JP3230488B2

JP3230488B2 - 半導体チップ不良解析方法

Info

Publication number: JP3230488B2
Application number: JP14547798A
Authority: JP
Inventors: 靖上岡
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 2001-11-19
Anticipated expiration: 2018-05-27
Also published as: JPH11340294A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップの不
良解析方法、特にゲート酸化膜の破損箇所の特定方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＬＳＩ等半導体チップの不良解析
を行うには、機械的研摩又はエッチングによって観察箇
所を露出させ、ＳＥＭによる観察を行っていた。半導体
チップ表面に形成されている各層は一般的に種々の材料
から形成されており、そのような研摩又はエッチングを
均一に行うことは困難であって、傷、ピッチ等の損傷を
生じやすい。近年特に高集積化の進む半導体チップにお
いては、不良箇所は極めて微小なサイズであり、従っ
て、ＳＥＭによる画像観察においては、前記作業による
損傷箇所と目的とする不良箇所との判別が難しくなって
しまい、正確な観察及び解析を行うことが困難であっ
た。

【０００３】そこで、各層が形成されている半導体チッ
プ表面からでなく、裏面のシリコン基板側から観察を行
って不良解析を行うことが考えられている。例えば、日
経ＢＰ社発行「日経マイクロデバイス」１９９２年７月
号、Ｐ９１において、半導体チップ裏面から赤外線顕微
鏡を用いて表面パターンの観察を行い、その不良箇所を
発見する方法が記載されている。

【０００４】さらに、特開平８−１７２１１８号におい
ては、半導体チップ裏面のシリコン基板による赤外線反
射に起因する前記赤外線顕微鏡の解像度低下を解消する
ために、前記シリコン基板の一部分を所定以下の厚さに
研摩し、研摩終了後に赤外線顕微鏡等赤外線利用拡大装
置を用いて表面パターンの観察を行う方法が開示されて
いる。

【０００５】このように赤外線を利用して半導体チップ
を観察する方法は、前記のとおり、半導体チップ裏面から観察を行うの
で表面に形成されている層を研摩又はエッチング等によ
り除去する必要がないこと主に金属等赤外線反射物質の特性を利用して観察を
行うので、シリコン基板のエッチングを行う場合におい
ても、その際の傷、ピッチ等損傷による影響を受けない
ことが優れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ゲート酸化
膜が破損した半導体チップについて上記各手法を用いて
観察及び解析を行う場合、以下のような問題がある。

【０００７】まず、機械的研摩又はエッチングにより破
損箇所を露出させてＳＥＭで観察を行う場合、上述のと
おり損傷が生じてしまう可能性が高く、特に微小な欠陥
についてはその正確な観察を行うことが難しい。

【０００８】また、赤外線を利用して裏面から観察を行
う場合、たとえ前述のように基板を所定の厚さ以下に研
摩したとしても破損箇所の特定は容易でない。その理由
について以下に説明する。図５に、一般的な半導体チッ
プにおいて反射型赤外線顕微鏡による観察を適用した場
合の模式図を示す。反射型赤外線顕微鏡（図示せず）よ
り放射された赤外線１９は通常、シリコン基板１１、及
びＨＴＯ酸化シリコン層１５を透過し、一方、金属を含
有する層であるメタル配線層１６及びゲート電極層１４
により反射される。目的とする観察箇所、すなわちゲー
ト酸化膜１２の破損箇所１３について見ると、破損によ
ってゲート電極層１４中の金属（タングステンシリサイ
ド等）とシリコン基板１１のシリコンとがアロイ層を形
成しているので、この箇所も赤外線１９を反射する。従
って、赤外線１９は破損箇所１３のアロイ層のみならず
半導体チップ１０における全ての金属層又は金属含有層
によって反射され、結果として観察される画像の中から
破損箇所１３の特定を行うことが困難となってしまうの
である。

【０００９】そこで、本発明の課題は、特にゲート酸化
膜の破損箇所特定を行う際に、前記破損箇所を容易かつ
正確に特定可能な半導体チップ不良解析方法を提供する
ことである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の半導体チップ不良解析方法は、半導体チップ
のゲート酸化膜上に形成されている各層のうち少なくと
もその一部に金属を含有する層を除去し、赤外線利用拡
大装置による観察を行って前記ゲート酸化膜の破損箇所
を特定することを特徴とする。これにより、観察時にお
いて、赤外線反射による前記ゲート酸化膜の破損箇所の
特定を妨げていた金属が除去され、前記破損箇所の特定
が容易になる。

【００１１】また、本発明の半導体チップ不良解析方法
は、半導体チップのゲート酸化膜上に形成されている各
層のうち少なくともその一部に金属を含有する層を除去
し、かつ前記半導体チップの基板の厚さを調整してその
表面を鏡面に仕上げた後、赤外線利用拡大装置により前
記基板側から観察を行って前記ゲート酸化膜の破損箇所
を特定することを特徴とする。これにより、観察時にお
いて、赤外線反射による前記ゲート酸化膜の破損箇所の
特定を妨げていた金属が除去され、前記破損箇所の特定
が容易になる。

【００１２】また、本発明の半導体チップ不良解析方法
は、前記半導体チップの基板の厚さを２００μｍ以下に
調整することを特徴とする。これにより、半導体チップ
の基板による赤外線の反射の影響が減少し、解像度が上
昇する。

【００１３】また、本発明の半導体チップ不良解析方法
は、前記半導体チップの基板を研摩してその厚さ調整及
び鏡面仕上げを行うことを特徴とする。これにより、半
導体チップの基板による赤外線の反射の影響が減少し、
解像度が上昇する。

【００１４】また、本発明の半導体チップ不良解析方法
は、前記半導体チップの基板をエッチングしてその厚さ
調整を行った後、前記基板の表面を鏡面研摩することを
特徴とする。これにより、半導体チップの基板による赤
外線の反射の影響が減少し、解像度が上昇する。

【００１５】また、本発明の半導体チップ不良解析方法
は、前記半導体チップの酸化膜上に形成されている各層
のうち除去すべき層を研摩により除去することを特徴と
する。これにより、赤外線を反射して前記ゲート酸化膜
の破損箇所の特定を妨げていた層が除去され、前記破損
箇所の特定が容易になる。

【００１６】また、本発明の半導体チップ不良解析方法
は、前記半導体チップの酸化膜上に形成されている各層
のうち除去すべき層をエッチングにより除去することを
特徴とする。これにより、赤外線を反射して前記ゲート
酸化膜の破損箇所の特定を妨げていた層が除去され、前
記破損箇所の特定が容易になる。

【００１７】また、本発明の半導体チップ不良解析方法
は、反射型赤外線顕微鏡を用いて前記半導体チップの観
察を行い、前記ゲート酸化膜の破損箇所を特定すること
を特徴とする。これにより、研摩あるいはエッチング等
により生じる傷、ピッチ等に影響されることなく不良箇
所を観察でき、破損箇所の特定が容易になる。

【００１８】本発明においては、前述のとおり反射型赤
外線顕微鏡等、赤外線利用拡大装置を利用し、半導体チ
ップ裏面(基板側)から観察を行う。特にゲート酸化膜の
破損箇所において形成されているアロイ層からの赤外線
反射により、この破損箇所を特定するものである。この
際、ゲート酸化膜上に形成されている上層各層中に赤外
線反射物質、特に金属が含有されていると、この箇所か
らも赤外線が反射されてしまい、目的とする破損箇所の
特定が困難となってしまう。そこで、そのような赤外線
反射物質を含有する上層を除去し、破損箇所の特定を容
易にするものである。前記上層をすべて除去すれば観察
が容易となることは確実であるが、少なくとも金属が含
有されている上層が除去されていればすべてを除去しな
くてもよく、それが可能であればむしろ好ましい。この
場合には目的とする破損箇所を元来の状態のままで観察
することが可能だからである。前記上層をすべて除去す
る必要がある場合には、特に観察すべき箇所の直上層除
去時において、観察箇所に対する影響がなるべく少なく
なるよう注意すべきである。

【００１９】赤外線利用拡大装置による観察に加えて、
従来のＳＥＭによるチップ表面の観察等をさらに行って
もよい。この際には、前記上層をすべて除去する必要が
あるので、赤外線利用拡大装置による観察時において前
記上層の一部を残した場合には、この部分をさらに除去
する。この場合にも前述の場合と同様に、特に観察すべ
き箇所の直上層除去時において、観察箇所に対する影響
がなるべく少なくなるよう注意すべきである。

【００２０】前記上層の除去に際しては、研摩あるいは
エッチングいずれの方法を用いてもかまわない。エッチ
ングを行う場合には、除去すべき各層の材料特性に応じ
てエッチング条件を選択するとよいが、特に観察すべき
箇所の直上層除去時において、観察箇所に対する影響が
なるべく少なくなるよう注意すべきである。

【００２１】また、観察面による赤外線の反射を抑制す
る目的から、その面を鏡面とすることが望ましい。観察
は、前記上層を除去した後の表面、あるいは裏面(基板
側)どちらから行っても良い。しかし、前述のとおり表
面側を均一に除去して鏡面に仕上げることは非常に困難
であって、特にゲート酸化膜上の層をすべて除去する際
には観察対象箇所を温存しつつ鏡面仕上げをする必要が
あり、一層困難となる。従って、観察を裏面側から行う
ことがより望ましい。

【００２２】裏面から観察を行う場合には、シリコン層
による反射の影響を少なくして解像度を上げる目的か
ら、このシリコン層の厚さを調整するとよい。具体的に
は２００μｍ以下とするのが望ましく、研摩あるいはエ
ッチングにより調整したうえで鏡面研摩仕上げとするこ
とが好ましい。研摩は、０．５μｍ以下のアルミナ粉末
により行うと良い。また、エッチングは、水酸化カリウ
ムによるウエットエッチング適用すれば良い。

【００２３】

【発明の実施形態】本発明における第一の実施形態につ
いて以下に説明する。図１において示したような構造を
持つ半導体チップ１０のゲート酸化膜１２における破損
箇所を反射型赤外線顕微鏡により特定する。このときゲ
ート酸化膜１２上に形成されたゲート電極層１４、ＨＴ
Ｏ酸化シリコン層１５、メタル配線層１６の各層のう
ち、特にゲート電極層１４とメタル配線層１６は金属を
含有する層であって赤外線を反射し、破損箇所１３の特
定を妨げてしまう。そこで、これらを上層から順に研摩
によって除去する。ゲート電極層１４は、破損箇所１３
の直上に位置する層であるから、この場合、ゲート酸化
膜１２上の各層をすべて除去し、ゲート酸化膜１２及び
破損箇所１３を露出することになる。このときの状態に
ついて図２（ａ）に示した。研摩に際しては、特にゲー
ト電極層１４除去時において、破損箇所１３への影響が
なるべく少なくなるよう慎重に研摩し、そのうえで鏡面
に仕上げる。この表観察面１７に対して反射型赤外線顕
微鏡(図示せず)を用いて観察を行うと、赤外線１９は、
ゲート酸化膜１２及びシリコン基板層１１を透過する一
方で、破損箇所１３に形成されているアロイ層により反
射されるため、この箇所を容易に特定することができ
る。

【００２４】次に、本発明における第二の実施形態につ
いて以下に説明する。第一の実施形態と全く同様にして
破損箇所１３を露出させた後、図２（ｂ）に示すよう
に、シリコン基板層１１を研摩により２００μｍ以下の
厚さに調整する。このとき、０．５μｍ以下のアルミナ
粉末により研摩を行うと良い。なお、シリコン基板１１
の厚さ調整は、水酸化カリウムを用いたウエットエッチ
ングにより行っても良いが、このときにはエッチング後
に鏡面研摩仕上げを行う。鏡面となった裏観察面１８か
ら反射型赤外線顕微鏡(図示せず)を用いて観察を行う。
赤外線１９は、ゲート酸化膜１２及びシリコン基板１１
を透過する一方で、破損箇所１３に形成されているアロ
イ層により反射されるため、この箇所を容易に特定する
ことができる。

【００２５】次に、本発明における第三の実施形態につ
いて以下に説明する。第一の実施形態と同じ構造を持っ
た半導体チップ１０の破損箇所を露出させるにあたっ
て、研摩ではなくエッチングにより上層を除去する。エ
ッチングは、各上層の材料特性に応じてドライエッチン
グ又はウエットエッチング等、選択して行う。エッチン
グ後、表観察面１７を鏡面研摩仕上げする。このときの
の状態について、図３（ａ）に示した。この後、第一の
実施形態と全く同様に、表観察面１５について観察を行
うことにより破損箇所１３を特定することができる。ま
た、第二の実施形態と同様に、シリコン基板１１の厚さ
を調整して、図３（ｂ）に示されるように裏観察面１６
から観察を行ってもよい。また、上記実施形態すべてに
関して、このようにして観察を行った後に、従来のＳＥ
Ｍによる観察を行ってもよい。

【００２６】次に、本発明における第四の実施形態につ
いて以下に説明する。本実施形態においては、図４
（ａ）に示すような構造を持った半導体チップ１０につ
いて、そのゲート酸化膜１２の破損箇所１３を特定す
る。この場合、ゲート酸化膜１３の直上の層であるゲー
ト電極層１４は金属を含有する上層１４Ａ及び金属を含
有しない下層１４Ｂからなり、赤外線１７は下層１４Ｂ
を透過する。したがって、この下層３１Ｂを除去する必
要はない。そこで、下層１４Ｂ上の各層を研摩によって
除去し、表面を鏡面仕上げする。このときの状態を図４
（ｂ）に示す。その後、表観察面１５から反射型赤外線
顕微鏡（図示せず）を用いて観察を行い、破損箇所１３
を特定する。このとき、赤外線１９は、下層１４Ｂ、ゲ
ート酸化膜１２及びシリコン基板１１を透過する一方、
破損箇所１３に形成されているアロイ層により反射され
るので、破損箇所１３を容易に特定することができる。
また、破損箇所１３を露出する必要がないので上層除去
作業による破損箇所１３への影響がなく、破損箇所１３
を元来の状態のままで観察することが可能である。ま
た、裏観察面１８から観察を行う場合には、第二の実施
形態と全く同様の手法により観察を行うことが可能であ
る。さらに、ＳＥＭによる観察を行いたい場合には、残
留させた下層１４Ｂを研摩又はエッチングにより改めて
除去したのちに観察を行うとよい。

【００２７】

【実施例】本発明の第一の実施例を以下に示す。本実施
例において使用する半導体チップは、図１に示されるよ
うな構造を持つものであり、製作時においてそのゲート
酸化膜１２の一部分に故意に径１〜３μｍ程度の破損箇
所１３を生じさせ、シリコン基板１１とタングステンシ
リサイドからなるゲート電極層１４との間にアロイ層を
形成させたものである。このチップを上層より順に研摩
し、ゲート酸化膜１２を完全に露出させ、かつその表面
を鏡面研摩仕上げしたものを４個用意した。また、研摩
ではなく、エッチングによってゲート酸化膜１２を完全
に露出させ、かつその表面を鏡面研摩仕上げしたものに
ついても４個用意した。エッチングは、メタル配線層１
６についてはリン酸によるウエットエッチング、ＨＴＯ
酸化シリコン層１５についてはプラズマによるドライエ
ッチング、ゲート電極層４１についてはリン酸によるウ
エットエッチングをそれぞれ適用し、上層より順に行っ
た。これらについて、反射型赤外線顕微鏡を使用してゲ
ート酸化膜１２表面の観察をそれぞれ行った結果、試料
すべてについて破損箇所１３のアロイ層による反射画像
が明瞭に観察され、破損箇所１３を容易に特定すること
ができた。

【００２８】次に、本発明の第二の実施例を以下に示
す。本実施例は、第一の実施例において観察を行った試
料について、さらにシリコン基板１１の厚さ調整を行っ
て、半導体チップ１０の裏面（シリコン基板１１側）か
ら反射型赤外線顕微鏡を用いて観察を行うものである。
第一の実施例において、上層を研摩により除去した試料
及びエッチングにより除去した試料それぞれについてこ
れを半数づつ分け、一方については研摩により、もう一
方についてはエッチングによりシリコン基板１１の厚さ
を２００μｍに調整した。研摩は０．５μｍのアルミナ
粉末を使用して行った。エッチングは水酸化カリウムに
よるウエットエッチングを適用して行い、表面を鏡面研
摩仕上げした。この面から反射型赤外線顕微鏡を用いて
観察を行った。その結果、試料すべてについて破損箇所
１３のアロイ層による反射画像が明瞭に観察され、破損
箇所１３を容易に特定することができた。

【００２９】次に、本発明の第三の実施例について以下
に示す。本実施例本実施例において使用する半導体チッ
プは第一及び第二の実施例とほぼ同様の構造であるが、
ゲート電極層が、図４に示されるようにタングステンシ
リサイドからなる上層１４Ａ及びポリシリコンからなる
下層１４Ｂの２層からなっている。この半導体チップの
製作時において、ゲート酸化膜１２の一部分に対して故
意に径１〜３μｍ程度の破損箇所１３を生じさせ、シリ
コン基板１１と上層のゲート電極上層１４Ａとの間にア
ロイ層を形成させたものである。この半導体チップ１０
では、ゲート酸化膜１２の直上のゲート電極下層１４Ｂ
はポリシリコンからなり、金属が含有されていないの
で、ゲート酸化膜１２を露出させずに前記ゲート電極下
層３１Ｂが露出した段階で除去作業を終了した。第一の
実施例と同様、除去を研摩により行ったものを４個、エ
ッチングにより行ったものを４個用意した。研摩及びエ
ッチングの方法は、実施例１と同様である。それぞれに
ついて鏡面となった表面を、反射型赤外線顕微鏡により
観察を行った。その結果、試料すべてについて破損箇所
１３のアロイ層による反射画像が明瞭に観察され、破損
箇所１３を容易に特定することができた。また、これら
試料について第二の実施例と全く同様の手順によりシリ
コン基板１１の厚さ調整を行い、その後に半導体チップ
１０裏面（シリコン基板１１側）から反射型赤外線顕微
鏡を用いて観察を行った。その結果、試料すべてについ
て破損箇所１３のアロイ層による反射画像が明瞭に観察
され、破損箇所１３を容易に特定することができた。

【００３０】上記各実施例に対する比較例として、第一
の実施例において調整した半導体チップについて、ゲー
ト酸化膜上の各層を除去せずにそのままの状態で表面及
び裏面から反射型赤外線顕微鏡を使用して観察を行っ
た。いずれの場合にも、メタル配線層、ゲート電極等金
属を含有する層による赤外線反射画像が強く、ゲート酸
化膜の破損箇所を特定することはできなかった。また、
第一の実施例において観察に供した試料について、さら
にＳＥＭによる表面観察を行った。その結果、研摩ある
いはエッチング作業時において発生したと思われる傷、
ピット等が顕著で、目的とする破損箇所を特定すること
が非常に困難であった。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、特にゲ
ート酸化膜の破損箇所特定を行う際に、前記破損箇所を
容易かつ正確に特定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体チップの構造を説明する図である。

【図２】本発明の第一及び第二の実施形態を説明する
図である。

【図３】本発明の第三の実施形態を説明する図であ
る。

【図４】本発明の第四の実施形態を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１０半導体チップ１１シリコン基板１２ゲート酸化膜１３破損箇所１４ゲート電極層１４Ａ上層１４Ｂ下層１５ＨＴＯ酸化シリコン層１６メタル配線層１７表観察面１８裏観察面１９赤外線

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体チップのゲート酸化膜上に形成さ
れている各層のうち少なくともその一部に金属を含有す
る層を除去し、赤外線利用拡大装置による観察を行って
前記ゲート酸化膜の破損箇所を特定することを特徴とす
る半導体チップ不良解析方法。
【請求項２】半導体チップのゲート酸化膜上に形成さ
れている各層のうち少なくともその一部に金属を含有す
る層を除去し、かつ前記半導体チップの基板の厚さを調
整してその表面を鏡面に仕上げた後、赤外線利用拡大装
置により前記基板側から観察を行って前記ゲート酸化膜
の破損箇所を特定することを特徴とする半導体チップ不
良解析方法。
【請求項３】前記半導体チップの基板の厚さを２００
μｍ以下に調整することを特徴とする請求項２に記載の
半導体チップ不良解析方法。
【請求項４】前記半導体チップの基板を研摩してその
厚さ調整及び鏡面仕上げを行うことを特徴とする請求項
２又は請求項３に記載の半導体チップ不良解析方法。
【請求項５】前記半導体チップの基板をエッチングし
てその厚さ調整を行った後、前記基板の表面を鏡面研磨
することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の半
導体チップ不良解析方法。
【請求項６】前記半導体チップの酸化膜上に形成され
ている各層のうち除去すべき層を研磨により除去するこ
とを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の
半導体チップ不良解析方法。
【請求項７】前記半導体チップの酸化膜上に形成され
ている各層のうち除去すべき層をエッチングにより除去
することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に
記載の半導体チップ不良解析方法。
【請求項８】反射型赤外線顕微鏡を用いて前記半導体
チップの観察を行い、前記ゲート酸化膜の破損箇所を特
定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項
に記載の半導体チップ不良解析方法。