CN114236364A - 一种集成电路芯片的失效分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成电路芯片的失效分析方法，在芯片中定位需要做电阻的两端布线，找到需要做电阻的目标位置中的一端，采用聚焦离子束对目标区域进行刻蚀，去除氧化层直至金属露出；找到需要做电阻的目标位置中的另一端，采用离子束对目标区域进行刻蚀，去除氧化层直至金属露出；通过聚焦离子束对两个目标位置之间的区域进行刻蚀，使得两个目标位置的露出金属之间区域形成一个沟道；用金属的气相前驱体以气相沉积的方式在所述沟道上沉积一条连接两端金属且与目标电阻阻值相同的金属线。本发明还提供了一套便于执行该方法的集成电路芯片的失效分析的系统。

Description

一种集成电路芯片的失效分析方法及系统

技术领域

本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种集成电路芯片的失效分析的方法及系统。

背景技术

失效分析是确定一种产品失效原因的诊断过程。失效分析技术在如今的各个工业部门已经得到了广泛地应用。尤其是在电子元器件的领域中，失效分析有着特殊的重要性。随着集成电路从中小规模发展到大规模乃至系统芯片，伴随而来的是几何式增长的集成度和复杂度，失效分析的要求和难度亦变得越来越高，任何一个微小的失效点极可能导致整个芯片丧失功能甚至完全报废。专家学者和研究人员一直在不断研究新的失效分析方法和设备来提高分析和表征的精确性和便捷性。

发明内容

电性测试是分析集成电路失效原因的常用方法。在集成电路的电性测试过程中，工程师需要在芯片电路中增加一个特定阻值的电阻来达到验证的需求，目前的方法是，在芯片内部定点生长探针点（probe pad）然后通过探针台扎针外加电阻来实现，这种方式操作起来步骤繁琐，且芯片在扎针过程中容易损坏。

聚焦离子束（FIB）系统在高能离子束的作用下将吸附在样品表面的气体分子分解成易挥发部分和不易挥发部分，前者被真空泵抽走，后者在聚焦离子束（FIB）的轰击区域淀积，形成金属或薄膜。

利用了聚焦离子束（FIB）可以在特定区域淀积金属的功能，本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种集成电路芯片的失效分析方法。

具体地，在芯片中定位需要做电阻的两端布线，找到需要做电阻的目标位置中的一端，采用聚焦离子束对目标区域进行刻蚀，去除氧化层直至金属露出；找到需要做电阻的目标位置中的另一端，采用离子束对目标区域进行刻蚀，去除氧化层直至金属露出；通过聚焦离子束对两个目标位置之间的区域进行刻蚀，使得两个目标位置的露出金属之间区域形成一个沟道；用金属的气相前驱体以气相沉积的方式在所述沟道上沉积一条连接两端金属且与目标电阻阻值相同的金属线。

所述金属线材料可以选用铂，气相前驱体可以选用C₆H₆Pt或C₉H₁₆Pt。

优选地，在刻蚀所述沟道时，将样品旋转，使得所述两端露出金属之间的连线处于垂直于所述聚焦离子束的水平平面。在一次试验的各项常量中，目标电阻阻值为R，两端露出金属之间宽度为L，沉积的铂金属线的电阻率为ρ；设置沉积的所述铂金属线线长为L，分别设置宽度和深度X和Z，且保证X*Z=ρ*L/R。

对于同一种金属气相前驱体，可以根据相同截面积S和束流下不同长度的金属线所获得的不同沟道电阻制作一次函数的工作曲线，获得斜率k，矫正所述前驱体沉积的金属线电阻率ρ=k*S。

束流可以根据以下公式选择：

70xL≤current（束流）≤100xL

其中X代表沉积金属线的宽度，L代表沉积金属线的长度，如果束流超出这个值，那么电流大，相对应的沉积时间短，沉积过程中金属气体参与的时间就短，反之电流小，沉积的慢，沉积过程中金属气体参与时间长，金属气体参与时间长或者短都会使最终沉积线金属的量产生变化从而使连线电阻率发生变化，进而影响最终的阻值。同时将图像焦距和像散调至最佳效果，聚焦不准会影响最终沉积的电阻线宽度、厚度，导致和预设值产生偏差，影响最终的阻值。

本发明通过直接在内部信号点两端生长出需要阻值的电阻，省略了传统技术扎针的步骤，节约了成本，极大的提高了测试的效率，同时降低了芯片在扎针过程中损坏的风险。

本发明还提供了一种便于使用上述方法进行失效分析的集成电路芯片的失效分析的系统。

具体地，所述系统包括聚焦离子束机台、计算模块、交互模块和控制模块；所述机台包括离子源、聚焦/扫描设备、样品台，所述聚焦/扫描设备可以发射聚焦离子束进行刻蚀或沉积，亦可以测得样品某测试点的三维坐标数据，所述样品台可以沿任意水平轴线做倾斜旋转；所述计算模块可以对输入的数据进行计算处理，并将结果输出给控制模块；通过所述交互模块可以获得计算模块的结果反馈，并可以预设实验常数、金属沉积的位置和金属线的长度、宽度和深度；所述控制模块可以根据输入的数据和参数向聚焦离子束机台发出指令，以实现自动操控聚焦离子束机台。

在进行操作时，所述样品台固定芯片；通过所述聚焦离子束机台对芯片所需接电阻的两端布线位置进行刻蚀，直至金属露出；样品台倾斜旋转，使得所述两端露出金属之间的连线处于垂直于所述聚焦离子束的水平平面；垂直于该水平平面的聚焦离子束对两个目标位置之间的区域进行刻蚀，形成沟道。

计算模块通过聚焦/扫描设备测得两端露出金属的三维坐标计算出两端之间的长度L。当目标阻值为R，沉积金属线的电阻率为ρ时，通过所述互动模块预设金属线沉积的位置为所述两端露出金属之间并连接两端露出金属，设置金属线长度为L，宽度为X；计算模块计算得到金属线深度为Z=(ρ*L)/(R*X)，并计算可选择的所述束流范围70X*L≤current（束流）≤100X*L。控制系统根据输入的金属线长度L、宽度X和深度Z、位置和束流参数沉积相应尺寸和位置的金属线。

附图说明

图1为本发明一种集成电路芯片的失效分析的方法的实施例示意图；

图2为本发明一种集成电路芯片的失效分析的系统的实施例示意图。

具体实施方式

本发明提供一种集成电路芯片的失效分析的方法的具体实施例

工艺为0.18um铝制程工艺包含5层金属的集成电路芯片内部需要在两根相距100μm的第三层金属和第四层金属间做一根电阻为200Ω的纳米铂金属线。

在芯片中定位需要做电阻的两端布线，找到目标位置中第三层金属的一端，采用聚焦离子束对目标区域进行刻蚀，去除氧化层直至金属露出。

再找到目标位置中第四层金属的一端，采用离子束对目标区域进行刻蚀，去除氧化层直至金属露出。

将样品旋转，使得所述两端露出金属之间的连线处于垂直于所述聚焦离子束的水平平面；通过聚焦离子束对两个目标位置之间的区域进行刻蚀，使得两个目标位置的露出金属之间区域形成一个沟道。

选用C₆H₆Pt作为铂金属的气相前驱体，已知该前驱体淀积的金属线电阻率为1.0*10^-7Ω·m，目标电阻阻值R为200Ω，两端露出金属之间的直线距离为100μm，通过R=ρ*L/S=ρ*L/（X*Z）可计算得到S=（X*Z）=ρ*L/R=5*10^-14m²，S为金属线的横截面积，X为金属线的宽度，Z为金属线的深度。因此只要宽度X为0.5μm，深度Z为0.1μm，所沉积的金属线阻值即为200Ω。

根据L=100μm，X=0.5μm，Z=0.1μm的金属线尺寸在两端露出金属之间进行有机金属气相沉积。

沉积完的金属线会有部分金属铂溅射污染，这些沉积线四周的铂污染只有薄薄的一层，通过聚焦离子束设备内带有的辅助气体二氟化氙参与离子刻蚀的方式将沉积金属线预设宽度长度以外的溅射铂污染清除掉，清理的过程只需要几秒钟，就可以将沉积线四周多余的溅射金属铂清理掉，不会影响到沉积的金属线。

本发明还提供一种在实施上述方法的集成电路芯片的失效分析的系统实施例。

系统包括聚焦离子束机台、计算模块、交互模块和控制模块；所述机台包括离子源、聚焦/扫描设备、样品台。

所述样品台可以沿任一水平轴线做倾斜旋转，具体地，通过样品台的旋转，两端露出金属之间的连线处于垂直于所述聚焦离子束的水平平面，方便聚焦离子束机台可以在水平方向沉积金属线。

通过交互模块可以预设沉积金属线的位置；在对目标位置进行刻蚀露出两端金属后，所述聚焦/扫描设备可以测得两端金属点的三维坐标数据，并将数据输出给计算模块。计算模块通过两点的三维坐标数据计算出两端露出金属之间的直线距离L=100μm，并反馈到交互模块。

通过交互模块预设目标电阻R=200Ω、电阻率ρ=1.0*10^-7Ω·m、沉积金属线长度L=100μm，宽度X=0.5μm，通过R=ρ*L/S=ρ*L/（X*Z）的公式变形S=（X*Z）=ρ*L/R=5*10^-14m²算出金属线深度Z=0.1μm，S为金属线的横截面积；计算模块通过70xL≤current≤100xL得到350pa≤current≤500pa，给出350pa到500pa的束流选择区间，并反馈给交互模块；通过交互模块选定束流为400pa。

由此确定了铂金属线的尺寸参数L=100μm，X=0.5μm，Z=0.1μm，聚焦离子束束流为400pa以及沉积电阻的位置参数，计算模块将这些参数输出至控制模块，由控制模块向聚焦离子束机台发送操作指令，按照L=100μm，X=0.5μm，Z=0.1μm的尺寸和400pa的束流操控聚焦离子束机台在两端露出金属之间的预设位置进行化学气相沉积。沉积得到的金属线阻值即为200Ω。

Claims (14)

1.一种集成电路芯片的失效分析方法,其特征在于，在芯片中定位需要做电阻的两端布线，找到需要做电阻的目标位置中的一端，采用聚焦离子束对目标区域进行刻蚀，去除氧化层直至金属露出；找到需要做电阻的目标位置中的另一端，采用离子束对目标区域进行刻蚀，去除氧化层直至金属露出；通过聚焦离子束对两个目标位置之间的区域进行刻蚀，使得两个目标位置的露出金属之间区域形成一个沟道；用金属的气相前驱体以气相沉积的方式在所述沟道上沉积一条连接两端金属且与目标电阻阻值相同的金属线。

2.如权利要求1所述的集成电路芯片的失效分析方法，其特征在于，在刻蚀所述沟道时，将样品旋转，使得所述两端露出金属之间的连线处于垂直于所述聚焦离子束的水平平面。

3.如权利要求1所述的集成电路芯片的失效分析方法，其特征在于，在一次试验的各项常量中，目标电阻阻值为R，两端露出金属之间宽度为L，沉积的铂金属线的电阻率为ρ；设置沉积的所述铂金属线线长为L，分别设置宽度和深度X和Z，且保证X*Z=ρ*L/R。

4.如权利要求3所述的集成电路芯片的失效分析方法，其特征在于，对于同一种金属气相前驱体，根据相同截面积S和束流下不同长度的金属线所获得的不同沟道电阻制作一次函数工作曲线，获得斜率k，矫正所述前驱体沉积的金属线电阻率ρ=k*S。

5.如权利要求3所述的集成电路芯片的失效分析方法，其特征在于，所述聚焦离子束束流大小选择的范围是70X*L≤current（束流）≤100X*L。

6.如权利要求1所述的集成电路芯片的失效分析方法，其特征在于，所述金属线所选用的材料为铂。

7.如权利要求6所述的集成电路芯片的失效分析方法，其特征在于，所述气相前驱体为C₆H₆Pt或C₉H₁₆Pt。

8.如权利要求6所述的集成电路芯片的失效分析方法，其特征在于，使用二氟化氙以离子刻蚀的方式将沉积金属线预设宽度长度以外的溅射铂污染清除掉。

9.一种集成电路芯片的失效分析的系统，其特征在于，所述系统包括聚焦离子束机台、计算模块、交互模块和控制模块；所述机台包括离子源、聚焦/扫描设备、样品台，所述聚焦/扫描设备发射聚焦离子束进行刻蚀或沉积，亦测得样品某测试点的三维坐标数据，所述样品台能够沿任一水平轴线做倾斜旋转；所述计算模块对输入的数据进行计算处理，并将结果输出给控制模块；通过所述交互模块获得计算模块的结果反馈，并预设实验常数、金属沉积的位置、金属线的长度、宽度和深度以及聚焦离子束束流大小；所述控制模块根据输入的数据和参数向聚焦离子束机台发出各种操作指令。

10.如权利要求9所述的集成电路芯片的失效分析的系统，其特征在于，所述样品台用于固定芯片，通过旋转倾斜样品台使得样品内任意两点间的连线处于垂直于所述聚焦离子束的水平平面。

11.如权利要求10所述的集成电路芯片的失效分析的系统，其特征在于，所述计算模块根据聚焦/扫描设备测定的样品内任意两点的三维坐标计算出所述两点之间的长度。

12.如权利要求11所述的集成电路芯片的失效分析的系统，其特征在于，通过所述交互模块预设目标阻值为R，沉积金属线的电阻率ρ，金属线长度为L，宽度为X以及设定金属线沉积的位置；计算模块计算得到金属线需要沉积的深度为Z=(ρ*L)/(R*X)。

13.如权利要求12所述的集成电路芯片的失效分析的系统，其特征在于，所述计算模块计算可选择的所述束流范围为70X*L≤current（束流）≤100X*L。

14.如权利要求13所述的集成电路芯片的失效分析的系统，其特征在于，控制系统根据输入的金属线长度L、宽度X和深度Z、位置以束流参数沉积相应尺寸和位置的金属线。

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