CN113607511A - 制备功率芯片待分析样品的方法和功率芯片待分析样品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体芯片制造技术领域，公开了制备功率芯片待分析样品的方法和功率芯片待分析样品。该方法包括如下步骤：(1)提供用于承载功率芯片的载体，所述载体存在至少一个倾斜角度α为30‑60°的载体平面；(2)将功率芯片固定于所述载体平面上，且所述功率芯片的衬底朝向所述载体平面，得到功率芯片样品；(3)沿水平方向将功率芯片样品进行研磨，得到功率芯片截面；(4)将功率芯片截面进行染色，得到功率芯片待分析样品。采用本发明的方法制备功率芯片待分析样品，可以增大功率芯片截面的染色面积，增强芯片截面的染色效果，有利于功率芯片结构的准确判断。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片制造技术领域，具体涉及制备功率芯片待分析样品的方法和功率芯片待分析样品。
背景技术
功率半导体芯片是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要包含二极管、晶闸管、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，简称MOS管)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。功率器件的封装内是由一个或者多个功率芯片组成，而功率芯片本身只相当于一个或者几个MOS管。MOS管是场效应晶体管，主要构成为PN结。功率半导体芯片实际结构参数的获取是实现功率芯片可靠性评价，失效分析及竞品分析的基础。获取功率半导体芯片的结构参数的通常办法有扩展电阻测试(SRP)、电容-电压测试(C-V法)、二次离子质谱测试(SIMS)等，这些测量设备价格昂贵，样品制备要求精细。相比而言，化学染色法成本低廉，操作简单，实验快捷，在生产中得到了广泛应用。
化学染色原理：当我们将磨抛好的样品浸入染色液中一段时间后，由于PN结的P区和N区与染色剂的反应速率不同(掺杂区的杂质掺杂量越高，反应速率越快)，因此，P区和N区的颜色深浅也会出现明显不同。通过截面染色，可以观察到截面的注入深度、器件的结构等信息，也可以用于分析产品质量和失效分析。
在功率芯片截面分析的过程中，同样需要对功率芯片样品的内部结构进行观察和分析。由于截面的自身特性，垂直研磨的而得的截面各项参数很小。如何实现功率芯片内部小尺寸结构的观察和分析，以准确测量功率芯片内部小尺寸结构的关键参数成为功率芯片工艺分析的难题。
CN108447796A公开了一种半导体芯片结构参数的分析方法，该方法对半导体芯片进行纵向截面制作，通过对截面进行纵向研磨和抛光，并采用氢氟酸和氟化铵的混合液(比例4:1)浸泡，对芯片截面进行酸蚀，然后采用氢氟酸和硝酸的混合液(比例1:1)浸泡，浸泡时间为5-10s，对芯片截面进行染色后，采用扫描电镜对芯片截面的结构形貌进行观察和测量，虽然可以得到半导体芯片的纵向结构信息，但该方法对芯片截面进行研磨和抛光时，采用的是垂直研磨和垂直抛光，这使得后续经染色得到的染色面积过小，不利于小尺寸芯片结构参数的准确测量；此外，该方法对芯片截面进行染色的方法中，截面产生的颜色对比度受芯片注入的浓度和杂质类型影响，对比度差异较小，切染色时间无法统一，造成频繁多次着色，频繁多次着色易受外界化学品污染，从而影响染色面结构判断的准确度。
现有使用含有硝酸银的染色液对芯片截面进行染色的方法中，虽然使用含有硝酸银的染色液，利用银的活性比硅强，置换出硅的原理，来达到对芯片截面染色的目的，但置换后得到的银层颜色对比度较差，且在空气中容易被氧化或硫化，而硫化会破坏银层的色泽，使被硫化的芯片截面区域呈现为黑色，影响芯片器件的类型及结构的准确判断。同时，染色后得到的芯片样品的保存时间也很短，操作空间小。
因此，如何更好地提高芯片截面的染色效果，保证功率芯片产品关键参数的准确测量，从而更好地观察和分析功率芯片产品的内部结构是芯片工艺中亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的功率芯片待分析样品的截面染色效果不佳从而影响功率芯片结构的准确判断的问题，提供了制备芯片待分析样品的方法。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种制备功率芯片待分析样品的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)提供用于承载功率芯片的载体，所述载体存在至少一个倾斜角度α为30-60°的载体平面；
(2)将功率芯片固定于所述载体平面上，且所述功率芯片的衬底朝向所述载体平面，得到功率芯片样品；
(3)沿水平方向将功率芯片样品进行研磨，得到功率芯片截面；
(4)将功率芯片截面进行染色，得到功率芯片待分析样品。
本发明第二方面提供一种由第一方面所述的方法制备得到的功率芯片待分析样品。
通过上述技术方案，采用本发明的方法制备功率芯片待分析样品，可以增大功率芯片截面的染色面积，增强芯片截面的染色效果，有利于功率芯片结构的准确判断。
附图说明
图1是本发明的一种优选的具体实施方式的载体的主视图；
图2是本发明的一种优选的具体实施方式使用的模具的实物图；
图3是本发明的一种优选的具体实施方式的功率芯片样品的实物图；
图4是本发明实施例1制得的功率芯片待分析样品的染色截面的扫描电镜(SEM)图，其中，放大倍数为3000x；
图5是功率芯片的纵向截面的示意图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供一种制备功率芯片待分析样品的方法，该方法包括如下步骤：
(1)提供用于承载功率芯片的载体，所述载体存在至少一个倾斜角度α为30-60°的载体平面；
(2)将功率芯片固定于所述载体平面上，且所述功率芯片的衬底朝向所述载体平面，得到功率芯片样品；
(3)沿水平方向将功率芯片样品进行研磨，得到功率芯片截面；
(4)将功率芯片截面进行染色，得到功率芯片待分析样品。
本发明一些实施方式中，优选地，所述功率芯片为N型MOS管，其纵向截面的示意图如图5所示。
本发明的发明人发现，通过使用存在至少一个倾斜角度α为30-60°的载体平面的载体制备功率芯片样品，不仅有利于增大后续功率芯片截面的染色面积，同时也更有利于将功率芯片样品研磨后暴露出功率芯片的纵向结构，特别是仅采用纵向研磨无法暴露出来的隐藏细微结构。
本发明一些实施方式中，为了增大功率芯片截面的染色面积，进一步增强芯片截面的染色效果，所述载体存在至少一个倾斜角度α为30-60°的载体平面，具体地，所述倾斜角度α例如可以为30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°以及这些数值中的任意两个所构成的范围中的任意数值。其中，所述倾斜角度α指的是载体平面与载体底部沿水平方向的锐角夹角，如图1所示。
本发明一些实施方式中，步骤(2)中，将功率芯片固定于所述载体平面上的方式可以有多种，可以参照现有技术进行，只要能够将功率芯片固定于所述载体平面上，避免功率芯片截面被破坏的同时，便于功率芯片样品的后续研磨即可。例如，可以采用专用芯片夹具对功率芯片进行固定，也可以采用具有粘贴功能的材料例如胶布、胶水等对功率芯片进行固定。为了避免功率芯片截面被破坏，优选地，采用固化剂将功率芯片固定于所述载体平面上；更优选地，所述固化剂将功率芯片和载体完全包裹。
根据本发明一种优选的具体实施方式，步骤(2)中，将功率芯片固定于所述载体平面上的方式具体为：将功率芯片和载体一同放置于如图2所示的模具中，所述功率芯片的衬底朝向所述载体的载体平面，将固化剂注入所述模具中，使得固化剂将功率芯片和载体完全包裹，静置8-10小时，直至固化剂完全固化，得到如图3所示的功率芯片样品。
本发明一些实施方式中，优选地，所述固化剂选自环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂中的至少一种。为了提高功率芯片截面的研磨效果，便于后续的染色步骤，优选地，所述固化剂为环氧树脂。
本发明一些实施方式中，优选地，制备所述载体的材料可以选自环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂中的至少一种。提高功率芯片截面的研磨效果，便于后续的染色步骤，优选地，制备所述载体的材料为环氧树脂；更优选地，制备所述载体的材料与所述固化剂相同。
本发明一些实施方式中，步骤(3)中，所述研磨可以采用本领域常规的方法进行，例如，可以使用磨盘对所述功率芯片样品进行研磨，所述研磨的条件可以为本领域常规的条件，优选地，所述研磨的条件包括：转速为50-60转/分钟，时间为1-2分钟。在研磨的过程中，无需对所述功率芯片样品施加压力，以避免所述功率芯片样品产生裂纹，力度维持磨盘沿水平方向与所述功率芯片样品接触即可，将所述功率芯片样品磨至目标位置附近即可。
本发明一些实施方式中，优选地，所述方法还包括将功率芯片样品进行研磨之后进行抛光的步骤；所述抛光可以采用本领域常规的方法进行，例如，可以使用抛光布或抛光液对所述功率芯片样品进行抛光，所述抛光的条件可以为本领域常规的条件，优选地，所述抛光的条件包括：转速为50-55转/分钟，时间为1-2分钟。
本发明一些实施方式中，为了进一步增强功率芯片截面的染色效果，优选地，将所述功率芯片截面进行染色之前，还包括对所述功率芯片截面进行清洗的步骤；所述清洗可以采用本领域常规的方法进行，例如，可以采用清水对所述功率芯片截面进行清洗，再采用丙酮对所述功率芯片截面进行清洗。
本发明一些实施方式中，优选地，步骤(4)中，采用染色液将所述功率芯片截面进行染色；所述染色液为氢氟酸和饱和硫酸铜溶液的混合溶液，其中，所述饱和硫酸铜溶液为室温(25℃)下的饱和硫酸铜溶液。此处需要说明的是，本发明的方法中，当染色液的使用温度发生变化时，所述染色液中的饱和硫酸铜溶液均是相对于室温(25℃)而言的，即染色液中硫酸铜的重量依据室温(25℃)下的饱和硫酸铜溶液计算而得。
功率芯片染色的基础是N型掺杂硅和P型掺杂硅的区别，N型掺杂硅又分为N-和N+，P型掺杂硅又分为P-和P+，其中，“-”代表掺杂浓度低，“+”代表掺杂浓度高。本发明的发明人在研究中发现，现有技术的腐蚀性染色基于酸性腐蚀系统，用氧化性的酸先把P型硅腐蚀成为SiO2(由于P型硅为空穴+，酸液中电离了大量的点子，所以电化学反应速度会比较快)，再利用HF腐蚀，而N型腐蚀速度会非常慢，所以形成不同类型硅的速率差，以实现截面的染色，但得到的染色截面的对比度差异较小，切染色时间无法统一，造成频繁多次着色，频繁多次着色易受外界化学品污染，从而影响染色截面结构判断的准确度。本发明的方法采用氢氟酸和饱和硫酸铜溶液的混合溶液作为染色液，利用置换的染色机理，由于N型硅中电子量比较大，所以容易发生反应，使硅置换出铜，从而实现截面的染色，染色截面的对比度大，染色效果更好，更有利于功率芯片结构的准确判断。
本发明一些实施方式中，为了进一步增强功率芯片截面的染色效果，优选地，所述染色液中，氢氟酸、饱和硫酸铜溶液和水的体积比为1：10-60：50-300；更优选为1：30-50：60-200。
本发明一些实施方式中，为了进一步增强功率芯片截面的染色效果，优选地，所述染色液的温度为40-60℃。
本发明一些实施方式中，优选地，步骤(4)中，将所述功率芯片截面浸泡于所述染色液中进行染色，优选地，所述浸泡的时间为30-60秒/次，所述浸泡的次数为1-3次。
本发明一些实施方式中，将所述功率芯片截面进行染色后，即可获得所述功率芯片截面的结构形貌。与垂直研磨的而得的截面相比，采用本发明的方法，可以增大功率芯片截面的染色面积，增强功率芯片截面的染色效果，从而更有利于观察和分析功率芯片产品的内部结构。
根据本发明一种特别优选的具体实施方式，所述制备功率芯片待分析样品的方法包括如下步骤：
(a)提供用于承载功率芯片的载体，所述载体存在至少一个倾斜角度α为30-60°的载体平面；
(b)将所述功率芯片的衬底朝向所述载体平面，使用固化剂将功率芯片和载体完全包裹，静置直至固化剂完全固化，得到功率芯片样品；
(c)沿水平方向将功率芯片样品进行研磨，得到功率芯片截面；
(d)采用染色液将功率芯片截面进行浸泡处理，得到功率芯片待分析样品；其中，所述染色液为氢氟酸和饱和硫酸铜溶液的混合溶液，染色液中，氢氟酸、饱和硫酸铜溶液和水的体积比为1：10-60：50-300。
采用上述特别优选的具体实施方式，特别有利于增大功率芯片截面的染色面积，增强功率芯片截面的染色效果，特别有利于观察和分析功率芯片产品的内部结构。
本发明第二方面提供一种由第一方面所述的方法制备得到的芯片待分析样品。与现有技术相比，采用本发明的方法制备得到的功率芯片待分析样品的截面染色面积更大，染色效果更好，更有利于观察和分析功率芯片产品的内部结构。
本发明一些实施方式中，可以采用透射电子显微镜或者扫描电子显微镜或者微光显微镜，对所述功率芯片待分析样品的染色截面进行观察，以获得所述功率芯片截面的结构形貌，通过测量功率芯片各部分结构的尺寸，然后在使用的所述载体平面的倾斜角度α的基础上，以角度的形式对测量结果进行换算，即可得到所述功率芯片的实际结构信息。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
(1)提供用于承载功率芯片的载体，该载体具有一个倾斜角度α为30°的载体平面；
(2)将功率芯片和载体一同放置于如图2所示的模具中，该功率芯片的衬底朝向载体的载体平面，将环氧树脂注入该模具中，使得环氧树脂将功率芯片和载体完全包裹，静置8小时，直至环氧树脂完全固化，得到如图3所示的功率芯片样品；
(3)使用6μm磨盘沿水平方向将功率芯片样品进行研磨，磨盘转速为60转/分钟，研磨时间为1分钟，得到功率芯片截面；
(4)采用染色液将功率芯片截面进行浸泡处理，浸泡的时间为30秒/次，浸泡的次数为1次；染色液中，氢氟酸、饱和硫酸铜溶液和水的体积比为1：20：200，染色液的温度为40℃，得到功率芯片待分析样品。
实施例2
(1)提供用于承载功率芯片的载体，该载体具有一个倾斜角度α为60°的载体平面；
(2)将功率芯片和载体一同放置于如图2所示的模具中，该功率芯片的衬底朝向载体的载体平面，将环氧树脂注入该模具中，使得环氧树脂将功率芯片和载体完全包裹，静置8小时，直至环氧树脂完全固化，得到功率芯片样品；
(3)使用6μm磨盘沿水平方向将功率芯片样品进行研磨，磨盘转速为60转/分钟，研磨时间为2分钟，得到功率芯片截面；
(4)采用染色液将功率芯片截面进行浸泡处理，浸泡的时间为40秒/次，浸泡的次数为2次；染色液中，氢氟酸、饱和硫酸铜溶液和水的体积比为1：30：60，染色液的温度为60℃，得到功率芯片待分析样品。
实施例3
(1)提供用于承载功率芯片的载体，该载体具有一个倾斜角度α为45°的载体平面；
(2)将功率芯片和载体一同放置于如图2所示的模具中，该功率芯片的衬底朝向载体的载体平面，将环氧树脂注入该模具中，使得环氧树脂将功率芯片和载体完全包裹，静置8小时，直至环氧树脂完全固化，得到功率芯片样品；
(3)使用6μm磨盘沿水平方向将功率芯片样品进行研磨，磨盘转速为60转/分钟，研磨时间为1分钟，然后采用0.5μm抛光布对研磨后的功率芯片样品进行抛光，转速为50转/分钟，时间为1分钟，得到功率芯片截面；
(4)采用染色液将功率芯片截面进行浸泡处理，浸泡的时间为50秒/次，浸泡的次数为1次；染色液中，氢氟酸、饱和硫酸铜溶液和水的体积比为1：60：100，染色液的温度为50℃，得到功率芯片待分析样品。
对比例1
按照实施例1的方法，不同的是，对功率芯片截面进行研磨时，采用的是垂直研磨(即对截面进行纵向研磨)，得到功率芯片待分析样品。
采用型号为Nova Nano SEM 450的SEM扫描电子显微镜对实施例1-3和对比例1制得的功率芯片待分析样品的染色截面进行观察，以获得所述功率芯片截面的结构形貌。本发明示例性地提供了实施例1制得的功率芯片待分析样品的染色截面的扫描电镜(SEM)图，如图4所示，从图中可以明显看到实施例1的功率芯片截面的N型区和P型区之间的对比度差异较大，各区域与图5所示的功率芯片纵向截面的示意图吻合，说明采用本发明的方法可以增大功率芯片截面的染色面积，增强功率芯片截面的染色效果，更有利于观察和分析功率芯片产品的内部结构，其余实施例扫描电镜观察结果类似。
而对比例1制得的功率芯片待分析样品的染色截面的染色面积较小，对比度差异较小，染色效果不佳，影响染色截面的结构判断，无法准确区分功率芯片截面的N型区和P型区。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种制备功率芯片待分析样品的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)提供用于承载功率芯片的载体，所述载体存在至少一个倾斜角度α为30-60°的载体平面；
(2)将功率芯片固定于所述载体平面上，且所述功率芯片的衬底朝向所述载体平面，得到功率芯片样品；
(3)沿水平方向将功率芯片样品进行研磨，得到功率芯片截面；
(4)将功率芯片截面进行染色，得到功率芯片待分析样品。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(2)中，采用固化剂将功率芯片固定于所述载体平面上；
优选地，所述固化剂将功率芯片和载体完全包裹。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述固化剂选自环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂中的至少一种，优选为环氧树脂。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，制备所述载体的材料可以选自环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂中的至少一种，优选为环氧树脂。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，制备所述载体的材料与所述固化剂相同。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，步骤(3)中，所述研磨的条件包括：转速为50-60转/分钟，时间为1-2分钟。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，所述方法还包括将功率芯片样品进行研磨之后进行抛光的步骤；
优选地，所述抛光的条件包括：转速为50-55转/分钟，时间为1-2分钟。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，步骤(4)中，采用染色液将所述功率芯片截面进行染色；
优选地，所述染色液为氢氟酸和饱和硫酸铜溶液的混合溶液；
优选地，所述染色液中，氢氟酸、饱和硫酸铜溶液和水的体积比为1：10-60：50-300；更优选为1：30-50：60-200；
优选地，所述染色液的温度为40-60℃。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其中，步骤(4)中，将所述功率芯片截面浸泡于所述染色液中进行染色；
优选地，所述浸泡的时间为30-60秒/次，所述浸泡的次数为1-3次；
10.一种由权利要求1-9中任意一项所述的方法制备得到的功率芯片待分析样品。
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