CN115410937A - 半导体失效检测结构及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种半导体失效检测结构及其检测方法，应用于半导体器件失效检测过程，半导体失效检测方法包括：在待检测晶圆预设范围内设置参考层；获取设置参考层对应待检测晶圆的晶圆图像；将晶圆图像与检测标准图像进行对比，根据参考层得到待检测晶圆中失效的位置信息及分析结果。本说明书实施例设置类似金属材料的参考层，该参考层为多个最小单元规则排布的参考块，尤其使参考块构成的参考层呈米型状或T型状排布，优化测试结构周边和上下层dummy结构的设计，在不影响各种不同功能的测试结构的基础上，不仅有助于形成更加清晰高对比度的测试结构图形影像，而且大大提升失效分析定位的准确性和物性失效分析的成功率和效率。
Description
技术领域
本申请涉及半导体失效检测技术领域，具体涉及一种半导体失效检测结构及其检测方法。
背景技术
半导体集成度要求的提高给半导体器件失效分析提出挑战。现有技术应用EMMI/OBIRCH/Thermal EMMI等失效定位技术来侦测失效位置的异常信号，俗称“热点”。进而根据热点与所分析区域光学影像的相对位置信息，对该位置进行物性失效分析即可找到异常的原因。
然而现有技术中无论针对单一器件还是单层结构等进行失效分析，由于这些结构本身为大块面积或长条设计，导致失效定位的物理位置不准确。另外失效检测过程中在结构不涉及的层次设置dummy(假片)结构，由于dummy过于密集会干扰失效定位的检测，同时过于密集的dummy也会遮挡失效分析信号的侦测，影响光学影像的清晰度等，进一步造成热点物理位置的定位不准确。
因此，需要一种新的半导体失效检测方案。
发明内容
有鉴于此，本说明书实施例提供一种半导体失效检测结构及其检测方法，应用于半导体器件失效定位过程。
本说明书实施例提供以下技术方案：
本说明书实施例提供一种半导体失效检测方法，应用于半导体器件失效定位检测过程，所述半导体失效检测方法包括：
在待晶圆预设范围内设置参考层；
获取设置所述参考层对应待检测晶圆的晶圆图像；
将所述晶圆图像与检测标准图像进行比对，根据所述参考层得到所述待检测晶圆中失效的位置信息及分析结果。
本说明书实施例还提供一种半导体失效检测结构，应用本说明书任一技术方案中所述的半导体器件失效检测方法进行失效定位，所述半导体失效检测结构包括：
在待检测晶圆预设范围内增设参考层；所述参考层用于在所述待检测晶圆被扫描时反射部分待检测晶圆的照射光，还用于确定所述待检测晶圆中失效的位置信息。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：
通过对待检测晶圆设置辅助热点物理定位的参考层，不影响各种不同功能的测试结构的基础上，优化测试结构周边和上下层dummy结构的设计，从而实现更加准确的热点定位，无需复杂的检测方法及对设备等进行改进即可提升热点物理定位的精准度，大大提升失效分析定位的准确性和物性失效分析的成功率和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是现有技术失效定位检测中晶圆结构的示意图；
图2是现有技术中晶圆热点失效定位的示意图；
图3A是现有技术中晶圆热点失效定位的缺陷示意图；
图3B是现有技术中失效热点被密集dunny遮蔽的示意图；
图4是本说明书实施例提供的半导体失效检测方法的流程图；
图5是本说明书实施例提供的半导体失效检测结构的示意图一；
图6是本说明书实施例提供的半导体正面失效检测的示意图；
图7是本说明书实施例提供的半导体背面失效检测的示意图；
图8是本说明实施例提供的参考块的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践。
现有技术应用EMMI/OBIRCH/Thermal EMMI等失效定位技术来侦测失效位置的异常信号，俗称“热点”。然而无论针对单一器件还是单层结构等进行失效分析，由于这些结构本身为大块面积或长条设计，导致失效定位的物理位置不准确。如图3A为背面失效定位热点信号与光学影像叠图的局部放大图，其中最大黑点示意为失效热点，现有技术中热点位置通过尺寸量测定位不准确，偏差大。另外失效检测过程中在结构不涉及的层次设置dummy(假片)结构，如图3B由于dummy过于密集会干扰失效定位的检测，同时过于密集的dummy也会遮挡失效分析信号的侦测，影响光学影像的清晰度等，进一步造成热点物理位置的定位不准确。
有鉴于此，发明人发现微光显微镜通过红外激光系统扫描芯片的正面或背面时，红外激光可以穿透衬底硅材、多晶硅和介质层材料，但遇到金属材料会反射回来，因此被金属材料覆盖相对下方的结构不会被显示出来。基于此通过在待检测晶圆预设范围内设置类似金属材料的参考层来获得待检测晶圆的高对比度图形影像，从而在半导体器件晶圆失效定位时刻提升失效点定位的准确性。
基于此，本说明书实施例提出了一种新的半导体失效检测方案。如图1所示为晶圆结构，其中包括有源区AA和多晶硅Poly。图2示出基于微光显微镜基本原理将失效点的热点信息叠加在测试结构图形影像上得到失效点的位置信息，但由于这些结构本身为大块面积或长条设计，导致失效定位的物理位置不准确。如图5本说明书设置类似金属材料的参考层用于通过微光显示镜红外激光系统扫描时，参考层会反射光线使被参考层覆盖相对下方的结构不会被显示出来，有助于形成更加清晰高对比度的测试结构图形影像，从而将失效点的热点信息叠在测试结构图形影像上根据参考层可以更加准确获得失效点的定位位置信息。
以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。
如图4所示，本说明书实施例提供一种半导体失效检测方法，应用于半导体器件失效定位过程，该半导体失效检测方法包括步骤S410～步骤S430。
其中步骤S410、在待检测晶圆预设范围内设置参考层。其中待检测晶圆为存在失效的半导体器件，在微光显微镜下呈现亮点。
本说明书通过微光显微镜红外激光系统扫描芯片的正面或背面获得清晰度较高的图形影像，进而基于微光显微镜基本原理需将失效点的热点信号叠加在测试结构的图形影像上来确定具体的失效缺陷的位置信息。本实施例不仅采用上述方式，需利用参考层来提升图形影像的对比度，具体微光显微镜通过红外激光系统扫描芯片的正面或背面，红外激光可穿透衬底硅材、多晶硅和介质层材料，但遇到参考层会反射回来，因此被参考层覆盖相对下方的结构不会被显示出来，从而在将失效点的热点信息叠加至图形影像过程中还通过参考层来更加准确的确定失效点的位置信息。因此在微光显微镜红外激光系统扫描芯片之前在待检测晶圆预设范围内设置参考层。具体地，针对待检测晶圆的正面失效检测时，将参考层设置于待检测晶圆的正面上。针对待检测晶圆的背面失效检测时，将参考层设置于待检测晶圆背面附近的特定范围内。或者待检测晶圆正、背面均进行参考层的设置。从而可获得更加高清晰对比度的图形影像，最终来确定待检测晶圆中失效定位的位置信息。
步骤S420、获取设置所述参考层对应待检测晶圆的晶圆图像。
结合上述实施例，在待检测晶圆的正面失效检测时，通过微光显微镜红外激光系统扫描设置有参考层对应待检测晶圆的正面获取正面晶圆图像。在待检测晶圆的背面失效检测时，通过微光显微镜红外激光系统扫描设置有参考层对应待检测晶圆的背面获取背面晶圆图像。或者获得待检测晶圆对应的正面及背面晶圆图像。进而为待检测晶圆失效点的定位提供对比图形影像。
步骤S430、将晶圆图像与检测标准图像进行比对，根据参考层得到所述待检测晶圆中失效的位置信息及分析结果。其中检测标准图像包括含预设参考层的晶圆标准图像。例如与晶圆多晶硅Poly同层于晶圆背面附近设置有一参考层可获得背面晶圆图像。又如与晶圆最底层金属层同层于晶圆正面上设置一参考层可获得正面晶圆图像。一些实施例中可采用微光显微镜、聚焦离子束显微镜及透射电子显微镜得到晶圆对应的图像。其中分析结果包括以下至少一项：开路、短路、烧毁、漏电、功能失效、电参数漂移、非稳定失效等。
结合上述实施例，在待检测晶圆的正面失效检测时，将获得的正面晶圆图像叠在检测标准图像上进行比对，根据参考层的位置设计实现更加准确的失效定位。在待检测晶圆的背面失效检测时，将获得的背面晶圆图像叠加于检测标准图像上进行比对，根据参考层的位置设计更加准确地获得失效的位置信息及分析结果。
本说明书设置类似金属材料的参考层用于通过微光显示镜红外激光系统扫描时，参考层会反射光纤使被参考层覆盖相对下方的结构不会被显示出来，有助于形成更加清晰高对比度的测试结构图形影像，从而将失效点的热点信息叠在测试结构图形影像上根据参考层可以更加准确获得失效点的定位位置信息。
在一些实施例中，在待检测晶圆预设范围内设置参考层包括：在待检测晶圆的正面设置一个或多个第一金属层；在待检测晶圆的背面设置一个第二金属层。其中第一金属层包括金属层，第二金属层包括带金属硅化物的多晶硅层。第一金属层与第二金属层仅为参考层的分类指代，并无顺序及成分的表示。
具体如图6在待检测晶圆正面电性失效定位过程中，在待检测晶圆正面设置与待检测晶圆金属层相同层数的第一金属层。一些实施例中可根据实际需要调节适配待检测晶圆金属层的第一金属层，即适当减少第一金属层或者增多第一金属层。如图7在待检测晶圆背面电性失效定位过程，在待检测晶圆背面周边空间设置一个第二金属层，且该第二金属层与待检测晶圆结构的多晶硅层为同一层。
在一些实施例中，第一金属层及第二金属层中参考块的参数信息根据待检测晶圆确定。其中参考块为第一金属层及第二金属层设置于待检测晶圆预设范围内分布设置的最小单元。其中参考块的参数信息包括：参考块本身的尺寸、相邻参考块间的距离、参考块的个数及参考块设置的层数等。
如图8左边和右边分别所示第二金属层及第一金属层中的参考块，本说明实施例中参考块在第一金属层及第二金属层的参数信息根据待检测晶圆决定。具体地，待检测晶圆的尺寸有不同的大小，如6寸、8寸、12寸不同大小的待检测晶圆，其在失效电性定位过程中设置的参考块的个数也会有所不同。例如大尺寸的待检测晶圆所需的参考块相对较多。又如，根据待检测晶圆上电路图形的不同其上的金属层分布及层数也各不相同，造成参考块的层数及个数存在差异。再例如根据待检测晶圆局部失效检测的需求，设置参考块的个数不同，从而使得参考块设置面积占比待检测晶圆面积的占比不同等。
一些实施例中，参考块自身的尺寸及相邻参考块间的距离如图8示例。如图8右边显示，第一金属层包含的参考块利用其自身大小可分为3*3um的大金属方块和2*2um的小金属方块，相邻两大金属方块的间隔为4um，相邻两小金属方块的间隔为5um，相邻大金属块与小金属块的间隔为1um，上述参考块的设计可以保证参考块对应图形可以被微光显微镜清晰识别，同时让失效定位热点的物理位置偏差控制在2um内。该参考块为金属块。如图8左边显示，第二金属层包含的参考块利用其自身大小分为3*3um的大参考块和2*3um的小参考条，相邻两大参考块间隔为4um，相邻两小参考块间隔为5um，相邻大参考块与小参考块之间间隔2um，其中大参考块为带金属硅化物的多晶硅块，小参考条为带金属硅化物的多晶硅条。
本说明书设置类似金属材料的参考层，该参考层为多个最小单元规则排布的参考块，设置特定的参考块大小及参考块间的间隙，通过微光显示镜红外激光系统扫描时，参考层会反射光线使被参考层覆盖相对下方的结构不会被显示出来，有助于形成更加清晰高对比度的测试结构图形影像，进而将失效点的热点信息叠在测试结构图形影像上根据参考层实现2um失效定位热点物理位置偏差的效果，不仅提升了失效点定位的准确性，还实现了快速准确地得到所需的分析结果。
在一些实施例中，根据参考块的参数信息按照预设规则将各个参考块设置于待检测晶圆的正面和/或背面。其中预设规则包括参考块设置于待检测晶圆的正面及背面，根据参考块的个数及自身尺寸按照特定的形状排布进行设置，参考块设置于待检测晶圆背面附近空间距离等。
如图6或图7示例参考块规则设置于待检测晶圆预设范围内。在待检测晶圆正面失效电性定位分析时，如图6将参考块规则设置于待检测晶圆的正面。在待检测晶圆背面失效电性定位分析时，如图7将参考块规则设置于待检测晶圆背面附近空间时，离待检测晶圆本身带金属硅化物的多晶硅Poly的距离等可根据待检测晶圆自身尺寸进行限定。如图5示出，第一金属层中大金属块和小金属块的相间规则排布设置于待检测晶圆正面，第二金属层中大参考块与小参考条的相间规则排布设置于待检测晶圆背面附近空间。
在一些实施例中，第一金属层中的参考块呈第一形状排布；所述第二金属层中的参考块呈第二形状排布；其中所述第一形状排布及所述第二形状排布用于定位所述待检测晶圆中失效的位置信息。其中，第一形状包括米型，第二形状包括T型。
具体如图8右边显示，第一金属层包含的参考块可分为3*3um的大金属方块和2*2um的小金属方块，相邻两大金属方块的间隔为4um，相邻两小金属方块的间隔为5um，相邻大金属块与小金属块的间隔为1um，上述参考块的设计可以保证参考块对应图形可以被微光显微镜清晰识别，同时让失效定位热点的物理位置偏差控制在2um内。该参考块为金属块。如图8左边显示，第二金属层包含的参考块可分为3*3um的大参考块和2*3um的小参考条，相邻两大参考块间隔为4um，相邻两小参考块间隔为5um，相邻大参考块与小参考块之间间隔2um，其中大参考块为带金属硅化物的多晶硅块，小参考条为带金属硅化物的多晶硅条。
参考图5，将第一金属层中的大金属块与小金属块规则的相间排布呈“米”型状排布，具体按照相邻两大金属方块的间隔为4um，相邻两小金属方块的间隔为5um，相邻大金属块与小金属块的间隔为1um等规则相间排布。将第二金属层中的大参考块与小这档条规则相间排布呈“T”型状排布，具体按照相邻两大参考块间隔为4um，相邻两小参考块间隔为5um，相邻大参考块与小参考块之间间隔2um等规则相间排布。
本说明书设置规则排布的参考块，尤其使参考块构成的参考层呈米型状或T型状排布，通过微光显示镜红外激光系统扫描时，参考层会反射光线使被参考层覆盖相对下方的结构不会被显示出来，有助于形成更加清晰高对比度的测试结构图形影像，进而将失效点的热点信息叠在测试结构图形影像上根据参考层实现2um失效定位热点物理位置偏差的效果，不仅提升了失效点定位的准确性，还实现了快速准确地得到所需的分析结果。
在一些实施例中，所述方法还包括：分别获取晶圆正面的检测标准图像和晶圆背面的检测标准图像。
具体地，通过晶圆扫描图像与检测标准图像进行比对过程中，还需获取检测标准图像。一些实施例中在待检测晶圆正面的失效电性分析中获取晶圆正面的检测标准图像；即将放置有参考层的待检测晶圆样品去层到最后一层“米”型金属层，在将待检测晶圆正面的晶圆扫描图像叠加至以这个“米”型金属层结构的相对物理位置信息上，更加精确地用聚焦离子束显微镜制备缺陷位置的截面样品或透射电子显微镜薄片样品，从而不仅实现快速准确地定位，还根据需求得到所需的分析结果。
一些实施例中，在待检测晶圆背面的失效电性分析中获取晶圆背面的检测标准图像；即将放置有参考层的待检测晶圆样品去层到层间介质层ILD(Inter LayerDielectric,层间介质层)，在将待检测晶圆背面的晶圆扫描图像叠加至以这个“T”型带金属硅化物的多晶硅结构的相对物理位置信息上，更加准确地用聚焦离子束显微镜制备缺陷位置的截面样品或透射电子显微镜薄片样品，从而不仅实现快速准确地定位，还根据需求得到所需的分析结果。
本发明实施例不仅限于典型栅氧化层完整性可靠测试结构，还可以应用于任何需要辅助失效定位的测试结构，如包括电子迁移测试结构、蛇形金属线结构、finger电容测试结构等。
结合上述半导体失效检测方法，本说明书实施例提供一种半导体失效检测结构，包括在待检测晶圆预设范围内增设参考层；所述参考层用于在所述待检测晶圆被微光显微镜红外激光扫描时反射部分待检测晶圆的照射光，还用于确定所述待检测晶圆中失效的位置信息。
如图5本说明书设置类似金属材料的参考层用于通过微光显示镜红外激光系统扫描时，参考层会反射光线使被参考层覆盖相对下方的结构不会被显示出来，有助于形成更加清晰高对比度的测试结构图形影像，从而将失效点的热点信息叠在测试结构图形影像上根据参考层可以更加准确获得失效点的定位位置信息。
一些实施例中，所述参考层设置于待检测晶圆正面及背面的预设范围，所述参考层包括多个参考块。参考层包括金属层或带金属硅化物的多晶硅层。其中参考块为参考层设置于待检测晶圆预设范围内分布设置的最小单元。
一些实施例中，参考块自身的尺寸及相邻参考块间的距离如图8示例。如图8右边显示，参考块可分为3*3um的大金属方块和2*2um的小金属方块，相邻两大金属方块的间隔为4um，相邻两小金属方块的间隔为5um，相邻大金属块与小金属块的间隔为1um，上述参考块的设计可以保证参考块对应图形影像可以被微光显微镜清晰识别，同时让失效定位热点的物理位置偏差控制在2um内。该参考块为金属块。如图8左边显示，参考块可分为3*3um的大参考块和2*3um的小参考条，相邻两大参考块间隔为4um，相邻两小参考块间隔为5um，相邻大参考块与小参考块之间间隔2um，其中大参考块为带金属硅化物的多晶硅块，小参考条为带金属硅化物的多晶硅条。
具体地，针对待检测晶圆的正面失效检测时，将参考层设置于待检测晶圆的正面上。针对待检测晶圆的背面失效检测时，将参考层设置于待检测晶圆背面附近的特定范围内。或者待检测晶圆正、背面均进行参考层的设置。从而在红外激光扫描待检测晶圆时可获得更加高清晰对比度的图形影像，最终来确定待检测晶圆中失效定位的位置信息。
在一些实施例中，所述参考块的排布包括米型形状排布和/或T型形状排布。
结合图8示出的参考块，如图6所示，将大金属块与小金属块规则的相间排布呈“米”型状排布，具体按照相邻两大金属方块的间隔为4um，相邻两小金属方块的间隔为5um，相邻大金属块与小金属块的间隔为1um等规则相间排布。如图7所示，将大参考块与小这档条规则相间排布呈“T”型状排布，具体按照相邻两大参考块间隔为4um，相邻两小参考块间隔为5um，相邻大参考块与小参考块之间间隔2um等规则相间排布。
本说明书设置类似金属材料的参考层，该参考层为多个最小单元规则排布的参考块，尤其使参考块构成的参考层成米型状或T型状排布，通过微光显示镜红外激光系统扫描时，参考层会反射光线使被参考层覆盖相对下方的结构不会被显示出来，有助于形成更加清晰高对比度的测试结构图形影像，进而将失效点的热点信息叠在测试结构图形影像上根据参考层实现2um失效定位热点物理位置偏差的效果，不仅提升了失效点定位的准确性，还实现了快速准确地得到所需的分析结果。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种半导体失效检测方法，应用于半导体器件失效检测过程，其特征在于，所述半导体失效检测方法包括：
在待检测晶圆预设范围内设置参考层；
获取设置所述参考层对应待检测晶圆的晶圆图像；
将所述晶圆图像与检测标准图像进行比对，根据所述参考层得到所述待检测晶圆中失效的位置信息及分析结果。
2.根据权利要求1所述的半导体失效检测方法，其特征在于，在待检测晶圆预设范围内设置参考层，包括：
在待检测晶圆的正面设置一个或多个第一金属层；
或者，在待检测晶圆的背面设置一个第二金属层。
3.根据权利要求2所述的半导体失效检测方法，其特征在于，所述第一金属层及所述第二金属层中参考块的参数信息根据待检测晶圆确定。
4.根据权利要求3所述的半导体失效检测方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据参考块的参数信息按照预设规则将各个参考块设置于待检测晶圆的正面和/或背面。
5.根据权利要求3所述的半导体失效检测方法，其特征在于，所述第一金属层中的参考块呈第一形状排布；所述第二金属层中的参考块呈第二形状排布；
其中所述第一形状排布及所述第二形状排布用于定位所述待检测晶圆中失效的位置信息。
6.根据权利要求5所述的半导体失效检测方法，其特征在于，第一形状包括米型，第二形状包括T型。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的半导体失效检测方法，其特征在于，所述方法还包括：
分别获取晶圆正面的检测标准图像和晶圆背面的检测标准图像。
8.一种半导体失效检测结构，其特征在于，应用如权利要求1-7中任一项所述的半导体器件失效检测方法进行失效检测，所述半导体失效检测结构包括：
在待检测晶圆预设范围内增设参考层；所述参考层用于在所述待检测晶圆被微光显微镜红外激光扫描时反射部分待检测晶圆的照射光，还用于确定所述待检测晶圆中失效的位置信息。
9.根据权利要求8所述的半导体失效检测结构，其特征在于，所述参考层设置于待检测晶圆正面及背面的预设范围，所述参考层包括多个参考块。
10.根据权利要求9所述的半导体失效检测结构，其特征在于，所述参考块的排布包括米型形状排布和/或T型形状排布。
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