CN112435961A - 晶圆失效分析中的样品处理方法 - Google Patents

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王柯
舒韵
程刘锁
黄红伟
王函
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    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
    • H01L21/76838—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the conductors
    • H01L21/76841—Barrier, adhesion or liner layers
    • H01L21/76853—Barrier, adhesion or liner layers characterized by particular after-treatment steps
    • H01L21/76865—Selective removal of parts of the layer

Abstract

本发明公开了一种晶圆失效分析中的样品处理方法，先对晶圆进行研磨，去除晶圆表面的介质层及金属互连层，仅保留前段工艺层，然后通过氢氟酸溶液进行浸泡剥层。在氢氟酸溶液浸泡过程中，硅衬底与金属铜会发生电化学反应，硅衬底作为电池的负极会出现腐蚀现象；通过研磨去除硅衬底上的铜金属互连线，避免了电化学反应的发生，减少了硅衬底的腐蚀。

Description

晶圆失效分析中的样品处理方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造及测试中的失效分析领域，特别是指一种晶圆失效分析中的样品处理方法。
背景技术
一般来说，集成电路在研制、生产和使用过程中出现功能失效或者性能达不到要求的残次品不可避免，随着人们对产品质量和可靠性要求的不断提高，失效分析工作也显得越来越重要，通过芯片失效分析，可以帮助工程师找到设计上的缺陷、工艺参数的不匹配或操作中的不当等问题。
晶圆失效分析中包含有众多的分析项目或者分析方法，比如光学显微镜检查、扫描电子显微镜检查、X-RAY检查、晶圆去层检测等等。随着芯片集成度的增加和尺寸的减小，对失效分析精度要求越来越高。在一些晶圆失效分析检测中，为分析硅衬底质量，一般直接通过氢氟酸溶液浸泡来对晶圆进行处理，去除一些不需要的层次而将需要进行失效分析的层次暴露出来，如图1所示，是某一需要进行失效分析的晶圆的截面示意图，可以看出晶圆上包含很多不同层次，包括最下面的衬底，衬底中形成了各种器件的结构，比如PW（P阱）和NW（N阱），衬底表面还具有多晶硅、层间介质、接触孔、各金属层以及钝化层等等。氢氟酸溶液中浸泡后，可以去除氧化硅，最后只保留了硅衬底部分的材质，对剩余的材质清洗之后可进行失效分析。由于晶圆表面还具有钝化层、金属层、金属层间介质层等等结构，尤其是目前先进半导体工艺中后段铜互连工艺为主流，在待失效分析的晶圆上含有较多的铜，通过氢氟酸腐蚀之后会对硅衬底造成较多的损伤，如图2及图3所示，图2是经过氢氟酸腐蚀之后的硅衬底示意图，图3是硅衬底损伤的显微图，从图3中可以看出硅衬底上具有相当多的凹坑，尤其是制样过程中对样品的损伤会影响工程师对失效分析结果的判断。
造成上述缺陷的主要因素是硅衬底上存在的大量铜互连金属层。在氢氟酸腐蚀剥层过程中，这些铜互连金属层与氢氟酸溶液形成了Si-HF-Cu体系，构成了许多微电池结构。如图4及图5所示，晶圆中硅衬底作为化学电池的负极，而晶圆上的铜互连层作为化学电池的正极，在氢氟酸的作用下形成电池，作为负极的硅衬底材料不断被腐蚀，且铜含量越高反应越剧烈。其微电池的反应原理如下：
负极反应：Si + 6HF → SiF6 2- + 6H+ + 4e；
正极反应：2Cu2+ + 4e → 2Cu；
总反应： Si + 6HF + 2Cu2+ → SiF6 2- + 6H+ + 2Cu；
正是因为大量的铜互连层导致的电化学效应导致了硅衬底的损伤。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种晶圆失效分析中的样品处理方法，降低晶圆失效分析中通过氢氟酸溶液进行剥层时硅衬底的损伤。
为解决上述问题，本发明所述的一种晶圆失效分析中的样品处理方法，先对晶圆进行研磨，去除晶圆表面的介质层及金属互连层，仅保留前段工艺层，然后通过氢氟酸溶液进行浸泡剥层。
进一步的改进是，所述的氢氟酸溶液为含HF体积比为49%的氢氟酸溶液。
进一步的改进是，所述晶圆上的金属互连层为铜互连层。
进一步的改进是，通过对晶圆表面进行研磨，在保证不损伤到需要观察的硅衬底的基础上尽可能多地去除铜互连层。
进一步的改进是，所述晶圆为硅衬底的晶圆。
进一步的改进是，在氢氟酸溶液浸泡过程中，硅衬底与金属发生电化学反应形成电池，硅衬底作为电池的负极；通过研磨减少硅衬底上的残留的金属的含量，避免了电化学反应的情况发生，减少了硅衬底的腐蚀。
进一步的改进是，所述的研磨方式为机械研磨。
本发明所述的晶圆失效分析中的样品处理方法，通过先将晶圆上的金属层通过研磨去除，在后续的氢氟酸溶液腐蚀剥层过程中，减少了电化学反应的发生，减少了硅损伤，提高后续失效分析的准确度。
附图说明
图1 是现有的晶圆完成金属层、钝化层之后的剖面示意图。
图2 是通过氢氟酸将失效硅晶圆进行腐蚀剥层之后的示意图。
图3 是氢氟酸腐蚀之后硅衬底受损的显微图。
图4 是晶圆中铜与硅衬底在氢氟酸溶液中反应的示意图。
图5 是铜与硅衬底在氢氟酸中形成化学电池效应的示意图。
图6 是本发明对晶圆进行研磨至图1中箭头所示处的示意图，也就是去除金属互连层。
图7 是晶圆研磨后再放入氢氟酸溶液中进行腐蚀剥层的示意图。
图8 是本发明技术方案简易步骤图。
具体实施方式
我们已经知道，导致在氢氟酸溶液腐蚀剥层工艺中硅衬底受损的原因是金属层与硅衬底之间发生了电化学反应，形成了电池，硅衬底材料作为电池的负极被消耗，导致硅衬底被腐蚀形成损伤。通过实验表明，直接通过氢氟酸浸泡进行剥层，金属含量越多，硅衬底的损伤就越严重。因此，基于此电化学原理，如果需要减少硅衬底的损伤，就要避免导致电池的效应发生。
由于金属互连层主要位于硅衬底表面，也就是前段工艺形成的主器件层的上方，因此，在将晶圆放入氢氟酸溶液之前，将金属层进行去除是一个简单有效的办法。
本发明所述的晶圆失效分析中的样品处理方法，先对失效晶圆样品进行机械研磨，通过研磨去除晶圆表面的介质层及金属互连层，仅保留有源区。基于目前的金属互连工艺，研磨后大量的金属被去除，硅衬底上剩余的金属的量变得极少。通过对晶圆表面进行研磨，在保证不损伤到需要观察的硅衬底的基础上尽可能多地去除金属互连层。
然后，将研磨去除金属互连层的硅衬底放入含有体积比49%的氢氟酸溶液进行浸泡剥层。由于已经通过研磨减少硅衬底上的残留的金属的含量，减少了在氢氟酸溶液浸泡过程中硅衬底与金属形成电池效应的发生，也降低了硅衬底被腐蚀的程度。
在某一个实施例中，晶圆上的金属互连层为铜互连层，这也是目前主流的晶圆上的金属互连材料。铜金属在氢氟酸浸泡过程中与硅衬底形成电池，我们通过上述技术方案，通过机械研磨首先去除铜金属，仅保留前段工艺层。
将晶圆上的金属互连层（本实施例主要是铜互连层）通过机械研磨去除之后，再利用49%的氢氟酸溶液进行浸泡腐蚀剥层。浸泡时间约为5分钟。腐蚀剥层之后进行清洗。实验结果表明，在衬底上的铜金属互连层被去除之后，显著减弱了电化学反应的程度，硅衬底的表面没有出现明显的损伤现象，如图7的示意图所示，表明本发明先将金属互连层去除以避免电化学反应的措施简单有效。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。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 (7)

1.一种晶圆失效分析中的样品处理方法，其特征在于：先对作为失效分析样品的晶圆进行研磨，去除晶圆表面的介质层及金属互连层，仅保留前段工艺层，然后再通过氢氟酸溶液进行浸泡剥层。
2.如权利要求1所述的晶圆失效分析中的样品处理方法，其特征在于：所述的氢氟酸溶液为含HF体积比为49%的氢氟酸溶液。
3.如权利要求1所述的晶圆失效分析中的样品处理方法，其特征在于：通过对晶圆表面进行研磨，在保证不损伤到需要观察的硅衬底的基础上尽可能多地去除金属互连层。
4.如权利要求1所述的晶圆失效分析中的样品处理方法，其特征在于：所述晶圆为硅衬底的晶圆。
5.如权利要求3所述的晶圆失效分析中的样品处理方法，其特征在于：在氢氟酸溶液浸泡过程中，硅衬底与金属发生电化学反应形成电池，硅衬底作为电池的负极；通过研磨减少硅衬底上残留金属的含量，避免了电化学反应的发生，减少了硅衬底的腐蚀。
6.如权利要求3所述的晶圆失效分析中的样品处理方法，其特征在于：所述的研磨方式为机械研磨。
7.如权利要求1所述的晶圆失效分析中的样品处理方法，其特征在于：所述晶圆上的金属互连层为铜互连层。
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