CN101996880B - 暴露半导体衬底的方法和失效分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种暴露半导体衬底的方法和失效分析方法，所述暴露半导体衬底的方法包括：提供半导体样品，所述半导体样品从下至上依次包括半导体衬底、氧化层和半导体多晶层；用化学溶液去除所述半导体衬底和半导体多晶层之间的氧化层，所述化学溶液为缓冲氧化蚀刻溶液或氢氟酸；用超声波振荡去除所述半导体多晶层，暴露出所述半导体衬底。所述暴露半导体衬底的方法和失效分析方法解决了现有技术逐层剥除半导体衬底上方的半导体多晶层和氧化层会损伤半导体衬底的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置的失效分析，特别涉及一种暴露半导体衬底的方法和对半导体装置进行失效分析的方法。
背景技术
对半导体装置进行失效分析，通常是先逐层剥除(De-layer)要进行缺陷分析的目标层上方的其他层，以暴露出整个目标层，然后再用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)或光学显微镜(OM)等观察目标层，并进行缺陷分析。例如，美国专利US5935870公开了一种失效分析方法，用化学机械研磨法(CMP)、蚀刻法等逐层剥除栅氧化层上的其他层，以暴露出整个栅氧化层。
对于因半导体衬底的缺陷(例如，衬底本身材料的缺陷或在工艺过程中对衬底造成的缺陷)导致的半导体装置失效，就需要剥除半导体衬底上方所有层。现有的一种暴露半导体衬底的方法包括：先用反应离子蚀刻法(RIE)或CMP逐层剥除半导体样品的金属层和介质层，暴露出如图1所示的多晶硅(Poly Si)层13；然后用多晶硅蚀刻液(Poly acid，即硝酸(HNO3)、氢氟酸(HF)和去离子(DI)水的混合溶液)浸泡去除多晶硅层13，暴露出如图2所示的二氧化硅(SiO2)层12，最后用缓冲氧化蚀刻溶液(BOE，即HF和氟化氨(NH4F)的混合溶液)或浓度为4.9％的HF浸泡去除二氧化硅层12，暴露出如图3所示的硅(Si)衬底11。
然而，采用上述逐层剥除多晶硅层和二氧化硅层的方法会损伤硅衬底的表面，从而影响对硅衬底的缺陷分析。例如，图4是用聚焦离子束(FIB)切割硅衬底后拍摄的二次电子成像截面图，硅衬底21表面的电子束镀金(E-beamPt)层22和离子束镀金(I-beam Pt)层23是防止FIB切割时损伤硅衬底而镀的保护膜，硅衬底21表面的缺陷(凹洞)21a是在剥除多晶硅层和二氧化硅层过程中造成的。
另外，由于研磨液对不同材质的研磨速率不同的关系，使得在用RIE或CMP剥除多晶硅层上的金属层和介质层后，暴露出的多晶硅层会出现如图5所示的不平整表面13a，此时再用上述方法剥除多晶硅层和二氧化硅层，由于多晶硅蚀刻液可以侵蚀多晶硅，同样也会侵蚀二氧化硅和硅，因而导致暴露出的硅衬底表面也会不平整，例如，图6所示的用OM观察到的硅衬底表面的缺陷(不平整区域)61a，硅衬底表面会磨去小部分或者硅衬底表面会有二氧化硅残留。
发明内容
本发明解决的是现有技术在用逐层剥除的方法暴露出半导体衬底的过程中会损伤半导体衬底的问题。
为解决上述问题，本发明实施方式提供一种暴露半导体衬底的方法，包括：提供半导体样品，所述半导体样品从下至上依次包括半导体衬底、氧化层和半导体多晶层；用化学溶液去除所述半导体衬底和半导体多晶层之间的氧化层，所述化学溶液为缓冲氧化蚀刻溶液或氢氟酸；用超声波振荡去除所述半导体多晶层，暴露出所述半导体衬底。
为解决上述问题，本发明实施方式还提供一种失效分析方法，包括：用上述暴露半导体衬底的方法暴露出半导体衬底，对所述暴露出的半导体衬底进行缺陷分析。
与现有技术从上至下逐层剥除半导体多晶层和氧化层相比，上述技术方案先用不会与上下两层的半导体材料反应的化学溶液去除中间的氧化层，再用超声波振掉附在半导体衬底上方的半导体多晶层，因此，半导体衬底就不会被侵蚀，解决了现有技术在用逐层剥除的方法暴露半导体衬底的过程中会损伤硅衬底的问题，从而保证了半导体衬底缺陷分析的准确性，并提高了半导体装置失效分析的准确性。
附图说明
图1至图3是现有的一种暴露半导体衬底的方法的过程示意图；
图4是现有技术暴露出的半导体衬底的截面电镜图；
图5是用逐层剥除的方法暴露出的多晶硅层的示意图；
图6是现有技术暴露出的半导体衬底的表面电镜图；
图7是本发明实施方式暴露半导体衬底的方法的流程图；
图8是本发明实施例暴露半导体衬底的方法的流程图；
图9至12是本发明实施例暴露半导体衬底的方法的过程示意图。
图13是本发明实施方式失效分析方法的流程图。
具体实施方式
经发明人分析发现，如果硅衬底有缺陷，经过失效测试后会在多晶硅层和硅衬底之间对应缺陷位置的区域形成集中电流(或者说是大电流)，击穿二氧化硅层。在用多晶硅蚀刻液去除多晶硅层时，多晶硅蚀刻液会透过集中电流区域侵蚀硅衬底，导致硅衬底上出现凹洞(例如图4所示的缺陷21a)。在这种情况下，对暴露出的硅衬底进行缺陷分析，就无法判断是衬底本身材料的缺陷，或是在工艺过程中对衬底造成的缺陷，还是在剥除多晶硅层时对衬底造成的缺陷。因此，用现有的逐层剥除硅衬底上的多晶硅层和二氧化硅层会影响缺陷分析的准确性。
为了在暴露半导体衬底的过程中不损伤半导体衬底，本发明实施方式用不会与半导体多晶层和半导体衬底反应的化学溶液去除两者中间的氧化层，再用超声波振掉附在半导体衬底上方的半导体多晶层。本发明实施方式的暴露半导体衬底的方法如图7所示，包括：
步骤S11，提供半导体样品，所述半导体样品从下至上依次包括半导体衬底、氧化层和半导体多晶层。
步骤S12，用化学溶液去除所述半导体衬底和半导体多晶层之间的氧化层，所述化学溶液为缓冲氧化蚀刻溶液或氢氟酸。
步骤S13，用超声波振荡去除所述半导体多晶层，暴露出所述半导体衬底。
下面结合附图和实施例对本发明实施方式进行详细的说明。图8是本实施例的暴露半导体衬底的方法的流程图，图9至12是本实施例的暴露半导体衬底的方法的过程示意图。
请结合图8和9，本实施例的暴露半导体衬底的方法首先执行步骤S21，提供半导体样品30，半导体样品30从下至上依次包括硅衬底31、二氧化硅层32和多晶硅层33。对经过失效测试后得到的半导体失效样品的硅衬底进行缺陷分析，首先可以用RIE或CMP逐层剥除失效样品的多晶硅层上的多层金属层和介质层，以获得如图9所示的半导体样品30，整个多晶硅层33被暴露出来。
接着执行步骤S22，用BOE浸泡半导体样品30，去除二氧化硅层32。BOE是HF和NH4F按一定比例配成的蚀刻性水溶液，本实施例中，HF和NH4F的比例为10∶1，在其他实施例中，HF和NH4F的比例也可以为5∶1、6∶1、20∶1、50∶1、100∶1等。二氧化硅与BOE中的氟离子反应，因而溶解于BOE中；而硅不会溶解于BOE，因此BOE不会侵蚀或损伤硅衬底31和多晶硅层33。
二氧化硅层32很薄，不超过200埃，通常只有几十埃，BOE会慢慢侵蚀二氧化硅层32，因此，需要将半导体样品30浸泡一段时间后，才能去除二氧化硅层32，浸泡时间根据BOE的配比浓度和二氧化硅层32的厚度而确定。本实施例BOE的配比浓度为HF和NH4F的比例为10∶1，浸泡时间如下所述，而对于其他配比浓度的BOE，浸泡时间可相应地增加或缩短。
对于具有大块面积的多晶硅结构(bulk poly structure)的半导体样品，例如电容、电阻元件等，用BOE浸泡半导体样品30的时间可以长一些，如可以浸泡8～20小时，通常，浸泡的时间为12小时。
对于具有小块面积的多晶硅结构(finger poly structure)的半导体样品，例如晶体管元件等，用BOE浸泡半导体样品30的时间可以短一些，如可以浸泡2～4小时，通常，浸泡的时间为2小时。
经过步骤S22的BOE浸泡后，半导体样品30的多晶硅层33和硅衬底3 1之间的二氧化硅层32被去除，形成如图10所示的半导体样品30’。由于静电吸附作用，多晶硅层33仍会附在硅衬底31的上方，另外，经过BOE浸泡后可能会有小部分二氧化硅残留，也使得多晶硅层33没有剥离硅衬底31。
接着执行步骤S23，用超声波振荡浸泡在BOE中的半导体样品30’，去除多晶硅层33。更换干净的BOE，将去除二氧化硅层32的半导体样品30’浸泡在干净的BOE中，用超声波振荡将半导体样品30’的多晶硅层33振离硅衬底31。并且，由于超声波的振荡，BOE动态地浸泡半导体样品30’，与步骤S22的BOE静态地浸泡半导体样品相比，BOE更容易侵入多晶硅层33和硅衬底31之间，将残留的二氧化硅溶解，使多晶硅层33脱离硅衬底31。
请参考图11，半导体样品30’倒置(多晶硅层33朝下，硅衬底31朝上)浸泡在盛有BOE 41的烧杯40中，烧杯40放置在超声波装置的铁丝网51上，并浸在水52中，超声波在水中传播，振荡浸泡有半导体样品30’的烧杯40。超声波振荡的时间过短，多晶硅层33不会被振离；超声波振荡的时间过长，半导体样品30’会被振坏，超声波振荡的时间可以为10～20秒。
经过步骤S23的超声波振荡后，半导体样品30’的多晶硅层33被去除，如图12所示，整个硅衬底31被暴露出来。
接着执行步骤S24，用超声波振荡浸泡在DI水中的硅衬底31，清洗硅衬底31。为了更好地对步骤S23暴露出的硅衬底31进行缺陷分析，还可以对硅衬底31进行清洗，以去除前述步骤在硅衬底31表面残留的脏污或杂质。可以直接用DI水对硅衬底31进行清洗，而本实施例是用超声波振荡浸泡在DI水中的硅衬底31，清洗硅衬底31。
硅衬底31可以浸泡在盛有DI水的烧杯中，并将烧杯浸在盛有水的超声波装置中；硅衬底31也可以直接浸泡在盛有DI水的超声波装置中。超声波振荡的时间可以为10～20秒。
步骤S23和S24超声波振荡的时间总和一般不超过30秒，通常，步骤S23超声波振荡的时间为20秒。步骤S24超声波振荡的时间为10秒。
需要说明的是，上述实施例是用BOE去除二氧化硅层，在其他实施例中，也可以用浓度为4.9±2％的HF去除二氧化硅层，通常，使用的是4.9％的HF，其浸泡半导体样品的时间可以与用BOE浸泡半导体样品的时间相同。
相应地，本发明实施方式还提供一种失效分析方法，对半导体样品进行失效分析，所述失效分析方法如图13所示，包括：
步骤S11，提供半导体样品，所述半导体样品从下至上依次包括半导体衬底、氧化层和半导体多晶层。
步骤S12，用化学溶液去除所述半导体衬底和半导体多晶层之间的氧化层，所述化学溶液为缓冲氧化蚀刻溶液或氢氟酸。
步骤S13，用超声波振荡去除所述半导体多晶层，暴露出所述半导体衬底。
步骤S14，对所述暴露出的半导体衬底进行缺陷分析。可以用扫描电子显微镜、透射电子显微镜或光学显微镜等对所述半导体衬底进行缺陷分析，进而分析半导体样品失效的原因。
上述技术方案改变了传统的逐层剥除的思路来暴露要进行缺陷分析的硅衬底，具体来说，现有技术是从上至下逐层剥除多晶硅层和二氧化硅层；而上述技术方案是先去除中间的二氧化硅层，再去除多晶硅层，即先用不会与上下两层(多晶硅层和硅衬底)反应的化学溶液(BOE或HF)溶解中间层(二氧化硅层)，再用超声波振掉附在硅衬底上方的多晶硅层。
由于BOE或HF不会与硅衬底反应，并且也不需要用会与硅衬底反应的多晶硅蚀刻液，硅衬底就不会被侵蚀，因此，上述技术方案易于控制，可以解决现有的通过逐层剥除多晶硅层和二氧化硅层，以暴露硅衬底的方法会损伤硅衬底的问题，从而保证了硅衬底缺陷分析的准确性，并提高了半导体装置失效分析的准确性。
另外，由于上述技术方案只用了BOE(或HF)和DI水，而不用多晶硅蚀刻液，因而与现有技术相比，成本也降低了。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，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 (17)
1.一种暴露半导体衬底的方法，其特征在于，包括：
提供半导体样品，所述半导体样品从下至上依次包括半导体衬底、氧化层和半导体多晶层；
用化学溶液去除所述半导体衬底和半导体多晶层之间的氧化层，所述化学溶液为缓冲氧化蚀刻溶液或氢氟酸；
用超声波振荡去除所述半导体多晶层，暴露出所述半导体衬底。
2.根据权利要求1所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，所述半导体衬底为硅衬底，所述氧化层为二氧化硅层，所述半导体多晶层为多晶硅层。
3.根据权利要求2所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，所述半导体样品为电容元件或电阻元件。
4.根据权利要求3所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，所述用化学溶液去除所述半导体衬底和半导体多晶层之间的氧化层包括：将所述半导体样品在所述化学溶液中浸泡8～20小时。
5.根据权利要求4所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，所述用化学溶液去除所述半导体衬底和半导体多晶层之间的氧化层包括：将所述半导体样品在所述化学溶液中浸泡12小时。
6.根据权利要求2所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，所述半导体样品为晶体管元件。
7.根据权利要求6所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，所述用化学溶液去除所述半导体衬底和半导体多晶层之间的氧化层包括：将所述半导体样品在所述化学溶液中浸泡2～4小时。
8.根据权利要求7所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，所述用化学溶液去除所述半导体衬底和半导体多晶层之间的二氧化硅层包括：将所述半导体样品在所述化学溶液中浸泡2小时。
9.根据权利要求2所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，所述用超声波振荡去除所述半导体多晶层包括：将去除二氧化硅层的半导体样品浸泡在所述化学溶液中，并用超声波振荡去除所述多晶硅层。
10.根据权利要求9所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，所述超声波振荡的时间为10～20秒。
11.根据权利要求10所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，所述超声波振荡的时间为20秒。
12.根据权利要求1所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，还包括：用去离子水清洗所述暴露出的半导体衬底。
13.根据权利要求12所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，所述用去离子水清洗所述暴露出的半导体衬底包括：用超声波振荡浸泡在去离子水中的半导体衬底。
14.根据权利要求13所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，所述超声波振荡的时间为10～20秒。
15.根据权利要求14所述的暴露半导体衬底的方法，其特征在于，所述超声波振荡的时间为10秒。
16.一种失效分析方法，其特征在于，包括：用权利要求1至15中任一项所述的暴露半导体衬底的方法暴露出半导体衬底；对所述暴露出的半导体衬底进行缺陷分析。
17.根据权利要求16所述的失效分析方法，其特征在于，对所述暴露出的半导体衬底进行缺陷分析包括：用扫描电子显微镜、透射电子显微镜或光学显微镜对所述暴露出的半导体衬底进行缺陷分析。
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