CN105784743A - 栅氧化层失效分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种栅氧化层失效分析方法，通过采用具有一定能量的离子束对已经制备好的TEM样品进行轰击，使得TEM样品中的Poly非晶化，从而不会在透射电子显微镜中呈现出Poly的晶格衬度，而重金属的衬度依然保留，从而可以在透射电子显微镜下明确观察到重金属污染的位置并顺利地进行元素分析，进而有效的提高栅氧化层失效分析的效率。

Description

栅氧化层失效分析方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种栅氧化层失效分析方法。
背景技术
在制程可靠性测试(Processreliabilitytest)中，会有栅氧化层(Gateoxideintegration)失效的问题，即栅氧化层击穿电压偏低，漏电大。造成这种失效的一个常见原因是重金属污染，通常都需要用显微镜进行观察和元素分析以确定污染源。在使用聚焦离子束显微镜(FIB)进行样品制备时，能清晰地看到在多晶硅栅(Poly)和栅氧化层(gateoxide)之间有重金属的残留，如图1所示，在聚焦离子束显微镜(FIB)下能够很清晰的看到多晶硅栅和栅氧化层之间具有重金属残留1，但FIB不能对小尺寸的重金属进行准确的元素分析。而透射电镜(TEM)即透射电子显微镜可以分析非常小的范围(小于5nm)，图2中的101为有源区(activearea，简称AA)，102为栅氧化层，103为多晶硅栅(多晶的Poly)，如图2所示，在透射电子显微镜中多晶硅103有很强的晶格衬度,也就是不同晶格不同的黑白度，与此同时，重金属在透射电镜里呈现的元素衬度(灰黑)与多晶硅103呈现的晶格衬度中灰黑部分无法区分，以致于因难以确定重金属污染的位置，而导致无法进行元素分析。
目前通常使用FIB观察的方法，即用FIB切到有重金属污染的位置，然后用特殊的气体蚀刻有源区和Poly。这样在FIB里很清楚地观察到重金属污染的位置，但是无法进行重金属元素分析；也可使用TEM观察：在TEM中，由于Poly是多晶的，其晶格衬度不确定，与重金属元素的衬度无法区分。
因此，如何找到一种可以很明确的观察到重金属污染的位置和进行元素分析的方法，从而可以有效提高栅氧化层失效分析的效率成为本领域技术人员致力研究的方向。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明公开一种栅氧化层失效分析方法，以克服现有技术中由于Poly的晶格衬度不确定而与重金属元素的衬度无法区分，导致在透射电子显微镜中无法明确的观察到重金属污染的位置，进而无法进行元素分析的问题。
为了实现上述目的，本申请记载了一种栅氧化层失效分析方法，包括以下步骤：
提供一包含有栅氧化层和覆盖该栅氧化层表面的多晶硅栅的待测半导体器件，且该栅氧化层和多晶硅栅之间具有重金属污染；
将所述待测半导体器件上有重金属污染的区域制备成TEM样品；
采用离子束对所述TEM样品进行轰击，以使得所述TEM样品中的多晶硅栅非晶化；
继续对所述TEM样品进行栅氧化层失效分析。
上述的栅氧化层失效分析方法，其中，所述方法还包括：采用聚焦离子束将所述待测半导体器件上有重金属污染的区域制备成TEM样品。
上述的栅氧化层失效分析方法，其中，所述方法还包括：
采用聚焦离子束切割所述待测半导体器件中有重金属污染的区域得到TEM样品薄片；
加热所述TEM样品薄片制备成TEM样品。
上述的栅氧化层失效分析方法，其中，所述离子束为轻元素离子束。
上述的栅氧化层失效分析方法，其中，所述轻元素离子束中的元素为氟化硼、磷或氩中的一种或多种。
上述的栅氧化层失效分析方法，其中，所述TEM样品的厚度为95～105nm。
上述的栅氧化层失效分析方法，其中，在50KV～70KV的电压下采用轻元素离子束对所述TEM样品的正反面分别进行一次轰击。
上述的栅氧化层失效分析方法，其中，在50KV～70KV的电压下采用轻元素离子束对所述TEM样品的正反面同时进行一次轰击。
上述的栅氧化层失效分析方法，其中，对所述TEM样品进行栅氧化层失效分析包括如下步骤：
将多晶硅栅非晶化的TEM样品放入透镜电镜中，观察所述重金属污染的位置；
对该重金属污染进行元素分析。
上述的栅氧化层失效分析方法，其中，所述栅氧化层的材质为二氧化硅。
上述的栅氧化层失效分析方法，其中，采用离子束对所述TEM样品进行轰击时，采用一固定夹具夹持所述TEM样品以便于对该TEM样品进行轰击。
上述的栅氧化层失效分析方法，其中，对所述重金属污染进行定位后，将所述待测半导体器件上有重金属污染的区域制备成TEM样品。
上述发明具有如下优点或者有益效果：
本发明公开的一种栅氧化层失效分析方法，通过采用具有一定能量的离子束对已经制备好的TEM样品进行轰击，使得TEM样品中的Poly非晶化，从而不会在透射电子显微镜中呈现出Poly的晶格衬度，而重金属的衬度依然保留，从而可以在透射电子显微镜下明确观察到重金属污染的位置并顺利地进行元素分析，进而有效的提高栅氧化层失效分析的效率。
具体附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明背景技术中FIB制备样品时发现重金属残留的光学图片；
图2是本发明背景技术中在TEM下观察重金属残留得到的光学图片；
图3是本发明实施例中TEM样品的结构示意图；
图4是本发明实施例中对TEM样品的正面进行离子束轰击的结构示意图；
图5是本发明实施例中对TEM样品的反面进行离子束轰击的结构示意图；
图6是本发明实施例中栅氧化层失效分析方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
图6是本发明实施例中栅氧化层失效分析方法的流程示意图，如图6所示：
本实施例涉及一种栅氧化层失效分析方法，包括以下步骤：
步骤S1，提供一包含有栅氧化层和覆盖该栅氧化层表面的多晶硅栅的待测半导体器件，且该栅氧化层和多晶硅栅之间具有重金属污染，优选的，该栅氧化层的材质为二氧化硅。
步骤S2，将待测半导体器件上有重金属污染的区域制备成TEM样品，优选的，采用聚焦离子束将该待测半导体器件上有重金属污染的区域制备成TEM样品，制备的TEM样品如图3所示，图3中的10为固定夹具，其作用是固定该TEM样品，即采用该固定夹具10夹持上述TEM样品11以便于后续对该TEM样品11进行轰击，该TEM样品11包括衬底111、覆盖该衬底111表面的栅氧化层112以及覆盖该栅氧化层112表面的多晶硅栅113，其中，该TEM样品11中的一个栅氧化层112和覆盖该栅氧化层112表面的多晶硅栅113之间的A处具有重金属污染。
优选的，上述TEM样品的厚度为95～105nm(例如95nm、98nm、100nm以及105nm)。
在本发明的实施例中，采用聚焦离子束切割上述待测半导体器件中有重金属污染的区域得到TEM样品薄片；之后加热该TEM样品薄片制备成TEM样品以将TEM样品薄片两侧的非晶态部分重新结晶为晶态，使得通过透射电镜观测制得的TEM样品能够看到有序的、可反映样品材料晶相的图像，从而进一步的提高栅氧化层失效分析的准确度。
其中，对重金属污染进行定位后，再将上述待测半导体器件上有重金属污染的区域制备成TEM样品，即先找出该重金属污染，然后将包含有该重金属污染的区域制备成TEM样品，该有该重金属污染的区域的大小根据具体需求设定。
在本发明的实施例中，该TEM样品11的衬底上设置有有源区和浅沟槽隔离结构、覆盖该多晶硅栅113侧壁的侧墙以及位于多晶硅栅113上方的金属互连结构(图中均未标示出)。
步骤S3，采用离子束对TEM样品11进行轰击，以使得TEM样品11中的多晶硅栅113非晶化，在本发明的实施例中，该离子束为轻元素离子束，且该轻元素离子束中的元素为氟化硼、磷或氩中的一种或多种，可以根据工艺需求具体选择。
具体的，由于上述TEM样品11的厚度为95-105nm，而50KV～70KV电压的轻元素离子束的一次轰击大约能导致50nm厚的多晶硅栅非晶化，因此可采用50KV～70KV电压的轻元素离子束对上述TEM样品11进行正反面各一次轰击，以使得TEM样品11中的多晶硅栅113非晶化。在本发明的实施例中，如图4和图5所示，先对该TEM样品11的正面进行轰击(如图4所示)，然后将该TEM样品11翻转，对TEM样品11的反面进行轰击(如图5所示)，而在本发明的其他实施例中，也可以先对TEM样品的反面进行轰击，之后将TEM样品翻转，然后再对TEM样品的正面进行轰击；同时，在不影响多晶硅栅非晶化效果的前提下，也可以同时对TEM样品的正面和反面进行轰击，当然，也可以采用较高电压的离子束对TEM样品进行单面的一次轰击，只要能实现本发明的目的即可。
在本发明的实施例中，采用50KV～70KV电压的轻元素离子束对TEM样品11进行正反面各一次轰击通常可使得TEM样品11中大部分多晶硅栅或所有的多晶硅栅非晶化，从而在采用透射电镜观察多晶硅栅非晶化后的TEM样品11时，透射电镜中不会呈现出Poly的晶格衬度(若仅有小部分多晶硅栅未非晶化，透射电镜中亦不会呈现出Poly的晶格衬度)。由此可知，本发明可以根据TEM样品的厚度选择离子束轰击所需要的能量，只要使得轰击后TEM样品中的大部分多晶硅栅或所有多晶硅栅非晶化即可。
步骤S4，继续对TEM样品进行栅氧化层失效分析。具体的，将多晶硅栅113非晶化的TEM样品11放入透镜电镜中，观察重金属污染的位置；之后对该重金属污染进行元素分析，由于多晶硅栅被非晶化，所以在透射电镜中不会呈现出多晶硅栅的晶格衬度，而重金属在透射电镜里的元素衬度依然存在，从而能够明确的观察到重金属污染的位置及采用透射电镜对该重金属污染进行元素分析。
综上所述，本发明公开的一种栅氧化层失效分析方法，通过采用具有一定能量的离子束对已经制备好的TEM样品进行轰击，使得TEM样品中Poly非晶化，从而不会在透射电子显微镜中呈现出Poly的晶格衬度，而重金属的衬度依然保留，从而可以在透射电子显微镜下明确观察到重金属污染的位置并顺利地进行元素分析，进而有效的提高栅氧化层失效分析的效率。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1.一种栅氧化层失效分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一包含有栅氧化层和覆盖该栅氧化层表面的多晶硅栅的待测半导体器件，且该栅氧化层和多晶硅栅之间具有重金属污染；
将所述待测半导体器件上有重金属污染的区域制备成TEM样品；
采用离子束对所述TEM样品进行轰击，以使得所述TEM样品中的多晶硅栅非晶化；
继续对所述TEM样品进行栅氧化层失效分析。
2.如权利要求1所述的栅氧化层失效分析方法，其特征在于，所述方法还包括：采用聚焦离子束将所述待测半导体器件上有重金属污染的区域制备成TEM样品。
3.如权利要求2所述的栅氧化层失效分析方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用聚焦离子束切割所述待测半导体器件中有重金属污染的区域得到TEM样品薄片；
加热所述TEM样品薄片制备成TEM样品。
4.如权利要求1所述的栅氧化层失效分析方法，其特征在于，所述离子束为轻元素离子束。
5.如权利要求4所述的栅氧化层失效分析方法，其特征在于，所述轻元素离子束中的元素为氟化硼、磷或氩中的一种或多种。
6.如权利要求4所述的栅氧化层失效分析方法，其特征在于，所述TEM样品的厚度为95～105nm。
7.如权利要求6所述的栅氧化层失效分析方法，其特征在于，在50KV～70KV的电压下采用轻元素离子束对所述TEM样品的正反面分别进行一次轰击。
8.如权利要求6所述的栅氧化层失效分析方法，其特征在于，在50KV～70KV的电压下采用轻元素离子束对所述TEM样品的正反面同时进行一次轰击。
9.如权利要求1所述的栅氧化层失效分析方法，其特征在于，对所述TEM样品进行栅氧化层失效分析包括如下步骤：
将多晶硅栅非晶化的TEM样品放入透镜电镜中，观察所述重金属污染的位置；
对该重金属污染进行元素分析。
10.如权利要求1所述的栅氧化层失效分析方法，其特征在于，所述栅氧化层的材质为二氧化硅。
11.如权利要求1所述的栅氧化层失效分析方法，其特征在于，采用离子束对所述TEM样品进行轰击时，采用一固定夹具夹持所述TEM样品以便于对该TEM样品进行轰击。
12.如权利要求1所述的栅氧化层失效分析方法，其特征在于，对所述重金属污染进行定位后，将所述待测半导体器件上有重金属污染的区域制备成TEM样品。
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