CN114778537A - 一种晶体管栅极硅氧化层失效机理的鉴定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种晶体管栅极硅氧化层失效机理的鉴定方法，所述鉴定方法包括：提供晶圆样品并确定失效区域，采用化学试剂去除失效区域内位于硅基体表面的全部膜层，对硅基体的表面硅缺陷进行刻划，根据硅缺陷或硅晶体缺陷的形状判断栅极硅氧化层的失效机理，如果硅缺陷是晶体状且呈现“多个方斗型组合坑”结构，表明栅极硅氧化层的失效原因是污染造成的。本发明提供的鉴定方法主要用于快速鉴定晶体管栅极硅氧化层的失效机理，可以快速找到栅极硅氧化层的失效原因，从而对症下药，选择合适的解决方案，提高了晶体管栅极硅氧化层失效分析方法的准确率、成功率和检测速度，大大降低了分析成本和不必要的分析成本。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种晶体管栅极硅氧化层失效机理的鉴定方法。
背景技术
在晶圆制造的前端制程中，对晶体管栅极硅氧化层的失效分析非常重要。失效分析工程师必须快速准确地确定失效机理和模型，以确定失效机理和如其相关的制造工艺间的关联性。通常来说，与栅极硅氧化层相关的晶体管失效机理大概可以分为：(i)氧化层厚度不均匀；(ii)离子等杂质(污染)导致氧化层或者、和硅基体质量问题；(iii)前端和后端膜层沉积或者刻蚀等制造工艺过程中由于天线效应导致氧化层的等离子体诱导损伤(PID-plasma induced damage)。
对于这三大类与栅极硅氧化层相关的晶体管失效分析，其难点在于失效定位分析，即精确纳米尺寸的失效区。原因在于：(i)氧化层的厚度一般都是纳米级；(ii)氧化层的失效点尺寸一般都是纳米级；(iii)氧化层上面有较厚的栅极硅膜层。通常基于电测量失效定位技术，如OBIRCH，EMMI等的定位精度只是微米级的，故此与栅极硅氧化层相关的晶体管失效分析的成功率一般不会很高。
因此，需要研发一种鉴定方法，能够快速准确地确定栅极硅氧化层的失效机理和失效模型，从而为后续的失效分析和解决方法提供支持。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种晶体管栅极硅氧化层失效机理的鉴定方法，本发明提供的鉴定方法主要用于快速鉴定晶体管栅极硅氧化层的失效机理，可以快速确定晶体管栅极硅氧化层的失效机理，从而对症下药，选择合适的失效分析和解决方案，提高了失效分析方法的准确率、成功率和检测速度，大大降低了分析成本。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种晶体管栅极硅氧化层失效机理的鉴定方法，所述鉴定方法包括：
提供晶圆样品并确定失效区域，采用化学试剂去除失效区域内位于硅基体表面的全部膜层，对硅基体的表面硅缺陷进行化学刻划，然后根据得到的硅缺陷或硅晶体缺陷的形状判断栅极硅氧化层的失效机理，如果硅缺陷是晶体状且呈现“多个方斗型组合坑”结构，表明栅极硅氧化层的失效原因是污染造成的。
本发明提供的鉴定方法主要用于快速鉴定晶体管栅极硅氧化层的失效机理，首先，去除晶圆样品表面的全部膜层，将硅基体暴露处理，随后对硅基体表面的缺陷进行刻划，根据硅缺陷有无晶格及其呈现的缺陷形状确定栅极硅氧化层的失效机理模型，如果硅缺陷是非晶体型的，说明晶体管栅极硅氧化层失效是由于晶圆制程中等离子体诱导损伤(PID)造成的，应该由晶圆制造工程师在线解决问题；如果硅缺陷是晶体型且呈现“多个方斗型组合坑”状结构，说明栅极硅氧化层的失效机理模型是由于杂质(污染)导致的氧化层或者硅基体质量问题，需要失效分析工程师继续进行失效分析和查找污染元素。
采用本发明提供的鉴定方法可以快速找到栅极硅氧化层的失效原因，从而对症下药，选择合适的解决方案，提高了晶体管栅极硅氧化层失效分析方法的准确率、成功率和检测速度，大大降低了分析成本。例如，如果失效机理确定栅极硅氧化层的失效是由于杂质(污染)造成的，那么可以通过选择的适当的分析方法做进一步的失效分析，找到相应的污染元素和污染源。如果确定栅极硅氧化层的失效不是由于污染造成的，而是由于等离子体诱导损伤(PID-plasma induced damage)造成的，那么就不需要继续做失效分析，应该由晶圆制程工程师去产线或制程方法寻找原因和解决办法。这样可以加快晶体管栅极硅氧化层失效分析的速度、有效性和准确性，同时减少不必要的失效分析工作，大大降低失效分析的成本。
作为本发明一种优选的技术方案，如果硅缺陷形状是非晶体的，表明栅极硅氧化层的失效原因是等离子体诱导损伤(PID)造成的。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的鉴定方法还包括：在确认栅极硅氧化层的失效机理后，针对不同的失效机理，采取不同的解决方案：
如果栅极硅氧化层的失效机理是等离子体诱导损伤造成的，则在晶圆产线中优化晶圆制程解决；
如果栅极硅氧化层的失效机理是污染造成的，则进一步进行失效分析，分析原因，确定污染元素和污染源。
需要说明的是，由于表面缺陷的尺度较小，因此需要通过光学显微镜观察测试样品上的硅晶体缺陷，并拍摄光学显微镜照片，通过扫描电镜照片确定缺陷形状是晶状还是非晶状，从而进一步推断失效原因，根据失效原因确定后续的解决方案。
作为本发明一种优选的技术方案，全部膜层的去除过程具体包括如下步骤：
(1)将晶圆样品浸入第一试剂中，剥层一段时间，去除硅基体表面多晶硅层之上的全部膜层；
(2)将晶圆样品浸入第二试剂中，剥层一段时间，去除硅基体表面的多晶硅层，裸露出硅基体。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤(1)还包括：在第一试剂中剥层结束后，清洗晶圆样品并吹干。
步骤(2)还包括：在第二试剂中剥层结束后，清洗晶圆样品并吹干。
作为本发明一种优选的技术方案，所述第一试剂包括氢氟酸溶液。
所述晶圆样品在第一试剂中的剥层时间为10～15min，例如可以是10min、10.5min、11min、11.5min、12min、12.5min、13min、13.5min、14min、14.5min或15min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述第二试剂包括硝酸和缓冲氧化物蚀刻液；
所述晶圆样品在第二试剂中的剥层时间为5～10s，例如可以是5s、6s、7s、8s、9s或10s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，对硅基体的表面缺陷进行刻划的具体操作包括如下步骤：
将裸露的硅基体浸入刻划试剂中，刻蚀一段时间。
作为本发明一种优选的技术方案，所述刻划试剂包括氢氟酸、硝酸、三氧化铬溶液、含结晶水硝酸铜、醋酸和水。
作为本发明一种优选的技术方案，所述晶圆样品在刻划试剂中的浸泡时间为3～5min，例如可以是3.0min、3.5min、4.0min、4.5min或5.0min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的鉴定方法主要用于快速鉴定晶体管栅极硅氧化层的失效机理，首先，去除晶圆样品表面的全部膜层，将硅基体暴露处理，随后对硅基体表面的缺陷区域进行刻划，然后根据刻划后形成的缺陷形状是晶状还是非晶状确定失效原因，采用本发明提供的鉴定方法可以快速找到栅极硅氧化层的失效原因，从而对症下药，选择合适的解决方案，提高了传统失效分析方法的准确率、成功率和检测速度，大大降低了分析成本。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的非晶体缺陷的扫描电镜照片；
图2为本发明一个具体实施方式提供的晶体缺陷的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种晶体管栅极硅氧化层失效机理的鉴定方法，所述鉴定方法具体包括如下步骤：
(1)提供晶圆样品：晶圆样品包括硅基体，硅基体表面形成一层多晶硅层，多晶硅层表面依次覆盖有多层膜层，包括但不限于依次层叠的氧化层、金属层和钝化层；在一些实施例中，晶圆样品可以是一整个硅基体晶圆，也可以是整个硅基体晶圆进行切割后的某一部分；
(2)失效定位：应用电测量方法OBIRCH在测试模块上进行失效定位分析和发现热点；
(3)将晶圆样品浸入第一试剂去除多晶硅层表面以上的全部膜层，可选地，在一实施例中，第一试剂为49％的氢氟酸，为了将全部膜层去除干净，晶圆样品在第一试剂的中剥层时间为10～15min，由于不同晶圆样品的膜层数量及种类不同，因此本领域技术人员根据实际情况适当调整剥层时间，去除干净即可；
利用第一试剂的浸泡可以很好地去除多晶硅层表面以上的全部膜层，从而为去除多晶硅层打下基础。为了获得更好的去除效果，晶圆样品应全部浸没在溶液中，并保持小范围内的移动，使得第一试剂与晶圆样品得以充分接触，提高去除效率；
剥层结束后，采用去离子水清洗晶圆样品，随后用压缩空气枪吹干，以避免引入人工缺陷的假象；
(4)在第一试剂中浸泡结束后，将晶圆样品浸入第二试剂以去除硅基体表面的多晶硅层，使得硅基体全部暴露出来。可选地，在一实施例中，第二试剂包括由硝酸(浓度为69.5％)和缓冲氧化物蚀刻液(包括NH4F和HF，NH4F与HF的体积比为7:1)组成的混合液，硝酸和缓冲氧化物蚀刻液的体积比为8:2。
晶圆样品在第二试剂中的浸泡时间为5～10s，此时多晶硅层完全剥离去除，当然，本领域技术人也可以根据多晶硅层的厚度对浸泡时间进行适应性调整，只要将多晶硅层完全去除即可，确保硅基体全部暴露。
同样地，为了获得更好的去除效果，晶圆样品应全部浸没，并保持小范围内的移动，使得第二试剂与晶圆样品得以充分接触，提高去除效率；
剥层结束后，采用去离子水清洗晶圆样品，随后用压缩空气枪吹干，以避免引入人工缺陷的假象；
(5)在第二试剂中浸泡结束后，将晶圆样品浸入刻划试剂，开始对硅基体表面的硅缺陷区域进行刻划，可选地，在一实施例中，刻划试剂具体包括如下组分：
60mL浓度为49％的氢氟酸；
30mL浓度为69.5％的硝酸；
30mL浓度为5mol/L的三氧化铬溶液，即2ml溶液中含有1克CrO3；
2g含结晶水硝酸铜Cu(NO3)2.3H2O；
60mL浓度为99.7％的醋酸；
60mL去离子水。
晶圆样品在刻划试剂中刻划3min～5min。
同样地，晶圆样品浸泡在刻划试剂中时，晶圆样品应全部浸没，并保持小范围内的移动，使得刻划试剂与晶圆样品得以充分接触。
刻划结束后，采用去离子水清洗晶圆样品，随后用压缩空气枪吹干，以避免引入人工缺陷的假象；
(6)采用光学显微镜和扫描电镜观察硅基体表面的硅缺陷或硅晶体缺陷的形状，并拍摄光学显微镜和扫描电镜照片。
如果硅缺陷形状是非晶体状(如图1)，表明栅极硅氧化层的失效原因是等离子体诱导损伤(PID)，如此，则需要晶圆制程工程师在晶圆产线上进一步优化晶圆制程解决；如果硅缺陷形状是晶体状且呈现“多个方斗型组合坑”结构(如图2)，表明栅极硅氧化层的失效原因是污染，需要进一步进行失效分析，分析污染原因，例如，选择合适的分析技术进行失效分析，从而确定污染元素和污染源。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种晶体管栅极硅氧化层失效机理的鉴定方法，其特征在于，所述鉴定方法包括：
提供晶圆样品并确定失效区域，采用化学试剂去除失效区域内位于硅基体表面的全部膜层，对硅基体的表面硅缺陷进行刻划，根据硅缺陷或硅晶体缺陷的形状判断栅极硅氧化层的失效机理，如果硅缺陷是晶体状且呈现“多个方斗型组合坑”结构，表明栅极硅氧化层的失效原因是污染造成的。
2.根据权利要求1所述的鉴定方法，其特征在于，如果硅缺陷形状是非晶体的，表明栅极硅氧化层的失效原因是等离子体诱导损伤造成的。
3.根据权利要求2所述的鉴定方法，其特征在于，所述的鉴定方法还包括：在确认栅极硅氧化层的失效机理后，针对不同的失效机理，采取不同的解决方案：
如果栅极硅氧化层的失效机理是等离子体诱导损伤造成的，则在晶圆产线中优化晶圆制程解决；
如果栅极硅氧化层的失效机理是污染造成的，则进一步做失效分析，分析原因，确定污染元素和污染源。
4.根据权利要求1所述的鉴定方法，其特征在于，全部膜层的去除过程具体包括如下步骤：
(1)将晶圆样品浸入第一试剂中，剥层一段时间，去除硅基体表面多晶硅层之上的全部膜层；
(2)将晶圆样品浸入第二试剂中，剥层一段时间，去除硅基体表面的多晶硅层，裸露出硅基体。
5.根据权利要求4所述的鉴定方法，其特征在于，步骤(1)还包括：在第一试剂中剥层结束后，清洗晶圆样品并吹干；
步骤(2)还包括：在第二试剂中浸剥层结束后，清洗晶圆样品并吹干。
6.根据权利要求4所述的鉴定方法，其特征在于，所述第一试剂包括氢氟酸溶液；
所述晶圆样品在第一试剂中的剥层处理时间为10～15min。
7.根据权利要求4所述的鉴定方法，其特征在于，所述第二试剂包括硝酸和缓冲氧化物蚀刻液；
所述晶圆样品在第二试剂中的剥层处理时间为5～10s。
8.根据权利要求1所述的鉴定方法，其特征在于，对硅基体的表面缺陷进行刻划的具体操作包括如下步骤：
将裸露的硅基体浸入刻划试剂中，刻蚀一段时间。
9.根据权利要求8所述的鉴定方法，其特征在于，所述刻划试剂包括氢氟酸、硝酸、三氧化铬溶液、含结晶水硝酸铜、醋酸和水。
10.根据权利要求8所述的鉴定方法，其特征在于，所述晶圆样品在刻划试剂中的刻蚀时间为3～5min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220722 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |