CN104316856B - 背面探测式光子辐射显微镜装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种背面探测式光子辐射显微镜装置及其测试方法，所述装置包括：探针座，其上表面用于支撑探针座，所述探针座的一端与探针臂的一端相连接，所述探针臂的另一端与探针的一端相连接；样品台，悬置于所述探针座上方，所述样品台朝向所述探针座一侧的表面用于放置半导体芯片，所述半导体芯片的所述金属互连层与探针的针尖相接触；若干光学透镜，间隔设置于样品台和探针台的下方，用于光学聚焦，所述光学透镜与所述样品台、探针座、探针臂和探针之间具有安全工作距离；多个探测器，位于所述光学透镜下方，用于缺陷定位和分析。本发明提供的背面探测式光子辐射显微镜装置及及其测试方法，能够从半导体芯片正面进行分析。

Description

背面探测式光子辐射显微镜装置及测试方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体芯片的缺陷检测定位装置及方法。

背景技术

随着半导体器件尺寸缩小及工作电压降低，半导体芯片后段金属互连层逐步增多。太多的金属互连层将导致半导体器件漏电等缺陷，对有缺陷的半导体衬底进行缺陷定位分析时，由于太多的金属互连层会使得发光信号减弱甚至完全遮蔽，导致传统的正面探测式光子辐射显微镜(EMMI)无法精确定位发生缺陷的失效位置。出于这种原因，背面探测式光子辐射显微镜EMMI应运而生。

背面探测式光子辐射显微镜主要是从半导体芯片背面透过半导体衬底捕捉器件漏电等信号，从而对发生缺陷的失效位置进行定位。请参考图1所示的现有技术的背面探测式光子辐射显微镜的结构示意图。半导体芯片14正面向上放置于样品台13上，样品包括放置于样品台13上的半导体衬底和位于半导体衬底上的金属互连层。所述样品台13上方设置有探针座平台15，所述探针座平台15用于支撑其上方的探针座16，所述探针座16与探针臂17的一端相连接。所述探针臂17的另一端与探针18的一端相连接。所述探针18的针尖与金属互连层的表面接触。所述金属互连层上方悬置有观察显微镜19，所述观察显微镜19用于在探针18在金属互连层表面进行扎针测试时进行观察。所述样品台13下方设置有多个光学透镜10以及多个探测器。如图1，样品台13下方设置有CCD探测器11和铟镓砷探测器12。

在进行缺陷定位检测时，将半导体芯片14正面朝上放置在样品台13上，通过半导体芯片14上方的观察显微镜19对焦后，利用探针18对半导体芯片上的金属互连层(所述金属互连层中具有金属垫)进行扎针并施加电信号。此时在半导体芯片14下方的探测器工作，从半导体芯片14的背面检测定位缺陷的位置。同时现有技术还使用激光对半导体芯片14扫描诱发电阻变化，检测半导体芯片14内部电阻变化，从而对缺陷位置进行定位。

由于背面探测式光子辐射显微镜分析时，半导体芯片14的正面必须向上，光学信号通过半导体芯片14的背面进入金属互连层，通过手动扎针对半导体芯片14的正面施加电信号。然而，当半导体芯片14的金属互连层特别是上层的金属互连层出现问题时，传统的光致阻抗变化(OBIRCH)捕捉缺陷的激光反馈信号由于位于下层的金属互连层的阻挡会被削弱或完全遮蔽，因此，在上层的金属互连出现问题时，通常使得光学信号从半导体芯片的正面进入从而进行探测，因此，需要将半导体芯片的正面向下放置，利用激光对所述上层的金属互连层进行测试和定位。但是将半导体芯片的正面朝下，利用现有的探针17无法向半导体芯片输入电信号。

为了能够在半导体芯片的正面向下的情况下，利用现有的探针向半导体芯片输入电信号，现有技术通常对半导体芯片进行焊线或再次焊线(re-bonding)，但这种方法必须使用焊线设备，成本高且制样时间长，并且容易损伤样品。

或者现有技术委托第三方分析机构使用正面探测式光子辐射显微镜兼具光致电阻变化分析(OBIRCH)应用功能设备进行分析，分析费用非常昂贵，而且通常需要委托者至现场进行相关信息确认，也耗费了很多时间成本。

因此，需要解决在背面探测式光子辐射显微镜装置上从半导体芯片进行正面分析的问题。

发明内容

本发明解决的问题提供一种背面探测式光子辐射显微镜装置及利用该装置对半导体芯片进行检测和定位的方法，能够从半导体芯片正面进行分析。

为了解决上述问题，本发明提供一种背面探测式光子辐射显微镜装置，包括：

探针座，具有上表面，所述上表面用于支撑探针座，所述探针座的一端与探针臂的一端相连接，所述探针臂的另一端与探针的一端相连接；

样品台，悬置于所述探针座上方，所述样品台朝向所述探针座一侧的表面用于放置半导体芯片，所述半导体芯片具有半导体衬底和位于半导体衬底上的金属互连层，所述半导体芯片正面向下固定于样品台，所述金属互连层与探针的针尖相接触；

若干光学透镜，间隔设置于样品台和探针台的下方，用于光学聚焦，所述光学透镜与所述样品台、探针座、探针臂和探针之间具有安全工作距离；

多个探测器，位于所述光学透镜下方，用于对所述金属互连层进行进行缺陷定位和分析。

可选地，所述样品台两侧具有支撑柱，用于将样品台悬置于所述探针座上方。

可选地，所述支撑柱中具有通孔，所述探针臂穿过所述通孔设置。

可选地，所述支撑柱、探针座与所述样品台结合为一体。

可选地，所述探测器包括：CCD探测器和铟镓砷探测器。

可选地，所述探针呈弯曲状以使得所述探针的针尖与所述金属互连层相接触。

相应地，本发明还提供一种利用所述背面探测式光字辐射显微镜装置进行的半导体芯片的缺陷分析的测试方法，包括：

将半导体芯片正面行下固定于所述样品台的朝向所述探针座一侧的表面；

利用所述光学透镜和探测器对所述金属互连层进行对焦和分析对焦，以确定需要施加电信号的位置；

将所述探针进行弯曲以使得所述探针的针尖与所述金属互连线的表面接触；

将所述针尖插入所述需要施加电信号的位置并对该位置施加电信号；

利用所述探测器对所述半导体芯片进行缺陷分析和定位。

可选地，所述缺陷分析包括：光子辐射显微镜分析和OBIRCH。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的背面探测式光子辐射显微镜装置，其样品台悬置于所述探针座上方，半导体芯片正面向下固定，金属互连层与探针的针尖相接触，通过本发明的背面探测式光子辐射显微镜装置能够实现对半导体芯片的正面缺陷定位和分析。

附图说明

图1是现有技术的背面探测式光子辐射显微镜的结构示意图。

图2是本发明一个实施例的背面探测式光子辐射显微镜的结构示意图。

图3是图2所示的背面探测式光子辐射显微镜的俯视结构示意图。

具体实施方式

在半导体芯片的金属互连层的上层出现缺陷时，如果按照半导体芯片正面向下使得光学信号从金属互连层的上层通过，则无法将探针的针尖与金属互连层的上层接触。

由于在利用现有的背面探测式光子显微镜装置对半导体芯片进行缺陷定位和分析时，半导体芯片的正面需要向上，而对于半导体芯片的金属互连层的上层发生缺陷，利用现有的背面探测式光子显微镜装置半导体芯片的正面必须向上，光学信号通过半导体芯片的背面进入金属互连层，通过手动扎针对半导体芯片的正面施加电信号。然而，当半导体芯片的金属互连层特别是上层的金属互连层出现问题时，传统的光致阻抗变化(OBIRCH)捕捉缺陷的激光反馈信号由于位于下层的金属互连层的阻挡会被削弱或完全遮蔽，因此，在上层的金属互连出现问题时，通常使得光学信号从半导体芯片的正面进入从而进行探测，因此，需要将半导体芯片的正面向下放置，利用激光对所述上层的金属互连层进行测试和定位。但是将半导体芯片的正面朝下，利用现有的探针无法向半导体芯片输入电信号。

为了解决上述问题，本发明提供一种背面探测式光子辐射显微镜装置，包括：

探针座，具有上表面，所述上表面用于支撑探针座，所述探针座的一端与探针臂的一端相连接，所述探针臂的另一端与探针的一端相连接；

样品台，悬置于所述探针座上方，所述样品台朝向所述探针座一侧的表面用于放置半导体芯片，所述半导体芯片具有半导体衬底和位于半导体衬底上的金属互连层，所述半导体芯片正面向下固定于样品台，所述金属互连层与探针的针尖相接触；

若干光学透镜，间隔设置于样品台和探针台的下方，用于光学聚焦，所述光学透镜与所述样品台、探针座、探针臂和探针之间具有安全工作距离；

多个探测器，位于所述光学透镜下方，用于对所述金属互连层进行进行缺陷定位和分析。

下面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。为了更好的说明本发明的技术方案，请结合图2以及图3，其中图2是本发明一个实施例的背面探测式光子辐射显微镜的结构示意图；图3是图2所示的背面探测式光子辐射显微镜的俯视结构示意图。

请参考图2并结合图3，探针座150具有上表面，所述上表面用于支撑探针座160，所述探针座160的一端与探针臂170的一端相连接，所述探针臂170的另一端与探针180的一端相连接。所述探针180用于向半导体芯片140的金属互连层施加电信号。所述探针180呈弯曲状以使得所述探针180的针尖与所述金属互连层相接触，通过探针180的针尖向金属互连层施加电信号。具体地，该针尖向金属互连层的金属垫施加电信号。当金属互连层的上层发生缺陷时，可以通过该针尖和金属垫的接触向半导体芯片提供电信号。

如图2所示，样品台130悬置于所述探针座160上方，所述样品台130与探针座130的表面之间具有间隙。作为一个实施例，所述样品台130两侧具有支撑柱200，通过支撑柱200将样品台130悬置于所述探针座160上方。

所述支撑柱200可以与样品台130和/或探针座160结合为一体。作为一个实施例，所述支撑柱200与样品台130和探针座160结合为一体。所述支撑柱200中具有通孔，所述探针臂170穿过所述通孔设置。

所述样品台130朝向所述探针座160一侧的表面用于放置半导体芯片140，所述半导体芯片140具有半导体衬底和位于半导体衬底上的金属互连层，所述半导体芯片正面向下固定于样品台160。本发明所述的正面为金属互连层的上表面，即图中半导体芯片140的朝向探针座一侧的表面。

本实施例中，探针座160和样品台130下方具有3个光学透镜100，所述光学透镜100与所述探针座160和样品台130间隔设置，所述光学透镜100间隔设置于样品台和探针台的下方，并且用于光学聚焦，所述光学透镜100与所述样品台130、探针座160、探针臂170和探针180之间具有安全工作距离，以防止所述光学透镜工作时撞击所述样品台130、探针座160、探针臂170和探针180以及半导体芯片140。

如图2所示，本实施例中，背面探测式光子辐射显微镜装置包括2个探测器，位于所述光学透镜下方，用于对所述金属互连层进行进行缺陷定位和分析。所述探测器包括：CCD探测器110和铟镓砷探测器120。当然，在其他的实施例中，根据实际需要所述探测器的数目还可以有更多。

相应地，本发明还提供一种利用所述背面探测式光字辐射显微镜装置进行的半导体芯片的缺陷分析的方法，结合图2和图3所示，所述方法包括：

首先，将半导体芯片140正面行下固定于所述样品台130的朝向所述探针座160一侧的表面；

其次，利用所述光学透镜100和探测器对所述金属互连层进行对焦和分析对焦，以确定需要施加电信号的位置；

然后，将所述探针180进行弯曲以使得所述探针180的针尖与所述金属互连线的表面接触；

接着，将所述针尖插入所述需要施加电信号的位置并对该位置施加电信号；

最后，利用所述探测器对所述半导体芯片进行缺陷分析和定位。作为一个实施例，所述缺陷分析包括：光子辐射显微镜分析和OBIRCH。

综上，本发明的背面探测式光子辐射显微镜装置，其样品台悬置于所述探针座上方，半导体芯片正面向下固定，金属互连层与探针的针尖相接触，通过本发明的背面探测式光子辐射显微镜装置能够实现对半导体芯片的正面缺陷定位和分析。

因此，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用背面探测式光子辐射显微镜装置进行的半导体芯片的缺陷分析的测试方法，该背面探测式光子辐射显微镜装置包括：探针座，具有上表面，所述上表面用于支撑探针座，所述探针座的一端与探针臂的一端相连接，所述探针臂的另一端与探针的一端相连接；

样品台，悬置于所述探针座上方，所述样品台朝向所述探针座一侧的表面用于放置半导体芯片，所述半导体芯片具有半导体衬底和位于半导体衬底上的金属互连层，所述半导体芯片正面向下固定于样品台，所述金属互连层与探针的针尖相接触；

所述样品台两侧具有支撑柱，用于将样品台悬置于所述探针座上方，所述支撑柱中具有通孔，所述探针臂穿过所述通孔设置；

若干光学透镜，间隔设置于样品台和探针台的下方，用于光学聚焦，所述光学透镜与所述样品台、探针座、探针臂和探针之间具有安全工作距离；

多个探测器，位于所述光学透镜下方，用于对所述金属互连层进行缺陷定位和分析；其特征在于，包括：

将半导体芯片正面向下固定于所述样品台的朝向所述探针座一侧的表面；

利用所述光学透镜和探测器对所述金属互连层进行对焦和分析对焦，以确定需要施加电信号的位置；

将所述探针进行弯曲以使得所述探针的针尖与所述金属互连线的表面接触；

将所述针尖插入所述需要施加电信号的位置并对该位置施加电信号；

利用所述探测器对所述半导体芯片进行缺陷分析和定位。

2.如权利要求1所述的测试方法，其他特征在于，所述缺陷分析包括：光子辐射显微镜分析和光致电阻变化分析。

3.如权利要求1所述的测试方法，其他特征在于，所述支撑柱、探针座与所述样品台结合为一体。

4.如权利要求1所述的测试方法，其他特征在于，所述探测器包括：CCD探测器和铟镓砷探测器。

5.如权利要求1所述的测试方法，其他特征在于，所述探针呈弯曲状以使得所述探针的针尖与所述金属互连层相接触。