CN111341683A - 一种检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，通过对所述晶圆的钝化层渗透荧光分子来检测。本发明提供的检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，利用荧光分子渗透到针孔里，通过荧光观察来检测半导体晶圆钝化层上的针孔缺陷。

Description

一种检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法。

背景技术

在半导体晶圆制造中，必须准确检测钝化层(Passivation)有没有针孔缺陷以确保晶圆的良率。目前业界应用传统的化学针孔缺陷检测法。应用磷酸和硝酸混合液浸泡晶圆样品一定的时间后，用光学显微镜观察晶圆上有没有针孔缺陷。应用这种传统的化学针孔缺陷检测法有许多局限性。例如，如果针孔缺陷没有从钝化层穿透到底下的金属层(非贯穿性针孔)，那就不能被检测出。

发明内容

由于芯片钝化层针孔缺陷尺寸通常在纳米级，目前现有的定位方法，如强酸腐蚀配合光学显微镜的方法，无法定位到纳米级的缺陷；扫描电子显微镜难以观测大面积范围内的纳米级缺陷，效率低；强酸腐蚀方法会腐蚀到钝化层下方的金属层或是电路，对芯片造成不可逆的破坏；同时对非贯穿性的针孔缺陷无法检出。

本发明提供一种检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，应用荧光分子渗透到针孔里，再用荧光显微镜检测针孔，最后用聚焦离子束(FIB)切割/扫描电镜(SEM)检测，此方法可以快速检测出贯穿性针孔和非贯穿性针孔。

具体地，本发明提供了一种检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，通过对所述晶圆的钝化层渗透荧光分子来检测。

本发明提供的检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，利用荧光分子渗透到针孔里，通过荧光观察来检测半导体晶圆钝化层上的针孔缺陷。

在一些实施例中，所述荧光分子的极性与所述钝化层材料的极性相似。

在一些实施例中，所述荧光分子的粒径小于10nm，优选为不大于5nm。

在一些实施例中，所述荧光分子为水溶性荧光分子。

在一些实施例中，所述荧光分子包括荧光素、罗丹明B、罗丹明6G、三(8-羟基喹啉)铝。

在一些实施例中，所述检测为：用荧光显微镜或者共聚焦显微镜追踪进入到所述晶圆钝化层缺陷中的荧光分子。

进一步地，所述检测还包括：采用聚焦离子束切割对所述晶圆钝化层中的缺陷处理，然后进行扫描电镜检测。

在一些实施例中，采用荧光分子配置的荧光溶液浸泡所述晶圆，然后进行检测。

在一些实施例中，所述荧光溶液的浓度为1-1000ppm。

在一些实施例中，所述荧光溶液浸泡所述晶圆的时间为0.1-100小时。

在一些实施例中，所述晶圆在所述荧光溶液浸泡前进行清洁。

在一些实施例中，所述晶圆在所述荧光溶液浸泡前采用有机溶剂擦拭，使其表面洁净。

在一些实施例中，所述晶圆浸泡所述荧光溶液后进行清洗和干燥，然后进行检测。

在一些实施例中，所述清洗采用有机溶剂淋洗，去除表面多余的荧光分子残留。

进一步地，所述有机溶剂包括乙醇、异丙醇、丙酮中的任一种或多种。

本发明与现有技术相比至少具有以下有益效果：

(1)本发明利用荧光分子渗透到针孔里，通过荧光观察来检测半导体晶圆钝化层上的针孔缺陷。

(2)本发明选用的荧光分子与钝化层材料的极性相似，有利于荧光分子进入到钝化层的针孔缺陷中。

(3)本发明对荧光分子方法检测的芯片钝化层的缺陷进一步使用FIB/SEM检测，能检测出芯片钝化层针孔缺陷的贯穿性和非贯穿性。

(4)本发明能快速检测半导体晶圆钝化层(Passivation)上的针孔缺陷。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了本发明实施例1提供的晶圆钝化层上的针孔/裂纹荧光显微图；

图2示出了图1的扫描电镜图；

图3为图1中的针孔/裂纹处的FIB/SEM的截面分析图；

图4为图1中的另一处的针孔/裂纹处的FIB/SEM的截面分析图；

图5为图1中的另一处的针孔/裂纹处的FIB/SEM的截面分析图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

在芯片制造工艺中，为了提高芯片的电学性能和可靠性，在芯片表面通常采用SiO₂、SiN_x等作为钝化层。钝化层起着与外界的空气、水汽隔绝，保护管芯免受侵蚀和碰伤、划伤的作用。而生产工艺往往会导致芯片钝化层产生针孔或微裂纹等缺陷，一旦钝化层存在缺陷，则潮气和腐蚀性离子会侵入到芯片的金属化层，导致芯片失效。因此如何定位钝化层中的缺陷是业界关注的焦点。

目前对芯片钝化层针孔缺陷的定位方法主要以强酸腐蚀(磷酸和硝酸混合液)配合光学显微镜的方法为主，但是这个方法存在不足，尤其是对纳米级缺陷的定位，较困难。同时会对原始针孔进行扩大，从而无法判断原始针孔缺陷的大小。另外，强酸腐蚀法无法检出非贯穿性的针孔缺陷。

本发明独创性地采用荧光分子方法检测芯片钝化层的贯穿性和非贯穿性的针孔缺陷。

具体地，本发明提供了一种检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，通过对所述晶圆的钝化层渗透荧光分子来检测。

其中，渗透可采用多种方式，如可以是喷淋、浸泡等。

而渗透的对象可以是晶圆整体或者是晶圆的钝化层。

本发明利用荧光分子渗透到针孔里，通过荧光观察来检测半导体晶圆钝化层上的针孔缺陷。

荧光分子与钝化层材料的极性相似，根据相似相溶原理，荧光分子的极性与钝化层材料极性的相似有利于荧光分子进入到钝化层的针孔缺陷中。

在一些可能的实施方式中，所述荧光分子的极性与所述钝化层材料的极性相似。

一般地，半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的直径大小不一，有的在100nm左右，有的在50nm左右，而荧光分子粒径太大使得其不容易进入针孔缺陷中。

在一些可能的实施方式中，所述荧光分子的粒径小于10nm，优选为不大于5nm，更优选为2-3nm。

如在不同的实施例中，荧光分子的粒径可以为8nm、6nm、5nm、4nm、3nm、2nm、1nm等等。

根据荧光分子的极性不同，可溶的溶剂不同，可配置不同的溶液。将荧光材料配置成不同的溶液，以使得荧光材料在溶剂中较为均匀的分布，然后用含有荧光材料的溶液对晶圆处理，便于荧光材料进入到晶圆钝化层上的针孔缺陷中。

在一些实施例中，采用荧光分子配置的荧光溶液浸泡所述晶圆，然后进行检测。

在一些可能的实施方式中，所述荧光分子为水溶性荧光分子。

荧光分子为水溶性荧光分子，则配置溶液所用的溶剂也为水溶性的。

在一些实施例中，所述荧光溶液的浓度为1-1000ppm。

如在不同的实施例中，荧光溶液的浓度可以为1ppm、2ppm、5ppm、10ppm、20ppm、50ppm、100ppm、200ppm、500ppm、700ppm、800ppm、900ppm、1000ppm等等。

荧光溶液浸泡晶圆的时间与荧光溶液的浓度有较大的关系，一般地，荧光溶液的浓度越大，则荧光溶液浸泡晶圆的时间越短些。

在一些实施例中，所述荧光溶液浸泡所述晶圆的时间为0.1-100小时。

如在不同的实施例中，光溶液浸泡晶圆的时间可以为0.1小时、0.5小时、1小时、2小时、3小时、5小时、8小时、10小时、15小时、18小时、20小时、25小时、30小时、35小时、40小时、50小时、60小时、70小时、80小时、90小时等等。

晶圆在荧光溶液浸泡前，需要准备晶圆样品，如先切割晶圆样品，然后用有机溶剂(如异丙醇)擦拭芯片，使其表面洁净，并利用光学显微镜观察，确保样品无污物。

在一些实施例中，所述晶圆在所述荧光溶液浸泡前进行清洁。

在一些实施例中，所述晶圆在所述荧光溶液浸泡前采用有机溶剂擦拭，使其表面洁净。

在一些实施例中，所述荧光分子包括但不限于荧光素、罗丹明B、罗丹明6G、三(8-羟基喹啉)铝。这几种荧光分子适用较广，容易获得，且荧光分子粒径较小，能较为广泛的应用于本发明不同的材料的钝化层中。

而在荧光分子的选择中，不仅考虑荧光分子的极性和大小，还考虑荧光分子在特定的激发光下产生的颜色，这种颜色最好避开钝化层自身的背景颜色，以便于区分荧光显示的针孔缺陷。

在一些实施例中，所述晶圆浸泡所述荧光溶液后进行清洗和干燥，然后进行检测。

清洗以去除表面多余的荧光分子残留，干燥以便于后续的检测，通常，干燥采用高压空气吹干即可。

在一些实施例中，所述清洗采用有机溶剂淋洗，去除表面多余的荧光分子残留。

其中，所述有机溶剂包括但不限于乙醇、异丙醇、丙酮中的任一种或多种。

根据样品特征选用荧光显微镜或者共聚焦显微镜追踪进入到样品缺陷中的荧光分子，得到荧光显微图片，定位缺陷。

在一些实施例中，所述检测为：用荧光显微镜或者共聚焦显微镜追踪进入到所述晶圆钝化层缺陷中的荧光分子。

进一步地，所述检测还包括：采用聚焦离子束切割对所述晶圆钝化层中的缺陷处理，然后进行扫描电镜检测。

针孔/裂纹处的FIB/SEM分析，可以得到针孔或裂纹是非贯穿性的，还是贯穿性的。

本发明提供的检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，具体流程如下：

样品准备和预处理→荧光分子溶液配制→样品浸入荧光溶液处理→样品清洗和干燥→针孔缺陷定位→针孔缺陷聚焦离子束(FIB)切割/扫描电镜(SEM)检测。

以下，列举具体的实施例来详细说明。

实施例1

1、样品准备和预处理：切割晶圆样品，然后应用有机溶剂异丙醇擦拭芯片，使其表面洁净，并利用光学显微镜观察，确保样品无污物。

2、荧光溶液配制：根据样品特征选择荧光分子材料荧光素，配制浓度为100ppm的溶液。并置于无光处保存。

3、样品浸入荧光溶液处理：将样品浸入荧光溶液中15小时，使荧光分子充分进入到样品的缺陷处。

4、样品清洗和干燥：样品取出后，用相应的溶剂充分淋洗，去除表面多余的荧光分子残留，并用高压空气吹干。

5、针孔缺陷定位：根据样品特征选用荧光显微镜追踪进入到样品缺陷中的荧光分子，得到荧光显微图片，并定位缺陷，具体见图1。

图1中相应的部分进行扫描电镜检测，结果如图2所示。

图1的荧光显微图中，晶圆钝化层上的针孔/裂纹如圈内的部分所示，相应地，从图2的扫描电镜图相同位置处也能看出来。

对图1中圈内不同地方的针孔/裂纹缺陷进行聚焦离子束(FIB)切割，然后用扫描电镜(SEM)检测。结果如图3-图5。

图3-图5中图片中部发白的部分为晶圆钝化层，从三个针孔/裂纹处的FIB/SEM分析可以看出，图3和图4的两个针孔/裂纹是非贯穿性的，而图5中的针孔/裂纹是贯穿性的。其中，图3中裂纹的宽度为175nm，图4中裂纹的宽度为84nm，图4中裂纹的宽度为72nm。

另外，相对于实施例1，本发明试用了不同浓度的荧光溶液，如1ppm、10ppm、50ppm、500ppm、1000ppm，均能观察到如实施例1中的针孔，并检测出是否是贯穿性的。只是荧光溶液浓度低，荧光颜色淡，而荧光溶液浓度高，荧光颜色深。

相对于实施例1，本发明试用了荧光溶液浸泡晶圆的时间为0.1小时、1小时、5小时、30小时、50小时、100小时，均能观察到如实施例1中的针孔，并检测出是否是贯穿性的。只是荧光溶液浸泡时间短，如0.1小时、1小时，荧光颜色淡，而随着浸泡时间的增加，荧光变深，而浸泡时间达到一定时间后，则荧光颜色变化不大。

相对于实施例1，本发明试用了不同的荧光分子，即将荧光素替换为罗丹明B或罗丹明6G或三(8-羟基喹啉)铝，均能观察到如实施例1中的针孔，并检测出是否是贯穿性的。说明，不同的荧光分子均能达到如实施例1的效果。

总之，本发明提供的检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，应用纳米荧光分子渗透到针孔里，再用荧光显微镜检测出针孔，最后用聚焦离子束(FIB)切割/扫描电镜(SEM)检测，此方法可以快速检测出贯穿性针孔和非贯穿性针孔。

在本发明中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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

Claims (10)

1.一种检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，其特征在于，通过对所述晶圆的钝化层渗透荧光分子来检测。

2.根据权利要求1所述的检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，其特征在于，所述荧光分子的极性与所述钝化层材料的极性相似；

进一步地，所述荧光分子的粒径小于10nm，优选为不大于5nm。

3.根据权利要求2所述的检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，其特征在于，所述荧光分子为水溶性荧光分子；

优选地，所述荧光分子包括荧光素、罗丹明B、罗丹明6G、三(8-羟基喹啉)铝。

4.根据权利要求1所述的检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，其特征在于，所述检测为：用荧光显微镜或者共聚焦显微镜追踪进入到所述晶圆钝化层缺陷中的荧光分子。

5.根据权利要求4所述的检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，其特征在于，所述检测还包括：采用聚焦离子束切割对所述晶圆钝化层中的缺陷处理，然后进行扫描电镜检测。

6.根据权利要求1-5任一项所述的检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，其特征在于，采用荧光分子配置的荧光溶液浸泡所述晶圆，然后进行检测。

7.根据权利要求6所述的检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，其特征在于，所述荧光溶液的浓度为1-1000ppm；

进一步地，所述荧光溶液浸泡所述晶圆的时间为0.1-100小时。

8.根据权利要求6所述的检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，其特征在于，所述晶圆在所述荧光溶液浸泡前进行清洁；

进一步地，所述晶圆在所述荧光溶液浸泡前采用有机溶剂擦拭，使其表面洁净。

9.根据权利要求6所述的检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，其特征在于，所述晶圆浸泡所述荧光溶液后进行清洗和干燥，然后进行检测。

10.根据权利要求9所述的检测半导体晶圆钝化层上针孔缺陷的方法，其特征在于，所述清洗采用有机溶剂淋洗，去除表面多余的荧光分子残留；

进一步地，所述有机溶剂包括乙醇、异丙醇、丙酮中的任一种或多种。

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