半导体器件失效分析样品及其制备方法、失效分析方法与流程

本发明涉及半导体器件制造技术领域，尤其涉及一种半导体器件失效分析样品及其制备方法、失效分析方法。

背景技术：

一般来说，集成电路在研制、生产和使用过程中失效不可避免。随着人们对产品质量和可靠性要求的不断提高，失效分析工作也显得越来越重要，通过芯片失效分析，可以帮助集成电路设计人员找到设计上的缺陷、工艺参数的不匹配或设计与操作中的不当等问题。具体来说，失效分析的意义主要表现在以下几个方面：1)失效分析是确定芯片失效机理的必要手段；2)失效分析为有效的故障诊断提供了必要的信息；3)失效分析为设计工程师不断改进或者修复芯片的设计，使之与设计规范更加吻合提供必要的反馈信息；4)失效分析可以评估不同测试向量的有效性，为生产测试提供必要的补充，为验证测试流程优化提供必要的信息基础。

在失效分析过程中，往往需要对样品芯片内固定的某一层或多层的内部结构电路进行观察和分析。随着制程的不断提高，产品元器件的最小尺寸在不断缩小，产品的厚度也在不断缩小，有些功能简单的产品其厚度尤其小。怎样对越来越薄的单个产品进行研磨和观察成为失效分析的难题。

请参考图1a，目前常用的一种方法是先去除包裹超薄样品10的封装膜塑，然后利用导电石蜡12将超薄样品10粘贴在稍大的厚晶片11上再进行处理，结合图1a和1b所示，具体步骤如下：

s101，样品10去封装；

s102，清洁样品10；

s103，加热厚晶片11并在厚晶片11上铺设导电石蜡12；

s104，通过导电石蜡12使样品10粘在厚晶片11上；

s105，对样品10进行研磨去层操作，以获得较佳的失效分析表面；

s106，通过扫描电子显微镜(sem)观测样品10。

发明人发现，上述方法除了耗时较长以外，还存在以下缺点：

1.由于导电石蜡12柔软的特性，实际操作中位于厚晶片11上方的样品10的边缘以及表面均容易受到导电石蜡12的沾污；

2.由于纤薄的样品10与周围的导电石蜡12的材质不同，且样品10的边缘与厚晶片11暴露的上表面(即未被导电石蜡12和样品10覆盖的部分)相比有一个高度差，这会导致样品10在被研磨处理时其边缘的研磨速度要快于其中间部位，容易造成样品10表面的整体高度的不均匀；

3.由于导电石蜡12与样品10本身的膨胀系数差异较大，容易造成样品10弯曲，在后续的研磨过程中，样品10的弯曲会使其研磨层次变化梯度大，样品10局部表面非常不平整，容易破碎。

因此，需要一种新的半导体器件失效分析样品及其制备方法、失效分析方法，以避免样品观测表面的污染以及研磨高度不均性，提高样品制备的成功率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种半导体器件失效分析样品及其制备方法、失效分析方法，以避免样品观测表面的污染以及研磨高度不均性，提高样品制备的成功率。

为解决上述问题，本发明提出一种半导体器件失效分析样品的制备方法，包括：

提供一半导体器件样品以及一用于承载所述半导体器件样品的载体；

在所述载体上形成用于容纳所述半导体器件样品的承载槽，所述承载槽的深度大于所述半导体器件样品的厚度；

在所述承载槽周围的载体上形成至少一条连通所述承载槽的导流沟槽；

在所述承载槽中放入导电粘合剂；

将所述半导体器件样品放入所述承载槽中，并压合所述半导体器件样品直至所述半导体器件样品的上表面不高于其周围的承载槽的台阶表面，多余的导电粘合剂流入所述导流沟槽；

对所述半导体器件样品的上表面进行研磨，以获得失效分析样品。

进一步的，所述导流沟槽的数量为多个，多个所述导流沟槽均匀分布在所述承载槽周围。

进一步的，所述承载槽以及所述导流沟槽均采用刻蚀工艺形成。

进一步的，所述承载槽以及所述导流沟槽均采用湿法刻蚀工艺、干法刻蚀工艺或激光刻蚀工艺形成。

进一步的，在所述承载槽中放入导电粘合剂之后，将所述半导体器件样品放入所述承载槽中之前，在所述载体以及所述导电粘合剂的表面上形成一层加强导电层。

进一步的，所述加强导电层的材料包括金、银和铂中的至少一种。

进一步的，采用蒸镀或者溅射沉积工艺形成所述加强导电层。

进一步的，所述加强导电层的厚度为5nm～100nm。

进一步的，所述导电粘合剂为导电石蜡或导电胶。

进一步的，所述导电胶包括环氧树脂导电胶、有机硅树脂导电胶、聚酰亚胺树脂导电胶、酚醛树脂导电胶、聚酯树脂导电胶、聚氨酯树脂导电胶以及丙烯酸树脂导电胶中的至少一种。

进一步的，在所述承载槽中放入导电粘合剂后，对所述载体进行加热或紫外光照射，直至所述导电粘合剂融化。

进一步的，对所述载体进行加热的温度为30℃～150℃；进行紫外光照射的时间为5s～20s。

进一步的，所述半导体器件样品包括封装覆膜，在将所述半导体器件样品放入所述承载槽中之前，去除所述半导体器件样品表面的封装覆膜。

进一步的，采用化学试剂腐蚀工艺或者机械抛光工艺去除所述半导体器件样品表面的封装覆层。

进一步的，所述化学试剂腐蚀工艺中使用的化学试剂为发烟硝酸或者氢氟酸。

进一步的，去除所述半导体器件样品表面的封装覆膜后，清洁所述半导体器件样品。

进一步的，采用超声波清洗工艺清洁所述半导体器件样品。

进一步的，所述超声波清洗工艺中使用的清洗液为去离子水、无水乙醇或者丙酮溶液。

本发明还提供一种半导体器件失效分析样品，包括：

半导体器件样品；

载体，所述载体上设置有承载槽以及至少一条连通所述承载槽的导流沟槽，所述承载槽容纳所述半导体器件样品，且所述半导体器件样品的上表面与周围的承载槽台阶表面齐平或者低于周围的承载槽台阶表面；

导电粘合剂，位于所述承载槽中，用于粘接所述承载槽的底部表面与所述半导体器件样品的下表面。

进一步的，所述导流沟槽的数量为多个，所述多个导流沟槽均匀分布在所述承载槽周围。

进一步的，所述导流沟槽的数量为四个，四个所述导流沟槽呈十字状分布。

进一步的，所述的半导体器件失效分析样品还包括加强导电层，所述加强导电层形成于所述导电粘合剂上表面与所述半导体器件样品下表面之间以及所述承载槽侧壁与所述半导体器件样品侧壁之间。

进一步的，所述加强导电层的材料包括金、银和铂中的至少一种。

本发明还提供一种半导体器件失效分析方法，包括：

根据上述的半导体器件失效分析样品的制备方法制备一半导体器件失效分析样品，或者提供一如上述的半导体器件失效分析样品并对其上表面进行研磨；

对所述半导体器件失效分析样品进行失效分析。

进一步的，采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、聚焦离子束显微镜或者微光显微镜对所述半导体器件失效分析样品进行观测。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

1.由于载体中的承载槽以及导流沟槽的设置，在将半导体器件样品粘合至承载槽中时，多余的导电粘合剂会受到半导体器件样品底部以及侧壁的挤压，从而可以通过承载槽周围的导流沟槽直接导走，因此可以保证半导体器件样品表面不受到导电粘合剂的污染，提高制备成功率；

2.由于载体中的承载槽的深度和宽度是根据半导体器件样品的规格量身定制的，因此可以保证半导体器件样品上表面等于或者略低于载体上表面，进而使得半导体器件样品上表面在被研磨处理时其边缘和中间部位的研磨速度相同，样品表面研磨均匀，不容易破碎，提高制备成功率；

3.由于半导体器件样品压合至承载槽中时，导电粘合剂主要位于半导体器件样品的底部，在后续的研磨过程中，导电粘合剂即使会膨胀，也是均匀膨胀的，因此导电粘合剂与半导体器件样品的膨胀系数差异不会造成样品表面的弯曲，最终获得失效分析样品表面平整、均匀，不容易破碎，提高制备成功率；

4.承载槽和导流沟槽的设置，可以大大降低了半导体器件样品的上表面的研磨难度，进而可以减少失效分析样品制备的操作时间。

附图说明

图1a是现有技术中的一种半导体器件失效分析样品的剖面结构示意图；

图1b是现有技术中的一种半导体器件失效分析样品的制备方法流程图；

图2是本发明具体实施例的半导体器件失效分析样品的制备方法流程图。

图3a至3e是图2所示的制备方法中的器件结构剖视图及俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。

请参考图2，本实施例提出一种半导体器件失效分析样品的制备方法，包括：

s201，提供一半导体器件样品以及一用于承载所述半导体器件样品的载体；

s202，在所述载体上形成用于容纳所述半导体器件样品的承载槽，所述承载槽的深度大于所述半导体器件样品的厚度；

s203，在所述承载槽周围的载体上形成至少一条连通所述承载槽的导流沟槽；

s204，在所述承载槽中放入导电粘合剂；

s205，将所述半导体器件样品放入所述承载槽中，并压合所述半导体器件样品直至所述半导体器件样品的上表面不高于其周围的承载槽的台阶表面，多余的导电粘合剂流入所述导流沟槽；

s206，对所述半导体器件样品的上表面进行研磨，以获得失效分析样品。

请参考图3a，在步骤s201中，提供的待观测的半导体器件样品30可以是透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscope，以下简称tem)样品、扫 描电子显微镜(scanningelectronmicroscope，以下简称sem)样品、聚焦离子束显微镜(focusionbeammicroscope，fib)样品或者微光显微镜(emissionmicroscope,以下简称emmi)样品。其中tem是电子显微学的重要工具，tem通常用于检测组成半导体器件的薄膜的形貌、尺寸和特征等。将tem样品放入tem观察室后，tem的主要工作原理为：高能电子束穿透tem样品时发生散射、吸收、干涉及衍射等现象，使得在成像平面形成衬度，从而形成tem样品的图像，后续在对图像进行观察、测量以及分析，用于tem失效分析的tem样品可以是一个约100纳米厚度的薄片样品，这种超薄样品通常需要通过平面制样(planview)的方式来获得。sem是最常使用的失效分析设备，其主要的工作原理是高能电子入射固体样品表面，与样品的原子核和核外电子发生弹性或非弹性散射，激发样品产生各种物理信号，利用电子检测器，接收信号形成图像。利用sem可以对样品截面或表面进行细微的观察以及对待测样品的成分进行确认等。sem放大倍数可以从上千倍到数十万倍，分辨率达到3nm，一个样品可以检查数千甚至数万个mos晶体管，因而可以满足现阶段乃至未来数十年集成电路微观结构观察的需求。fib目前广泛应用于半导体电子产业及集成电路(ic)工业上，fib的工作原理是通过一种重金属离子撞击样品来有效控制去除材料，其利用高能离子束(ib)入射固体样品，与样品的原子核和核外电子发生弹性或非弹性散射，激发样品产生二次电子，通过电子束(eb)扫描器或者检测器，接收所产生的二次电子信号形成图像来进行观测。emmi是一种相当有用且效率极高的分析工具，能够侦测集成电路(ic)内部所放出光子，主要用于漏电类失效的定点分析，其主要工作原理是利用了半导体的发光现象，在存在着漏电、击穿、热载流子效应的器件中，会有光子从失效点发射出来，对样品加上电压即可通过显微镜定位失效部位。

本实施例中，在步骤s201中提供的半导体器件样品30具有上表面(即正面，用于失效分析)和下表面(即背面或底面，用于粘接)，其至少一个表面上包裹有封装覆膜(未图示)，该封装覆膜主要是用于防止水气等进入半导体器件样品30，避免引起半导体器件样品30表面氧化等，其材料可以是聚合物，例如环氧树脂等。在将所述半导体器件样品30放置到载体31上之前，需要去除该封装覆膜，具体地，可以采用化学试剂腐蚀工艺或者机械抛光工艺去除所述半导体器件样品表面的封装覆层。其中，所述化学试剂腐蚀工艺中使用的化学试 剂可以是发烟硝酸或者氢氟酸，当然，本领域技术人员可以根据封装覆层的具体材质选择对应的化学试剂。在去除所述半导体器件样品表面的封装覆膜后，优选清洁所述半导体器件样品30，以提供结晶的处理表面，本实施例中，采用超声波清洗工艺清洁所述半导体器件样品，即将半导体器件样品30放入到去离子水、无水乙醇或者丙酮溶液等溶液中进行超声波常温恒温振荡，振荡时间为30s～10min，以将残留在半导体器件样品30表面的残渣去掉，并在取出半导体器件样品30后自然干燥或者使用氮气对其干燥。

在步骤s201中，提供的载体31可以是纯硅(si)衬底、绝缘体上硅(soi)衬底、锗硅(sige)衬底、碳硅(sic)衬底、氧化铝(al2o3)衬底或砷化镓(gaas)衬底、石英(sio2)衬底等，这些衬底也可以称之为“晶片”，也可以是具有一些测试引脚的晶片，还可以是玻璃或塑料。优选的，载体上表面是一层与半导体器件样品的待研磨层的材质相同且厚度大于等于该待研磨层的材料层。

请参考图3b，在步骤s202中，采用湿法刻蚀、干法刻蚀、激光刻蚀等刻蚀方式在载体31表面形成承载槽310，其中承载槽310的形状、深度以及长宽比等均由半导体器件样品30的规格决定，当半导体器件样品30压合至承接槽310且通过其中的导电粘合剂粘接牢固时，承接槽310的最佳深度恰好使得此时的半导体器件样品30的上表面与其周围其他暴露表面齐平，即当载体31上表面无其他层时，粘接好的半导体器件样品30的上表面与载体31的上表面齐平，若载体31上表面有其他层时，粘接好的半导体器件样品30的上表面与其周围的载体31上的顶层表面齐平(如图3e中半导体器件样品30的上表面与其周围的载体31上的加强导电层33的上表面)，承接槽310的最佳宽度恰好能够夹住粘接好的半导体器件样品30。当然，为了减小承接槽的刻蚀难度，本领域技术人员可以直接将承接槽310的规格刻蚀至略大于半导体器件样品30的规格，即，所述承载槽310的深度大于所述半导体器件样品30的厚度与后续放入的导电粘合剂的厚度之和(如图3d所示)，所述承载槽310的宽度大于所述半导体器件样品30的宽度。

请继续参考图3b，在步骤s203中，在所述承载槽310周围的载体31上刻蚀出至少一条连通所述承载槽310的导流沟槽311，其中导流沟槽311的刻蚀工艺可以与承载槽310的刻蚀工艺相同，也可以不同，导流沟槽311的深度与承载槽310相同，用于分流的多余导电粘合剂。本实施例中采用激光刻蚀工艺在 载体31表面形成了一个承载槽310以及围绕承载槽310并与承载槽310连通的4条均匀分布的导流沟槽311，4条导流沟槽311呈十字状分布。其中，激光刻蚀工艺中使用的激光束的波长为150nm至250nm，例如是波长为193nm或248nm的激光束。在本发明的其他实施例中，导流沟槽的数量大于等于1，当大于2时，较佳的，所有导流沟槽均匀分布在所述承载槽周围。

请参考图3c，在步骤s204中，在所述承载槽310中可以放入固态或者流体状的导电粘合剂32。导电粘合剂32可以为导电石蜡或导电胶，所述导电胶包括环氧树脂导电胶、有机硅树脂导电胶、聚酰亚胺树脂导电胶、酚醛树脂导电胶、聚酯树脂导电胶、聚氨酯树脂导电胶以及丙烯酸树脂导电胶中的至少一种。优选的，在承载槽310中放入固态的导电粘合剂32，该导电粘合剂32能够在加热或者紫外光照射下变为流体，以给予将所述半导体器件样品30放入承载槽310中压合粘接的充分操作时间，同时保证实现较佳的粘接性能。在放入半导体器件样品30之前，加热或者紫外光照射载体31即可使固态的导电粘合剂32融化，然后在放入半导体器件样品30之后，常温环境下导电粘合剂32慢慢恢复固态并将承载槽310与半导体器件样品30粘接在一起。其中，对载体31进行加热的温度和时间或者进行紫外光照射的时间取决于导电粘合剂32的性质，例如导电粘合剂32为导电石蜡时，对载体31进行加热的温度可以选择为30℃～150℃；导电粘合剂32为环氧树脂导电粘合剂时，对所述载体进行紫外光照射的时间可以选择为5s～20s。

进一步的，为了增加导电粘合剂整体的导电性，减少后续失效分析观察时的电荷积累，可以在放入导电粘合剂32后，在导电粘合剂32的表面上蒸镀一层由金、银或铂等导电金属形成的加强导电层33，导电粘合剂32在加热或者紫外光照射后变为流体时，可以与该加强导电层33混合，从而大大增强了导电粘合剂32整体的导电性，进而可以在后续失效分析观察时及时导走积累的电荷。形成的加强导电层33可以仅位于承载槽310中的导电粘合剂32的表面以及暴露的承载槽310的底部表面上，也可以位于除导流沟槽311表面之外的所有载体表面以及承载槽310中的导电粘合剂32的表面上。在本发明的其他实施例中，还可以采用溅射或者气相沉积工艺形成所述加强导电层33，形成的加强导电层的厚度为5nm～100nm。

请参考3d和3e，在步骤s205中，将半导体器件样品30放入所述承载槽 310中，轻压半导体器件样品30，使之与承载槽310底部较好的粘接，轻压的最佳状态是使半导体器件样品30下表面与承载槽310底部粘接较好且半导体器件样品30上表面与加强导电层33的上表面齐平(如图3e所示)。这样，可以使得在步骤s206中对半导体器件样品30的上表面研磨时，可以保证研磨的均匀性。当然由于刻蚀的承载槽310的深度略大于半导体器件样品30的厚度，所以为了使半导体器件样品30与承载槽310底部有较好的粘接，也可以略微过压半导体器件样品30，使半导体器件样品30上表面略低于加强导电层33，甚至是略低于周围的载体31的上表面(如图3d所示)，这种情况下，在步骤s206中对半导体器件样品30的上表面研磨时，可以先研磨去除高于半导体器件样品30的上表面的部分，然后对半导体器件样品30的上表面连同周围载体一起进行均匀性较好的研磨。无论半导体器件样品30的上表面与其周围的台阶表面的高低如何，在轻压半导体器件样品30过程中，多余的导电粘合剂32会从承载槽310底部流入所述导流沟槽311，进而被导走，从而可以保证半导体器件样品30的上表面的洁净度，以及避免半导体器件样品30的上部边缘被污染。

在步骤s206中，可以对所述半导体器件样品30的上表面采用研磨精细度递增的方式分阶段进行研磨，以获得失效分析样品。例如先采用粒度为1μm～5μm的氮化硅砂纸配合粒度为0.5μm～1μm的金刚石研磨液对半导体器件样品30的上表面进行粗研磨，去除半导体器件样品30上表面的钝化层等；然后，再采用粒度为0.01μm～0.5μm的氮化硅砂纸配合粒度为0.05μm～0.1μm的金刚石研磨液对半导体器件样品30的上表面进行初步研磨，直至暴露出半导体器件样品30上表面的待观察层；最后用研磨抛光机配合粒度为0.001μm～0.05μm的抛光液或抛光粉对待观察层表面进行抛光，形成失效分析样品。

请参考3b，并结合图3d或图3e所示，本实施例还提供一种半导体器件失效分析样品，包括：

半导体器件样品30；

载体31，所述载体31上设置有承载槽310以及至少一条连通所述承载槽310的导流沟槽311，所述承载槽310容纳所述半导体器件样品30，且所述半导体器件样品30的上表面与周围的承载槽310侧壁的台阶表面齐平或者低于周围的承载槽310侧壁的台阶表面；

导电粘合剂32，位于所述承载槽310中，并用于粘接所述承载槽310的底 部表面与所述半导体器件样品30的下表面；

加强导电层33，形成于所述导电粘合剂32上表面与所述半导体器件样品30下表面之间、所述承载槽310侧壁与所述半导体器件样品30侧壁之间以及所述承载槽310周围的载体31的上表面上，其中，加强导电层33的材质可以包括金、银和铂中的至少一种。

在本发明的其他实施例中，导电粘合剂32的导电性较强的情况下，可以省略加强导电层33；导流沟槽的数量优选为多个，且所有导流沟槽均匀分布在所述承载槽周围，例如图3b所示的导流沟槽的数量为四个，四个所述导流沟槽呈十字状分布。

本发明还提供一种半导体器件失效分析方法，包括以下步骤：

提供上述的半导体器件失效分析样品；

对所述半导体器件失效分析样品的上表面进行研磨，直至暴露出待观察层；

采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜或者微光显微镜对所述半导体器件失效分析样品进行观测。

本发明还提供一种半导体器件失效分析方法，包括以下步骤：

首先，提供一半导体器件样品以及一用于承载所述半导体器件样品的载体；

接着，在所述载体上形成用于容纳所述半导体器件样品的承载槽，所述承载槽的深度大于所述半导体器件样品的厚度；

然后，在所述承载槽周围的载体上形成至少一条连通所述承载槽的导流沟槽；

接着，在所述承载槽中放入导电粘合剂；

然后，将所述半导体器件样品放入所述承载槽中，并压合所述半导体器件样品直至所述半导体器件样品的上表面不高于其周围的承载槽的台阶表面，多余的导电粘合剂流入所述导流沟槽；

接着，对所述半导体器件样品的上表面进行研磨，以获得失效分析样品；

然后，采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜或者微光显微镜对所述半导体器件失效分析样品进行观测。

综上所述，本发明提供的技术方案，通过在载体上开设一个与半导体器件 样品相符的承载槽以及开设至少一个连通承载槽的导流沟槽，并在所开的承载槽中放置导电粘合剂，加热或者紫外光照射载体使导电粘合剂熔融，最后将半导体器件样品放置在承载槽中，轻压半导体器件样品使之与承载槽侧壁的台阶表面齐平，这样就避免了导电粘合剂对样品表面的污染，更重要的是在研磨去层时避免了样品表面不均匀研磨现象的出现。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。