CN103965914A - 蚀刻npn掺杂区域形貌以进行失效检验的组合物及检验方法 - Google Patents

蚀刻npn掺杂区域形貌以进行失效检验的组合物及检验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种有效蚀刻NPN掺杂区域形貌以找出失效原因的组合物，用于在PN结剖面轮廓失效检验中进行结染色，该组合物包含：硝酸、氢氟酸、乙酸、水、五水硫酸铜；该组合物的摩尔比为：硝酸：氢氟酸：乙酸：水：五水硫酸铜=2.9712：0.1734：7：5.18：0.08。本发明组合物所采用的组份都是非常便宜的化学溶剂，降低成本；组合物制备方便，任何检验人员都可以简单的自行制备本发明组合物的化学配比，其样本准备远简单于采用电子检验方式中例如SSRM或SCM的电子设备，实现不需要物色和授权外包的供应商提供检验材料，便于进行PN结剖面轮廓失效检验，具有高成功率。

Description

蚀刻NPN掺杂区域形貌以进行失效检验的组合物及检验方法
技术领域
本发明涉及一种半导体刻蚀工艺中反应气体的配比，具体涉及一种蚀刻NPN掺杂区域形貌以进行失效检验的组合物及检验方法。
背景技术
PN结是半导体器件工作表现的核心。掺杂植入工艺和刻蚀去除工艺都会对P/N阱的剖面轮廓产生影响。目前，通过传统的失效分析（FA，Failure Analysis）方法难以有效地辨识PN结剖面轮廓失效（PN junction profile fail）的情况。
现有技术中，传统的PN结剖面轮廓失效检验分析方法主要有化学检验和电子检验两种方式：
一、化学检验：在大多数的失效检验里都采用氢氟酸（HF）或化学液体M1（该化学液体M1包含有氢氟酸HF和硝酸HNO3）进行失效分析。该化学检验方法中，利用氢氟酸和化学液体M1进行结染色，从而实现P/N阱剖面轮廓的检验。但是在NPN型的MOS管中，通常源极的N+比较容易被染色分辨，而其本体（body）和漏极（drain）很难被染色，导致无法清晰辨识半导体器件的本体（body）与漏极（drain），使得该化学检验的方法无法达到令人满意的结果。
二、电子检验：采用专用电子设备进行失效检验，例如扫描延展电阻显微镜（SSRM，scanning spreading resistance microscopy）或扫描电容显微镜（SCM，Scanning Capacity Microscopy）都可以实现清晰辨识半导体制备过程中的PN连接失效情况，但采用专用电子设备进行失效检验具有供应商源小、成本花费大、样品制备复杂的缺点。
发明内容
本发明提供一种蚀刻NPN掺杂区域形貌以进行失效检验的组合物及检验方法，便于清晰的对N/P/N结的剖面轮廓进行结染色，且在不同的刻蚀过程中具有稳定的表现。
为实现上述目的，本发明提供一种有效蚀刻NPN掺杂区域形貌以找出失效原因的组合物，用于在PN结剖面轮廓失效检验中进行结染色，其特点是，该组合物包含：硝酸、氢氟酸、乙酸、水、五水硫酸铜；该组合物的摩尔比为：
硝酸：氢氟酸：乙酸：水：五水硫酸铜=2.9712：0.1734：7：5.18：0.08。
一种利用上述组合物进行PN结剖面轮廓失效检验的方法，其特点是，该方法包含以下步骤：
步骤1、制备需要进行PN结剖面轮廓失效检验的半导体器件样品，使用抛光机将半导体器件样品剖面抛光，并停留在所需观察的剖面上；
步骤2、配制用于结染色的组合物，将硝酸、氢氟酸、乙酸、水和无水硫酸铜按摩尔比2.9712：0.1734：7：5.18：0.08进行调配后，倒入容器混合，不分倒入先后次序；
步骤3、采用组合物对半导体器件样品进行结染色，将半导体器件所需观察的剖面暴露在外，浸入配制好的组合物进行蚀刻，蚀刻完成后取出样品，并用流水对样品冲洗，最后用氮气将样品吹干净；
步骤4、观察半导体样品经过结染色的剖面。
上述步骤2中配置组合物时，硝酸采用70%溶液。
上述步骤2中配置组合物时，氢氟酸采用49%溶液。
上述步骤3中采用组合物蚀刻半导体器件的时间为8~20秒。
上述步骤3中蚀刻完成后的半导体器件采用流水冲洗时间为1~2分钟。
本发明一种有效蚀刻NPN掺杂区域形貌以找出失效原因的组合物和现有技术中采用的PN结剖面轮廓失效检验分析方法相比，其优点在于，本发明组合物所采用的组份都是非常便宜的化学溶剂，降低成本；
本发明组合物制备方便，任何检验人员都可以简单的自行制备本发明组合物的化学配比，其样本准备远简单于采用电子检验方式中例如SSRM或SCM的电子设备，实现不需要物色和授权外包的供应商提供检验材料，便于进行PN结剖面轮廓失效检验；
本发明进行PN结剖面轮廓失效检验具有高成功率。
具体实施方式
以下说明本发明的具体实施例。
本发明公开一种有效蚀刻NPN掺杂区域形貌以找出失效原因的组合物，用于在PN结剖面轮廓失效检验中进行结染色，该组合物包含硝酸（HNO3）、氢氟酸（HF）、乙酸（CH3COOH）、水（H2O）、五水硫酸铜（CuSO4.5H2O）。本实施例中制备的组合物的摩尔比为：
硝酸：氢氟酸：乙酸：水：五水硫酸铜=2.9712：0.1734：7：5.18：0.08。
本实施例中，实际调配时，上述组合物的调配量具体为：硝酸：氢氟酸：乙酸：水：五水硫酸铜=130ml：3ml：400ml：61ml：20g。
其中，具体配置的时候是使用的70%的硝酸和49%的HF，其溶剂量已经换算在水的量里面了。
本发明公开的组合物在对半导体器件进行结染色时，硝酸和氢氟酸在半导体器件的固体表面上进行下述电化学反应。其中乙酸作为缓冲溶剂（cushion solvent）。
组合物中氢氟酸进行PN结染色的反应式如下：
Si+ 6HF→H2SiF6 + 4H (+)+4e(-) （1）
组合物中氢氟酸与硝酸进行PN结染色的反应式如下：
2HNO3+Si→SiO2+H2↑+2NO2↑ （2）
4HF+ SiO2→SiF4 ↑+ 2H2O （3）
在上述式（1）、（2）、（3）中，于阳极（N+）处硅Si被氧化到更高的价。同时于阴极（P）处，质子H（+）与电子e（-）被还原，如式（4）：
2H(+)+2e(-)→H2 （4）
在组合物在半导体器件上进行上述反应的同时，铜离子Cu（+）也进行还原反应并沉积在半导体器件的阴极，这大大加快了电化学反应速度，反应式如下：
2H(+)+2e(-)→H2 （5）
Cu(2+)+2(-)→Cu （6）
本发明组合物的主要技术特征是掺入铜离子作为杂质。原理：加入杂质铜可以提高溶液中P极和N极作为正负极的电势，从而提高反应速度，同时在不掺铜杂质的情况下，负极还原反应没有生成物产生，而掺铜以后还原反应会将铜离子还原成为固体铜覆盖在负极表面，这样作为负极的P极在NPN结构的中间层很容易被区别出来，从而使NPN器件的PN结容易被观察到，提高PN结剖面轮廓失效检验的成功率。
本发明还公开一种采用上述组合物进行PN结剖面轮廓失效检验的方法，该方法包含以下步骤：
步骤1、制备需要进行PN结剖面轮廓失效检验的半导体器件样品：使用抛光机（Polisher）将半导体器件样品剖面抛光，并停留在所需观察的剖面上，注意保证所需剖面的光滑干净。
步骤2、配制用于结染色化学制剂组合物：使用量杯和天平，将硝酸（一般使用70%溶液），氢氟酸（一般使用49%溶液），乙酸，水和无水硫酸铜（固体）按比例130ml：3ml：400ml：61ml：20g（纯含量比例）进行调配后，倒入塑料容器混合，一般不分先后次序。
步骤3、采用组合物对半导体器件样品进行结染色：用夹子夹住半导体样品，使其所需观察的剖面暴露在外，浸入配制好的化学溶液组合物进行蚀刻8~20秒（蚀刻时间视所需效果而定），蚀刻完成后取出样品，并用流水对样品冲洗1~2分钟，最后用氮气枪将样品吹干净。
步骤4、观察：将样品置于电子扫描显微镜（SEM）或聚焦离子束电镜（FIB）下，观察其经过结染色的剖面。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种有效蚀刻NPN掺杂区域形貌以找出失效原因的组合物，用于在PN结剖面轮廓失效检验中进行结染色，其特征在于，该组合物包含：硝酸、氢氟酸、乙酸、水、五水硫酸铜；该组合物的摩尔比为：
硝酸：氢氟酸：乙酸：水：五水硫酸铜=2.9712：0.1734：7：5.18：0.08。
2.一种利用如权利要求1所述组合物进行PN结剖面轮廓失效检验的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
步骤1、制备需要进行PN结剖面轮廓失效检验的半导体器件样品，使用抛光机将半导体器件样品剖面抛光，并停留在所需观察的剖面上；
步骤2、配制用于结染色的组合物，将硝酸、氢氟酸、乙酸、水和无水硫酸铜按摩尔比2.9712：0.1734：7：5.18：0.08进行调配后，倒入容器混合，不分倒入先后次序；
步骤3、采用组合物对半导体器件样品进行结染色，将半导体器件所需观察的剖面暴露在外，浸入配制好的组合物进行蚀刻，蚀刻完成后取出样品，并用流水对样品冲洗，最后用氮气将样品吹干净；
步骤4、观察半导体样品经过结染色的剖面。
3.如权利要求2所述的PN结剖面轮廓失效检验的方法，其特征在于，所述步骤2中配置组合物时，硝酸采用70%溶液。
4.如权利要求2所述的PN结剖面轮廓失效检验的方法，其特征在于，所述步骤2中配置组合物时，氢氟酸采用49%溶液。
5.如权利要求2所述的PN结剖面轮廓失效检验的方法，其特征在于，所述步骤3中采用组合物蚀刻半导体器件的时间为8~20秒。
6.如权利要求2所述的PN结剖面轮廓失效检验的方法，其特征在于，所述步骤3中蚀刻完成后的半导体器件采用流水冲洗时间为1~2分钟。
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