CN105353291A - 芯片的失效分析方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种芯片的失效分析方法，该失效分析方法包括：定位芯片中产生漏电流的硅通孔结构；沿垂直芯片表面的方向研磨芯片至接近硅通孔结构，标记为与芯片的上表面垂直的横截面；在横截面上依次间隔设定标记点；在硅通孔结构和芯片中的衬底之间施加测试电压，获取硅通孔结构产生漏电流的位置，将其在横截面上对应的位置标为热点；将与热点相邻的两个标记点记为第一标记点和第二标记点，通过热点与第一标记点和第二标记点之间的深度关系定位漏电流的深度。该方法能够准确地获取芯片中漏电流的深度位置，进而有效地指导接下来的物理失效分析方法和工艺改进。同时，该方法所用的机台均为已有的传统机台，不需额外增加机台预算。

Description

芯片的失效分析方法

技术领域

本申请涉及半导体集成电路的技术领域，具体而言，涉及一种芯片的失效分析方法。

背景技术

在芯片(3DIC)的制作过程中，需要通过硅通孔结构(TSV)使芯片在三维方向上堆叠，以制作出性能强大、成本效率高的芯片。然而，由于硅通孔结构很深(一般为100μm)，使得硅通孔结构的底部附近(100um左右的深度)容易产生漏电流，从而降低芯片的性能。因此，提高芯片良率的过程中，工程师需要对芯片进行失效分析(FA)以找出芯片中发生漏电流的位置，再通过物理失效分析方法(PFA)对漏电流产生原因进行分析，以便于后续对芯片进行改进。

目前，通常采用热点失效定位分析方法对芯片中漏电流的位置进行定位，即在硅通孔结构和衬底之间施加测试电压，此时漏电流的位置会产生热点(hotspot)，且该热点能够被测试机发现并通过热点图存储下来。然而，该方法只能给出芯片正面的热点(如图1中a所示)，不能定位这个热点发生在哪一层或者哪一个深度，导致接下来的物理失效分析方法(PFA)无从下手。

为了解决上述问题，一些走在前沿的FA机台厂商开发出了用于检测热点的FA机台。利用该FA机台于检测热点的原理为：通过侦测热点的热波(thermalwave)的相位变化，并将其与热波透过不同材质(例如硅通孔结构或金属层等)模拟计算得到的相位变化作比较，从而计算出热点是从什么深度透射出来的。但是，这种模拟计算得出的深度精确度不高，一般情况下深度精确度只有20μm左右(例如只能确定热点在硅通孔结构往下0～20um范围内，或者只能确定热点在硅通孔结构往下20～40um范围内等)。再加上这种FA机台昂贵，限制了其在热点检测领域中的应用。

因此，如何找到一个切实有效的方法，以准确地获取芯片中热点(即漏电流)的深度位置，进而有效地指导接下来的物理失效分析方法和工艺改进，成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请旨在提供一种芯片的失效分析方法，以准确地获取芯片中漏电流的深度位置。

为了实现上述目的，本申请提供了一种芯片的失效分析方法，该失效分析方法包括：定位芯片中产生漏电流的硅通孔结构；沿垂直芯片表面的方向减薄芯片至接近硅通孔结构，标记为与芯片的上表面垂直的横截面；在横截面上依次间隔设定标记点；在硅通孔结构和芯片中的衬底之间施加测试电压，获取硅通孔结构产生漏电流的位置，将其在横截面上对应的位置标为热点；将与热点相邻的两个标记点记为第一标记点和第二标记点，通过热点与第一标记点和第二标记点之间的深度关系定位漏电流的深度。

进一步地，定位漏电流的深度的步骤包括：将第一标记点的深度记为a，并将第二标记点的深度记为b，且a＜b；量取热点分别与第一标记点和第二标记点之间的距离，其中热点和第一标记点之间的距离为c，热点和第二标记点之间的距离为d；计算出漏电流的深度为a+(b-a)c/(c+d)＝(ad+bc)/(c+d)。

进一步地，在硅通孔结构和衬底之间施加测试电压的步骤包括：将与硅通孔结构电连接的焊盘和第一引线的第一端进行键合，并将与衬底电连接的焊盘和第二引线的第一端进行键合；将芯片以横截面朝上的方式置于测试机中的测试台上，并将第一引线的第二端和第二引线的第二端引到测试机中与测试台平行设置的样片座上；将测试机中的探针分别扎到第一引线的第二端和第二引线的第二端，以在第一引线的第二端和第二引线的第二端之间施加测试电压。

进一步地，在将横截面上对应于漏电流的位置标为热点的步骤中，通过热点失效分析方法获取芯片中漏电流的位置。

进一步地，采用导电胶将第一引线的第二端和第二引线的第二端引到样片座上。

进一步地，在设定标记点的步骤中，在横截面上沿垂直于芯片的上表面方向以相同间隔距离依次设定标记点。

进一步地，在设定标记点的步骤中，形成间隔距离小于5μm的各标记点。

进一步地，在设定标记点的步骤中，采用聚焦离子束工艺在横截面上设定标记点。

进一步地，在找出硅通孔结构的步骤中，通过热点失效分析方法定位芯片中产生漏电流的硅通孔结构。

进一步地，在研磨芯片的步骤中，采用机械研磨工艺减薄芯片至接近硅通孔结构。

进一步地，在减薄芯片至接近硅通孔结构的步骤中，减薄芯片以获得与硅通孔结构相距5～20μm的横截面。

应用本申请的技术方案，通过沿垂直芯片表面的方向减薄芯片至接近产生漏电流的硅通孔结构，以获得与芯片的表面垂直的横截面，然后在横截面上依次间隔设定标记点，并在硅通孔结构和芯片中的衬底之间施加测试电压，从而能够在横截面上发现对应于漏电流的位置的热点，并通过热点和与热点相邻的标记点之间的深度关系定位漏电流的深度。该方法能够通过减小横截面上标记点的间隔距离，从而能够准确地获取芯片中漏电流的深度位置，进而有效地指导接下来的物理失效分析方法和工艺改进。同时，该方法所用的机台均为已有的传统机台，不需额外增加机台预算，使得能够在热点检测领域中得以广泛应用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了采用现有热点失效定位分析方法对芯片中热点进行定位的热点图；

图2示出了本申请实施方式所提供的芯片的失效分析方法的流程示意图；以及

图3示出了采用本申请实施方式所提供的芯片的失效分析方法对芯片中热点进行定位的热点图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

正如背景技术中所介绍的，现有热点失效定位分析方法不能准确地获取芯片中热点(即漏电流)的深度位置，进而不能有效地指导接下来的物理失效分析方法和工艺改进。本申请的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种芯片的失效分析方法，如图2所示，该失效分析方法包括：定位芯片中产生漏电流的硅通孔结构；沿垂直芯片表面的方向减薄芯片至接近硅通孔结构，标记为与芯片的上表面垂直的横截面；在横截面上依次间隔设定标记点；在硅通孔结构和芯片中的衬底之间施加测试电压，获取硅通孔结构产生漏电流的位置，将其在横截面上对应的位置标为热点；将与热点相邻的两个标记点记为第一标记点和第二标记点，通过热点与第一标记点和第二标记点之间的深度关系定位漏电流的深度。

上述失效分析方法通过沿垂直芯片表面的方向减薄芯片至接近产生漏电流的硅通孔结构，以获得与芯片的表面垂直的横截面，然后在横截面上依次间隔设定标记点，并在硅通孔结构和芯片中的衬底之间施加测试电压，从而能够在横截面上发现对应于漏电流的位置的热点，并通过热点和与热点相邻的标记点之间的深度关系定位漏电流的深度。该方法能够通过减小横截面上标记点的间隔距离，从而能够准确地获取芯片中漏电流的深度位置，进而有效地指导接下来的物理失效分析方法和工艺改进。同时，该方法所用的机台均为已有的传统机台，不需额外增加机台预算，使得能够在热点检测领域中得以广泛应用。

下面将更详细地描述根据本申请提供的芯片的失效分析方法的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。

首先，定位芯片中产生漏电流的硅通孔结构。优选地，在该步骤中，可以通过热点失效分析方法找出芯片中产生漏电流的硅通孔结构，即在芯片中各硅通孔结构和衬底之间施加测试电压，此时漏电流的位置会有异常电流聚集，这会出现两种现象：一种现象是聚集的电流会发出异常的大量光子；另一种现象是当激光扫描到失效位置时，通过电源线的电流会出现异常波动。这两种现象能够被我们的分析仪器发现并作为热点图存储下来。

完成定位芯片中产生漏电流的硅通孔结构的步骤之后，沿垂直芯片表面的方向减薄芯片至接近硅通孔结构，标记为与芯片的上表面垂直的横截面。在步骤中，需要把芯片研磨至硅通孔结构的附近，且要保持硅通孔的完整性；同时，研磨获得的横截面又不能离硅通孔结构太远，否则热点有可能透不过这个距离，从而侦测不到热点(即漏电流)。

针对上述问题，发明人进行了大量的理论和实验研究，从而获得了硅通孔结构和横截面之间的最佳距离，即研磨芯片以获得与硅通孔结构相距5～20μm的横截面。研究结果表明，在该最佳距离内，不但能够保持硅通孔的完整性，还能够准确地侦测到热点。

对上述芯片进行研磨的工艺可以为机械研磨工艺。在研磨的过程中，需要进行终点检测，即当研磨进行到一定程度后，需要采用光学显微镜等观察芯片，以判断是否到达欲形成横截面的位置。当然，研磨芯片的工艺并不仅限于上述优选实施方式。

完成沿垂直芯片表面的方向减薄芯片至接近硅通孔结构，标记为与芯片的上表面垂直的横截面的步骤之后，在横截面上依次间隔设定标记点。其中，在横截面上沿垂直于芯片的上表面方向依次间隔设定标记点。通过该标记点和后续发现热点之间的位置关系定位漏电流的深度。同时，通过减小横截面上标记点的间隔距离，能够准确地获取芯片中漏电流的深度位置，进而有效地指导接下来的物理失效分析方法和工艺改进。

在设定上述标记点的步骤中，相邻标记点之间的间隔距离直接决定定位热点深度的精确度，且间隔距离越小，精确度越高。为了更进一步提高定位热点深度的精确度，优选地，在横截面上沿垂直于芯片的上表面方向且以相同间隔距离依次设定标记点。

设定上述标记点的方法有很多，本领域的技术人员可以根据本申请的教导选择设定标记点的方法。优选地，本申请采用聚焦离子束工艺在横截面上设定标记点。同时，发明人采用聚焦离子束工艺在进行了一系列的验证试验。试验结果表明，采用聚焦离子束工艺能够准确地在横截面上设定标记点，且优选形成间隔距离小于5μm的各标记点。

完成在横截面上依次间隔设定标记点的步骤之后，在硅通孔结构和芯片中的衬底之间施加测试电压，获取横截面上对应于漏电流的位置，并将该位置标为热点。在一种优选地实施方式中，在硅通孔结构和衬底之间施加测试电压的步骤包括：将与硅通孔结构电连接的焊盘和第一引线的第一端进行键合，并将与衬底电连接的焊盘和第二引线的第一端进行键合；将芯片以横截面朝上的方式置于测试机中的测试台上，并将第一引线的第二端和第二引线的第二端引到测试机中与测试台平行设置的样片座上；将测试机中的探针分别扎到第一引线的第二端和第二引线的第二端，以在第一引线的第二端和第二引线的第二端之间施加测试电压。

上述优选实施方式中，可以通过热点失效分析方法获取芯片中漏电流的位置，即在存在漏电流的硅通孔结构和衬底之间施加测试电压，此时漏电流的位置会有异常电流聚集，这会出现两种现象：一种现象是聚集的电流会发出异常的大量光子；另一种现象是当激光扫描到失效位置时，通过电源线的电流会出现异常波动。这两种现象能够被我们的分析仪器发现并作为热点图存储下来。

同时，上述优选实施方式中，可以采用导电胶将第一引线的第二端和第二引线的第二端引到样片座上，然后再将测试机中的探针分别扎到第一引线的第二端和第二引线的第二端。当然，也可以采用其他方法将将测试机中的探针分别扎到第一引线的第二端和第二引线的第二端。

完成在硅通孔结构和芯片中的衬底之间施加测试电压，获取横截面上对应于漏电流的位置，并将该位置标为热点的步骤之后，将与热点相邻的两个标记点记为第一标记点和第二标记点，通过热点与第一标记点和第二标记点之间的深度关系定位漏电流的深度。在一种优选的实施方式中，定位漏电流的深度的步骤包括：将第一标记点的深度记为a，并将第二标记点的深度记为b，且a＜b；量取热点分别与第一标记点和第二标记点之间的距离，其中热点和第一标记点之间的距离为c，热点和第二标记点之间的距离为d；计算出漏电流的深度为a+(b-a)c/(c+d)＝(ad+bc)/(c+d)。

本申请还采用本申请实施方式所提供的芯片的失效分析方法进行了一系列的验证试验。图3示出了采用本申请实施方式所提供的芯片的失效分析方法对芯片中热点进行定位的热点图。如图3所示，图3中b为横截面上对应于漏电流位置的热点，通过该热点和标记点之间的位置关系能够准确定位芯片中热点的深度，进而有效地指导接下来的物理失效分析方法和工艺改进。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)通过沿垂直芯片表面的方向减薄芯片至接近产生漏电流的硅通孔结构，以获得与芯片的表面垂直的横截面，然后在横截面上依次间隔设定标记点，并在硅通孔结构和芯片中的衬底之间施加测试电压，从而能够在横截面上发现对应于漏电流的位置的热点，并通过热点和与热点相邻的标记点之间的深度关系定位漏电流的深度。

(2)该方法能够通过减小横截面上标记点的间隔距离，从而能够准确地获取芯片中漏电流的深度位置，进而有效地指导接下来的物理失效分析方法和工艺改进。

(3)同时，该方法所用的机台均为已有的传统机台，不需额外增加机台预算，使得能够在热点检测领域中得以广泛应用。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种芯片的失效分析方法，其特征在于，所述失效分析方法包括：

定位芯片中产生漏电流的硅通孔结构；

沿垂直所述芯片表面的方向减薄所述芯片至接近所述硅通孔结构，标记为与所述芯片的表面垂直的横截面；

在所述横截面上依次间隔设定标记点；

在所述硅通孔结构和所述芯片的衬底之间施加测试电压，获取所述硅通孔结构产生漏电流的位置，将其在所述横截面上对应的位置标为热点；

将与所述热点相邻的两个所述标记点记为第一标记点和第二标记点，通过所述热点与所述第一标记点和第二标记点之间的深度关系定位所述漏电流的深度。

2.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，定位所述漏电流的深度的步骤包括：

将所述第一标记点的深度记为a，并将所述第二标记点的深度记为b，且a＜b；

量取所述热点分别与所述第一标记点和所述第二标记点之间的距离，其中所述热点和所述第一标记点之间的距离为c，所述热点和所述第二标记点之间的距离为d；

计算出所述漏电流的深度为a+(b-a)c/(c+d)＝(ad+bc)/(c+d)。

3.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，在所述硅通孔结构和所述衬底之间施加测试电压的步骤包括：

将与所述硅通孔结构电连接的焊盘和第一引线的第一端进行键合，并将与所述衬底电连接的焊盘和第二引线的第一端进行键合；

将所述芯片以所述横截面朝上的方式置于测试机中的测试台上，并将所述第一引线的第二端和所述第二引线的第二端引到所述测试机中与所述测试台平行设置的样片座上；

将所述测试机中的探针分别扎到所述第一引线的第二端和所述第二引线的第二端，以在所述第一引线的第二端和所述第二引线的第二端之间施加测试电压。

4.根据权利要求3所示的失效分析方法，其特征在于，在将所述横截面上对应于漏电流的位置标为热点的步骤中，通过热点失效分析方法获取所述芯片中漏电流的位置。

5.根据权利要求3所示的失效分析方法，其特征在于，采用导电胶将所述第一引线的第二端和所述第二引线的第二端引到所述样片座上。

6.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，在设定所述标记点的步骤中，在所述横截面上沿垂直于所述芯片的上表面方向以相同间隔距离依次设定所述标记点。

7.根据权利要求6所述的失效分析方法，其特征在于，在设定所述标记点的步骤中，形成间隔距离小于5μm的各所述标记点。

8.根据权利要求1或6所述的失效分析方法，其特征在于，在设定所述标记点的步骤中，采用聚焦离子束工艺在所述横截面上设定所述标记点。

9.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，在找出所述硅通孔结构的步骤中，通过热点失效分析方法定位所述芯片中产生漏电流的所述硅通孔结构。

10.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，采用机械研磨工艺减薄所述芯片至接近所述硅通孔结构。

11.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，在减薄所述芯片至接近所述硅通孔结构的步骤中，减薄所述芯片以获得与所述硅通孔结构相距5～20μm的所述横截面。