CN104795340A - 一种Flash产品的ONO薄膜缺陷的失效分析方法 - Google Patents

一种Flash产品的ONO薄膜缺陷的失效分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Flash产品的ONO薄膜缺陷的失效分析方法，包括对待分析Flash样品的上表面各层进行减薄处理，露出含有ONO薄膜缺陷的储存单元的第一多晶硅层区域，使用选择性化学溶液对第一多晶硅层进行腐蚀去除，露出ONO薄膜，在ONO薄膜缺陷处，通过化学溶液继续对该缺陷下方的第二多晶硅层进行腐蚀去除，对被腐蚀的ONO薄膜缺陷处进行定位，并制备缺陷平面样品，供进一步进行缺陷观察及失效分析。本发明可以更方便、准确且更精细地分析Flash产品的ONO薄膜缺陷，大大提高失效分析的效率，从而帮助迅速提高Flash产品的良率和可靠性。

Description

一种Flash产品的ONO薄膜缺陷的失效分析方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，更具体地，涉及一种Flash产品的ONO薄膜缺陷的失效分析方法。
背景技术
在半导体器件的加工过程中，往往会产生一些缺陷，这些缺陷会使得最终形成的半导体器件甚至整个芯片失效。为了尽早发现并解决集成电路生产过程中的工艺问题，一旦发现测试失效的情形，就会立即进行失效分析，以确认产生问题的工艺步骤，方便生产线及时作出改善。因此，对半导体芯片(器件)所进行的失效分析工作，是确认各类失效原因、从而提升产品质量及可靠性的一项重要工作。
Flash(闪存)产品是目前最流行的存储产品，它具有容量大，价格低等特点。Flash产品的集成度非常高，也就是在很小的面积内具有特别多的重复结构的储存单元。这些储存单元的结构是由两层Poly(多晶硅)组成的，它们中间有ONO(氧化硅-氮化硅-氧化硅)薄膜层作为电性隔绝。如果在个别位置的ONO薄膜出现缺陷，常规的平面失效分析方法是根据失效的电性地址确定精确的物理地址，并使用FIB(聚焦离子束)等设备标记定位后，再使用SEM(扫描电子显微镜)进行分析。但这种方法对于集成度特别高的Flash产品来说费时费力，容易数错地址，成功率低。并且由于SEM分辨率低，也有可能无法发现或看清缺陷。
透射电子显微镜(TEM)也是常用来进行失效分析的重要工具，其具有很高的分辨率。TEM样品可以利用研磨或聚焦离子束切割方法来制备。然而，在使用TEM对样品进行观测时，由于其是通过高能电子束穿透样品时发生的散射、吸收、干涉及衍射作用形成衬度来成像的，而ONO薄膜的缺陷往往十分微小，且其上下两侧被多晶硅层覆盖，造成在成像时，ONO薄膜的缺陷容易受到多晶硅层的干扰而无法分辨。
因此，有必要对现有Flash产品的ONO薄膜缺陷的失效分析方法进行改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种新的Flash产品的ONO薄膜缺陷的失效分析方法，可以解决对Flash产品储存单元ONO缺陷很难精确定位和必须在很大的放大倍率下进行精细地平面分析的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种Flash产品的ONO薄膜缺陷的失效分析方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一待分析Flash样品，所述样品至少包括依次由第一多晶硅层、ONO薄膜、第二多晶硅层形成的重复储存单元结构；
步骤S02：对所述样品的上表面各层进行减薄处理，并至少将含有ONO薄膜缺陷的所述储存单元的第一多晶硅层区域露出；
步骤S03：使用选择性化学溶液，对所述第一多晶硅层进行腐蚀去除，露出ONO薄膜；并且，在ONO薄膜缺陷处，通过化学溶液继续对该缺陷下方的第二多晶硅层进行腐蚀去除；
步骤S04：对被腐蚀的ONO薄膜缺陷处进行定位，并制备缺陷平面样品，供进一步进行缺陷观察及失效分析。
优选地，步骤S02中，采用研磨或使用FIB切割方式，对所述样品的上表面各层进行减薄处理。
优选地，所述化学溶液为硝酸、氢氟酸和乙酸的混合酸液。
优选地，所述硝酸、氢氟酸和乙酸的体积比为24～28：0.9～1.1：31～35。
优选地，所述硝酸、氢氟酸和乙酸的质量分数浓度分别为69～70％、48～49％、98～99％。
优选地，步骤S04中，使用SEM对被腐蚀的ONO薄膜缺陷处进行定位。
优选地，步骤S04中，制备缺陷平面样品的方法包括：对所述样品的下表面各层进行减薄处理，停止在所述第二多晶硅层，并将ONO薄膜缺陷处下方所述第二多晶硅层被腐蚀后形成的空腔露出。
优选地，所述平面样品为通过FIB切割方式对所述样品的下表面各层进行减薄处理所制备形成的平面TEM样品。
优选地，对所述平面样品使用TEM进行缺陷观察及失效分析。
优选地，步骤S02中，先根据失效的电性地址确定缺陷在所述样品中的精确物理地址，然后，再对所述样品的上表面各层进行减薄处理，并至少将根据物理地址确定的含有ONO薄膜缺陷的所述储存单元的第一多晶硅层区域露出。
本发明的有益效果是：通过使用本发明的方法，在失效分析时可以更方便、准确且更精细地分析Flash产品的ONO薄膜缺陷，大大提高了失效分析的效率，从而可以帮助迅速提高Flash产品的良率和可靠性。
附图说明
图1是本发明一种Flash产品的ONO薄膜缺陷的失效分析方法的流程图；
图2～图5是本发明一实施例中采用图1分析方法形成的样品结构剖视图；
图6～图9是与图2～图5中样品结构对应的侧视方向结构剖视图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一种Flash产品的ONO薄膜缺陷的失效分析方法的流程图；同时，请结合参阅图2～图5以及图6～图9，其中，图2～图5是本发明一实施例中采用图1分析方法形成的样品结构剖视图，图6～图9是与图2～图5中样品结构对应的侧视方向结构剖视图。如图1所示，本发明的一种Flash产品的ONO薄膜缺陷的失效分析方法，包括以下步骤：
如框01所示，步骤S01：提供一待分析Flash样品，所述样品至少包括依次由第一多晶硅层、ONO薄膜、第二多晶硅层形成的重复储存单元结构。
请参阅图2和图6。本发明应用于对Flash(闪存)产品的ONO(氧化硅-氮化硅-氧化硅)薄膜缺陷进行失效分析。作为一可选的实施方式，所准备的待分析Flash样品，可形成于一半导体衬底1上。所述样品至少包括依次由第一多晶硅层10、ONO薄膜5、第二多晶硅层4形成的重复储存单元结构。本实施例中，在储存单元下方的衬底1中形成有STI(浅沟槽隔离)2结构，在第二多晶硅层4与衬底1之间还具有栅氧层3；在第一多晶硅层10的上方还包括有NiSi(硅化镍)层9、ILD(层间介质)层8及金属层7；金属层7与衬底1之间通过接触孔11连接(参见图6)。根据工艺需求，样品也可以具有类似的结构。待分析Flash样品存在ONO薄膜缺陷6。
如框02所示，步骤S02：对所述样品的上表面各层进行减薄处理，并至少将含有ONO薄膜缺陷的所述储存单元的第一多晶硅层区域露出。
请参阅图3和图7。作为一可选的实施方式，在对所述样品上表面的各层(例如金属层7、ILD层8、NiSi层9)进行减薄处理时，可采用机械研磨或使用FIB(聚焦离子束)切割的方式，对所述样品的上表面各层进行减薄处理。具体的研磨或FIB切割方法，可参考现有的通常技术加以理解，本文不作展开描述。经过表面减薄处理后，应至少将含有ONO薄膜缺陷6的储存单元的第一多晶硅层10区域露出。当然，也可以进行全表面减薄处理。
作为一可选的实施方式，还可以先根据失效的电性地址来确定ONO薄膜缺陷6在所述样品中的精确物理地址；然后，再对所述样品的上表面各层进行减薄处理，并至少将根据物理地址确定的含有ONO薄膜缺陷6的所述储存单元的第一多晶硅层10区域露出。
如框03所示，步骤S03：使用选择性化学溶液，对所述第一多晶硅层进行腐蚀去除，露出ONO薄膜；并且，在ONO薄膜缺陷处，通过化学溶液继续对该缺陷下方的第二多晶硅层进行腐蚀去除。
请参阅图4和图8。对第一多晶硅层10进行腐蚀去除时，为了对其他不需要腐蚀的结构进行保护，应使用对第一多晶硅层10具有选择性腐蚀作用的化学溶液。作为一可选的实施方式，所述化学溶液可以是酸性溶液，例如可以是包括由硝酸、氢氟酸和乙酸组成的混合酸液。作为一优选实施例，所述硝酸、氢氟酸和乙酸的体积比为24～28：0.9～1.1：31～35。进一步地，所述硝酸、氢氟酸和乙酸的质量分数浓度分别为69～70％、48～49％和98～99％。
在第一多晶硅层10被化学溶液腐蚀去除后，ONO薄膜5将全部露出。由于在存在ONO薄膜缺陷6的单元部位造成了ONO薄膜5的不致密，因此，化学溶液将通过ONO薄膜缺陷6产生的缝隙，继续对该缺陷6下方的第二多晶硅层4进行腐蚀去除，直至形成一个腐蚀空腔12。而不存在缺陷6的其他储存单元的ONO薄膜5，对选择性化学溶液将起到很好的阻挡作用，因而位于这些储存单元ONO薄膜5下方的第二多晶硅层4得以完好地保留下来。
如框04所示，步骤S04：对被腐蚀的ONO薄膜缺陷处进行定位，并制备缺陷平面样品，供进一步进行缺陷观察及失效分析。
请参阅图5和图9。接下来，将进行最终的平面(plan-view)样品制备。为方便准确地制备缺陷平面样品，需要对被腐蚀的ONO薄膜缺陷6处进行定位。作为本发明一优选实施例，可使用SEM(扫描电子显微镜)对第二多晶硅层4已被腐蚀掉、并形成空腔12的ONO薄膜缺陷6单元处进行观察和定位。具体的定位方法，可参考现有的通常技术加以理解，本文不作展开描述。
在进行定位后，即可开始进行平面样品的制备。作为一可选的实施方式，制备缺陷平面样品的方法可包括：对所述样品的下表面各层进行减薄处理，停止在所述第二多晶硅层4，并将ONO薄膜缺陷6处下方所述第二多晶硅层4被腐蚀后形成的空腔12露出。在制作样品时，可通过FIB切割方式对所述样品的下表面各层进行减薄处理。根据上述制备方法，可将缺陷平面样品进一步制作成平面TEM(透射电子显微镜)样品，并符合该类样品所要求的样品厚度，以便让含缺陷6处的整个TEM样品能被电子束穿透成像。平面TEM样品的具体制备方法，可参考现有的通常技术加以理解，本文不作展开描述。
在完成上述对样品的制备后，即可使用TEM对所述平面样品进行缺陷的观察及失效分析。由于在ONO薄膜缺陷6处存在空隙，且在缺陷6的上、下两侧都没有材料(第一、第二多晶硅层)阻挡，因此，通过TEM的电子束在ONO薄膜缺陷6处的穿透，可以形成明显有别于其他部位的良好衬度，使得采用本发明上述方法形成的样品缺陷成像质量明显优于现有技术的方法，大为提高了失效分析的准确性。
通过使用本发明的方法，可方便地对Flash产品的ONO薄膜缺陷进行捕捉，以可靠地进行失效分析。例如，对于良率极低的Flash产品的失效分析，即使未使用电性分析的方法来确认准确的地址，也可以使用本发明的上述方法，快速地确认ONO是否有缺陷。并且，可以针对所发现的缺陷，使用TEM进行非常精细地分析。因此，通过本发明的这种方法，可以大大提高失效分析的效率和准确性，从而帮助Flash产品的良率和可靠性迅速提高。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种Flash产品的ONO薄膜缺陷的失效分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：提供一待分析Flash样品，所述样品至少包括依次由第一多晶硅层、ONO薄膜、第二多晶硅层形成的重复储存单元结构；
步骤S02：对所述样品的上表面各层进行减薄处理，并至少将含有ONO薄膜缺陷的所述储存单元的第一多晶硅层区域露出；
步骤S03：使用选择性化学溶液，对所述第一多晶硅层进行腐蚀去除，露出ONO薄膜；并且，在ONO薄膜缺陷处，通过化学溶液继续对该缺陷下方的第二多晶硅层进行腐蚀去除；
步骤S04：对被腐蚀的ONO薄膜缺陷处进行定位，并制备缺陷平面样品，供进一步进行缺陷观察及失效分析。
2.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，步骤S02中，采用研磨或使用FIB切割方式，对所述样品的上表面各层进行减薄处理。
3.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，所述化学溶液为硝酸、氢氟酸和乙酸的混合酸液。
4.根据权利要求3所述的失效分析方法，其特征在于，所述硝酸、氢氟酸和乙酸的体积比为24～28：0.9～1.1：31～35。
5.根据权利要求3或4所述的失效分析方法，其特征在于，所述硝酸、氢氟酸和乙酸的质量分数浓度分别为69～70％、48～49％、98～99％。
6.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，步骤S04中，使用SEM对被腐蚀的ONO薄膜缺陷处进行定位。
7.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，步骤S04中，制备缺陷平面样品的方法包括：对所述样品的下表面各层进行减薄处理，停止在所述第二多晶硅层，并将ONO薄膜缺陷处下方所述第二多晶硅层被腐蚀后形成的空腔露出。
8.根据权利要求7所述的失效分析方法，其特征在于，所述平面样品为通过FIB切割方式对所述样品的下表面各层进行减薄处理所制备形成的平面TEM样品。
9.根据权利要求1、7或8所述的失效分析方法，其特征在于，对所述平面样品使用TEM进行缺陷观察及失效分析。
10.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，步骤S02中，先根据失效的电性地址确定缺陷在所述样品中的精确物理地址，然后，再对所述样品的上表面各层进行减薄处理，并至少将根据物理地址确定的含有ONO薄膜缺陷的所述储存单元的第一多晶硅层区域露出。
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