CN109444193A - 半导体芯片的失效分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体芯片的失效分析方法，包括：切割半导体芯片制备具有横截面的样品；对样品的衡截面进行研磨抛光、水洗并干燥样品；配置化学染色液；将抛光好的样品放入所述化学染色液中进行染色处理；对染色处理后的样品进行清洗并干燥样品；将样品放置在扫描电镜中进行检查并进行显微摄影，进行失效分析。本发明在对样品进行研磨抛光之后，还采用化学染色液对样品表面进行化学处理，最后才使用扫描电子显微镜对掺杂物分布和结面轮廓进行二维描述，并且能够以较高的空间分辨率精确描绘掺杂剖面，从而可以对样品的失效节点进行详细而准确的分析。

Description

半导体芯片的失效分析方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种半导体芯片的失效分析方法。
背景技术
为了迎接超大规模集成电路制造的挑战，人们对半导体器件中掺杂/结型纳米级诊断测量的需求越来越大。特别是，人们越来越需要开发掺杂/结剖面的二维描述技术。随着半导体器件技术的飞速发展，器件规模不断缩小，对掺杂分布和结深的精确数据提出了更高的空间分辨率要求，目前用于掺杂测量的技术有二次离子质谱(D-SIMS)、扩展电阻谱(SRP)、扫描电容显微镜(SCM)和化学染色等。SIMS和SRP都具有较高的灵敏度，但这两种方法只能提供一维的掺杂分布信息。而对SCM来说，虽然它可以实现二维的掺杂轮廓，但其糟糕的空间分辨率限制了它的应用，特别是对于先进技术节点中的应用，如图1所示，用传统方法染色后的扫描电镜照片显示结型不够清晰。
发明内容
本发明提供一种半导体芯片的失效分析方法，以解决现有技术中半导体芯片结剖面清晰度较低从而影响失效分析的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体芯片的失效分析方法，包括：切割半导体芯片制备具有横截面的样品；对样品的衡截面进行研磨抛光、水洗并干燥样品；配置化学染色液；将抛光好的样品放入所述化学染色液中进行染色处理；对染色处理后的样品进行清洗并干燥样品；将样品放置在扫描电镜中进行检查并进行显微摄影，进行失效分析。
作为优选，所述化学染色液采用硝酸、氢氟酸和去离子水的混合液。
作为优选，所述硝酸、氢氟酸和水的体积比为H2O:HNO3:HF＝15:20:1。
作为优选，采用直喷的方式用清水冲洗样品25-35秒。
作为优选，采用吹气枪吹干样品或者采用氮气干燥样品。
作为优选，在对样品的横截面进行抛光之前，采用FIB工艺在样品上标注出抛光的对准标记和目标标记。
作为优选，所述样品的染色时间为室温条件下2～6秒钟。
作为优选，在样品放置在扫描电镜中之前，采用Pt溅射法对样品表面涂敷15-30秒。
作为优选，所述扫描电镜在加速电压为1～5kV，工作距离为3～5mm的条件下进行显微摄影。
作为优选，采用SELRA切割器切割半导体芯片。
与现有技术相比，本发明在对样品进行研磨抛光之后，还采用化学染色液对样品表面进行化学处理，最后才使用扫描电镜、透射电镜等电子显微镜对掺杂物分布和结面轮廓进行二维描述。其中的染色处理可获得较高的刻蚀选择性，将之应用在较小的例如65nm的技术节点上，可以实现先进技术节点掺杂剖面的精确勾画，由此可以证明本发明能够以较高的空间分辨率精确描绘掺杂剖面，从而可以对样品的失效节点进行详细而准确的分析。
附图说明
图1为采用传统方法染色后样品的扫描电镜图；
图2为本发明的半导体芯片的失效分析方法流程图；
图3为采用本发明的方法染色后的半导体芯片的失效分析样品的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图2所示，本发明提供一种半导体芯片的失效分析方法，包括：
切割半导体芯片，以制备具有横截面的样品；
采用FIB(聚焦离子束)工艺在样品上标注出抛光的对准标记和目标标记，具体地，采用FIB进行三次标注，前两次用于标出对准标记，第三次用于将精确的目标位置标记为目标标记。
接着，根据上述对准标记和目标标记对样品的衡截面进行研磨抛光，以便于精确勾画出样品的掺杂轮廓；
抛光完成后，使用清水清洗样品并采用吹气枪吹干样品或者采用氮气干燥样品；
接着，配置化学染色液，本实施例中，所述化学染色液采用硝酸、氢氟酸和去离子水的混合液，所述硝酸、氢氟酸和水的体积比为H2O:HNO3:HF＝15:20:1。
将抛光好的样品放入所述化学染色液中进行染色处理；所述样品的染色时间为室温条件下2～6秒钟，优选为3秒，所述化学染色液具有高刻蚀选择性，使得样品的抛光面具有较高的空间分辨率。用本发明的新的染色方法后用扫描电镜观察可以清晰的看到不同的节点。不仅可以清楚地观察到结剖面，而且可以清楚地观察到轻掺杂漏极(LDD)剖面，参照图3。LDD剖面的成功绘制表明新配方具有较高的化学刻蚀选择性。
直喷清水的方式用对染色处理后的样品进行清洗，清洗时间为25-35秒，采用吹气枪吹干样品或者采用氮气干燥样品；
接着，将样品放置在扫描电镜中进行检查并进行显微摄影，获取以高空间分辨率精确描绘的样品的掺杂剖面，并进行失效分析。
由上可知，本发明在对样品进行研磨抛光之后，还采用化学染色液对样品表面进行化学处理，最后才使用扫描电镜、透射电镜等电子显微镜对掺杂物分布和结面轮廓进行二维描述，并且能够以较高的空间分辨率精确描绘掺杂剖面，从而可以对样品的失效节点进行详细而准确的分析。
请继续参照图2，下面以对65nm晶体管器件的失效分析为例，详细说明本发明的技术效果：
首先，采用化学染色和扫描电子显微镜研究65nm工艺节点器件掺杂/结分布的新技术/制法，其具体包括：
使用“赛拉”切割器制备具有横截面的样品。
使用FIB技术在样品上标注出抛光的对准标记，并将精确抛光的目标位置标记为目标标记；
接着，借助对准标记和目标标记将样品机械抛光到目标位置；
制备由硝酸(HNO3)、氟化氢酸(HF)和直喷式水(H2O)组成的化学染色液。
使用化学染色液染色上述抛光后的样品，染色时间：室温(25℃)下3秒；
接着，用直喷式水冲洗样品30秒，用干燥的N2干燥样品；
使用Pt溅射法将样品涂敷23秒，防止充电。
进行扫描电镜检查样品，步骤在加速电压为1～5kV，工作距离3～5mm的条件下进行显微摄影，得到的图像如图3所示，图中可以清晰的看到不同节点。
综上可知，本发明在对样品进行研磨抛光之后，还采用化学染色液对样品表面进行化学处理，最后才使用扫描电镜、透射电镜等电子显微镜对掺杂物分布和结面轮廓进行二维描述。其中的染色处理可获得较高的刻蚀选择性，将之应用在较小的例如65nm的技术节点上，可以实现先进技术节点掺杂剖面的精确勾画，由此可以证明本发明能够以较高的空间分辨率精确描绘掺杂剖面，从而可以对样品的失效节点进行详细而准确的分析。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种半导体芯片的失效分析方法，其特征在于，包括：
切割半导体芯片制备具有横截面的样品；
对样品的衡截面进行研磨抛光、水洗并干燥样品；
配置化学染色液；
将抛光好的样品放入所述化学染色液中进行染色处理；
对染色处理后的样品进行清洗并干燥样品；
将样品放置在扫描电镜中进行检查并进行显微摄影，进行失效分析。
2.如权利要求1所述的半导体芯片的失效分析方法，其特征在于，所述化学染色液采用硝酸、氢氟酸和去离子水的混合液。
3.如权利要求2所述的半导体芯片的失效分析方法，其特征在于，所述硝酸、氢氟酸和水的体积比为H2O:HNO3:HF＝15:20:1。
4.如权利要求1所述的半导体芯片的失效分析方法，其特征在于，采用直喷的方式用清水冲洗样品25-35秒。
5.如权利要求1或4所述的半导体芯片的失效分析方法，其特征在于，采用吹气枪吹干样品或者采用氮气干燥样品。
6.如权利要求1所述的半导体芯片的失效分析方法，其特征在于，在对样品的横截面进行抛光之前，采用FIB工艺在样品上标注出抛光的对准标记和目标标记。
7.如权利要求1所述的半导体芯片的失效分析方法，其特征在于，所述样品的染色时间为室温条件下2～6秒钟。
8.如权利要求1所述的半导体芯片的失效分析方法，其特征在于，在样品放置在扫描电镜中之前，采用Pt溅射法对样品表面涂敷15-30秒。
9.如权利要求1所述的半导体芯片的失效分析方法，其特征在于，所述扫描电镜在加速电压为1～5kV，工作距离为3～5mm的条件下进行显微摄影。
10.如权利要求1所述的半导体芯片的失效分析方法，其特征在于，采用SELRA(赛拉)切割器切割半导体芯片。
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