子束照射金属互连线,并沿预先设定的移动路径,扫描金属互连线,同时记录两输出端的输出电流变化以及相应的带电粒子束照射位置。所述带电粒子束相当于电流大小为I的恒定电流源;两输出端的电流计A1以及A2所记录的输出电流分别为I1以及I2;照射点即检测点距离金属互连线连接电流计A1一端的距离为x;所述检测点将金属互连线分为长度为x的左侧部分以及长度为L-x的右侧部分,两部分的电阻分别为R1以及R2
则存在以下关系式:
金属互连线单位长度的电阻为ρl=ρ/S;
R 1 = ∫ 0 x ρ l ( x ) dx ;
R 2 = ∫ x L ρ l ( x ) dx ;
Figure B2009100549516D0000101
其中R为金属互连线的总电阻。
如图8所示,为本实施例的等效电路图,相当于将金属互连线的两部分并联,检测点作为输入端输入电流I,两端部的输出电流分别为I1以及I2,则存在以下关系式:
I 1 = R 2 R I
I 2 = R 1 R I
假设金属互连线连接电流计A1的一端为原点,则检测点的位置坐标为x;将以上各关系式进行联立,容易建立输出电流I1以及I2关于检测点的位置坐标x的关系式,如下所示:
dI 1 dx = I R dR 2 dx = - I R ρ l ( x )
dI 2 dx = I R dR 1 dx = - I R ρ l ( x ) ;
d ( I 2 - I 1 ) dx = I R d ( R 1 - R 2 ) dx = 2 I R ρ l ( x )
将以上三种关系式反映在坐标曲线上将得到两输出端的输出电流关于检测点位置的对应关系,所述对应曲线a、对应曲线b分别为两输出端电流大小关于检测点坐标的变化曲线,对应曲线c为两输出端电流的差值变化率关于检测点坐标的变化曲线,根据以上关系式可知所述各对应曲线应当为直线,其中对应曲线a、对应曲线b的斜率分别为
Figure B2009100549516D0000107
而对应曲线c的曲线函数为
假设在金属互连线上坐标为x1以及x2两位置处存在缺陷,所述缺陷使得该处的电阻率只有ρ/2,为金属互连线的一半。则当带电粒子束按预定检测点的移动路径,沿金属互连线的一端向另一端进行扫描时,将得到如图9所示的坐标曲线图。
从图9可见,所述对应曲线a、对应曲线b、对应曲线c均在坐标为x1以及x2两位置发生了突变,而从以上关系式可推得该处位置各对应曲线的斜率为正常情况的两倍,因此根据本发明所述失效检测方法,能够容易并且直观地检测出缺陷的具体位置。与第一实施例相同,在实际失效检测时,可以选择上述的三条对应曲线所表征的对应关系的任意一种,并检测相应的输出端电流,完成金属互连线上缺陷的检测查找。
本发明基于上述失效检测方法,还提供了一种失效检测装置,适于检测导电体上的缺陷,所述待测导电体设有至少两个输出端,且所述输出端电势位相等,如图10所示,主要包括:
检测电流输入模块10,用于依次向待测导电体上沿预定路径排列的检测点输入检测电流;
若干输出电流检测模块20,用于检测所述输出端的输出电流;
分析模块30,基于各检测点的位置信息以及各输出端的输出电流信息,建立所述各输出端的输出电流关于检测点位置的对应关系,对待测导电体进行失效检测。
所述失效检测装置还包括还包括移动装置12以及承载台40;所述移动装置12用于改变带电粒子束发生器在待测导电体上的照射位置;所述承载台40用于承载固定待测导电体。
其中,检测电流输入模块包括带电粒子束发射器11,用于产生带电粒子束照射待测导电体。
移动装置12可以直接对准以及移动带电粒子束发射器11,而固定承载台40,使得带电粒子束发生器11能够扫描待测导电体;作为另一个可选方案,还可以将带电粒子束发射器11的固定,而移动装置12驱动待测导电体的承载台40,使得带电粒子束的照射位置在待测导电体上移动。
所述输出电流检测模块20包括电流计,所述电流计的一端连接待测导电体,另一端连接固定的电势位,可以是接地;由于电流计的内阻视为零,因此使得待测导电体各输出端的电势位相等。
分析模块30可以接收移动装置12产生的检测点位置信息,以及输出电流检测模块20产生的各输出端的输出电流信息,建立输出端的输出电流关于检测点位置的对应关系,对待测导电体进行失效检测;作为另一个可选方案,所述分析模块30还可以生成扫描路径,并通过控制移动装置12,使得带电粒子束发生器11按照所述扫描路径照射待测导电体,并通过输出电流检测模块20检测各输出端的输出电流,建立输出端的输出电流关于检测点位置的对应关系,对待测导电体进行失效检测。
本发明虽然以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定权利要求,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以做出可能的变动和修改,因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种失效检测方法,用于检测导电体上的缺陷,其特征在于,包括:
在待测导电体上设置至少两个输出端,且所述输出端电势位相等;
依次向所述待测导电体上沿预定路径排列的检测点输入恒定的检测电流;
检测各输出端的输出电流;基于各检测点的位置信息以及各输出端的输出电流信息,建立输出端输出电流与检测点位置之间的对应关系;
根据所述对应关系判定检测点是否存在缺陷。
2.如权利要求1所述的失效检测方法,其特征在于,使用带电粒子束照射检测点作为检测电流源,所述带电粒子束为电子束或者离子束。
3.如权利要求1所述的失效检测方法,其特征在于,判定检测点是否存在缺陷标准为:在所述对应关系中,若某一检测点位于待测导电体的非形状或材质突变处,且其对应的输出端输出电流相对于相邻检测点存在不规则变化,则该检测点或其邻界范围存在缺陷。
4.一种失效检测方法,用于检测导线上的缺陷,其特征在于,包括:
在导线两端分别设置输出端,且所述输出端电势位相等;
依次向所述导线上沿预定路径排列的检测点输入恒定的检测电流;
检测各输出端的输出电流;基于各检测点的位置信息以及各输出端的输出电流信息,建立输出端输出电流与检测点位置之间的对应关系;
根据所述对应关系判定检测点是否存在缺陷。
5.如权利要求4所述的失效检测方法,其特征在于,包括:使用恒定能量的带电粒子束照射检测点作为检测电流源,所述带电粒子束为电子束或者离子束。
6.如权利要求4所述的失效检测方法,其特征在于,判定检测点是否存在缺陷标准为:在所述对应关系中,若某一检测点对应的输出端输出电流相对于相邻检测点存在不规则变化,则该检测点或其邻界范围存在缺陷。
7.如权利要求6所述的失效检测方法,其特征在于,所述变化关系具体为任一输出端的输出电流的大小或者变化率关于检测点位置的变化关系。
8.如权利要求6所述的失效检测方法,其特征在于,所述变化曲线具体为两端的输出电流的差值或者差值变化率关于检测点位置的变化关系。
9.一种失效检测装置,适于检测导电体上的缺陷,所述待测导电体设有至少两个输出端,且所述输出端电势位相等,其特征在于,包括:
检测电流输入模块,用于依次向待测导电体上沿预定路径排列的检测点输入检测电流;
输出电流检测模块,用于检测所述输出端的输出电流;
分析模块,基于各检测点的位置信息以及各输出端的输出电流信息,建立所述各输出端的输出电流关于检测点位置的对应关系,对待测导电体进行失效检测。
10.如权利要求9所述的失效检测装置,其特征在于,所述检测电流输入模块包括带电粒子束发生器,用于产生带电粒子束照射待测导电体。
11.如权利要求10所述的失效检测装置,其特征在于,还包括移动装置,用于改变带电粒子束发生器在待测导电体上的照射位置。
12.如权利要求9所述的失效检测装置,其特征在于,所述输出电流检测模块包括电流计,所述电流计连接待测导电体的输出端。
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