专利名称：一种芯片失效分析方法
技术领域：
本发明涉及半导体失效分析领域，特别涉及一种芯片失效分析方法。
背景技术：
在现代集成电路制造工艺中，芯片加工需要经历一系列化学、光学、冶金、热加工等工艺环节。每道工艺都可能引入各种各样的缺陷。与此同时由于特征尺寸的不断缩小， 各类加工设施成本也急剧上升，因此器件缺陷造成的损失代价极为高昂。在这种条件下，通过验证测试，分析失效原因，减少器件缺陷就成为集成电路制造中不可少的环节。通过失效分析工作，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，同时也帮助集成电路应用人员发现使用设计或操作不当等问题。失效分析常用方法有很多，大致分为硬方法(Hard Method)和软方法 (SoftMethod)两种。硬方法主要包括使用光电显微镜等硬件设备来检查和确定失效原因， 从而改进工艺过程。目前，这些用于诊断、失效分析的系统和先进的分析设备仪器包括电子束探针(Ε-beam probe)诊断系统、离子束修补系统(FIB-Focused Ion Beam)、红外热像仪、 扫描电镜(SEM-karming ElectronMicroscopy)、共聚焦显微镜、半导体参数分析仪等。失效分析人员通过使用这些仪器，就能对芯片各表层和纵向剖面进行分析，准确定位芯片缺陷，提供完整的失效分析报告。目前的现有技术中，芯片失效分析方法通常采用化学机械研磨的方法对芯片逐层剥离进而采用上述的硬方法来检查和确定芯片是否失效。以非易失性Flash存储器芯片为例，如图1所示为Flash存储器芯片的侧面结构剖视图，该芯片包括衬底1，衬底1内具有有源区2(源漏区)，衬底1上依次形成有栅氧层3、控制栅极4和金属层5，其中，栅氧层3为氧化硅、氮化硅、氧化硅的层叠结构，即0N0结构，氮化硅用于存储电荷；栅极4由第一多晶硅层41和第二多晶硅层42构成；金属层5根据布线要求可以设置一层或多层，作为示意， 图中画出了三层。由于栅极4的底部线宽对于Flash存储器的读、写及擦除性能有着重要的影响，因此，针对该Flash存储器芯片的失效分析主要通过测量栅极4底部尺寸，即第一多晶硅层41底部的长与宽来进行，当获得第一多晶硅层41的底部尺寸之后，再通过观察与比较来判断该栅极是否存在引起芯片失效的缺陷特征。由于第一多晶硅层41之上还覆盖有栅极第二多晶硅层42和金属层5，为能够直接观测到栅极第一多晶硅层41的底部进而测量其特征尺寸，现有技术中，通常采用化学机械研磨法从芯片正面逐层剥离金属层5、栅极第二多晶硅层42、栅极第一多晶硅层41直至露出第一多晶硅层41的底部，然后采用扫描电镜SEM或透视电镜TEM来检查栅极第一多晶硅层41的底部长宽等尺寸。但事实上，采用此方法研磨剥离栅极第一多晶硅层41时是很难准确的剥离停留至第一多晶硅层41的底部的，操作人员经常会研磨至芯片的栅氧层3或有源区2。即使研磨最终停留在了非常靠近第一多晶硅层41底部的区域，由于研磨偏差或者厚度不均等因素，最终测得的第一多晶硅层41底部的尺寸也容易产生误差，这样就很容易给工程师解决问题造成误导，并且每观察大概10个左右的第一多晶硅层41底部尺寸就需要4小时。由此可见，现有技术采用的方法效率很低，成功率很小，得到的数据也不准确。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种芯片失效分析方法，以解决在芯片的失效分析中很难精准高效地研磨剥离到栅极第一层多晶硅的底部以测得其底部准确尺寸参数的问题。为解决上述技术问题，本发明提供一种芯片失效分析方法，用于检测引起芯片失效的缺陷特征，包括以下步骤通过机械研磨去除进行失效分析的芯片的衬底和有源区的大部分；通过湿法刻蚀去除芯片残存的衬底和有源区；通过干法刻蚀去除芯片的栅氧层的大部分，保留的部分栅氧层用于保护栅极第一
多晶娃层；检测所述第一多晶层是否存在缺陷特征。可选的，所述芯片失效分析方法的步骤还包括在进行机械研磨之前将进行失效分析的芯片正面朝下用粘合剂粘贴到承载台上。可选的，所述进行失效分析的芯片可以是一个完整的芯片，也可以是切割下的芯片的一部分。可选的，所述承载台的材质为玻璃。可选的，所述机械研磨可通过将承载台及芯片放入自动研磨装置中进行全自动研磨来实现。可选的，所述机械研磨采用手工托举承载台将样品压在研磨机上实现对芯片的机械研磨。可选的，所述通过湿法刻蚀去除芯片残存的衬底和有源区的步骤包括将芯片连同承载台一同放入到加入了异丙醇的加热的弱碱性溶液中，直至将芯片上残存的衬底和有源区完全去除。可选的，所述加热的弱碱性溶液的温度为80_85°C。可选的，所述弱碱性溶液为浓度低于40%的氢氧化钾溶液。可选的，所述湿法刻蚀去除芯片残存的衬底和有源区的步骤还包括将芯片连同承载台放入双氧水中数分钟后捞出，使用去离子水对芯片进行清洗并使芯片干燥。可选的，所述双氧水的温度为50_90°C。可选的，采用高真空扫描电镜或低真空扫描电镜检测所述第一多晶层是否存在缺陷特征。优选低真空扫描电镜。本发明提供的芯片失效分析方法可将芯片准确剥离至栅极第一层多晶硅的底部， 测得其底部的精确尺寸参数，并且熟练的操作人员采用本发明的方法进行失效分析可在2 小时之内就完成所有栅极第一层多晶硅的底部尺寸的观测，大大提高了工作效率，节省了时间成本。
图1为Flash存储器芯片的侧面结构剖视2d为本发明所述芯片失效分析方法步骤示意图；图3为本发明所述芯片失效分析方法的流程图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。本发明所述的芯片失效分析方法可广泛应用于存储器芯片及其他半导体芯片的失效分析，并且可以利用多种替换方式实现，下面是通过较佳的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，示意图不依一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。以下以Flash存储器芯片的失效分析为例详细说明本发明方法。请首先参阅图1，图1所示为Flash存储器芯片的侧面结构剖视图。如图1所示， 芯片的结构如在背景技术里所详述的，包括衬底1，衬底ι内具有有源区2(源漏区)，衬底 1上依次形成有栅氧层3、控制栅极4和金属层5，其中栅极4由第一多晶硅层41和第二多晶硅层42构成。由于栅极的第一层多晶硅41控制晶体管，影响着芯片的读、写及擦除等操作，其底部的长宽尺寸决定了有源器件的栅长，并会影响晶体管的性能，因而其底部的长宽尺寸已成为产品的重要的尺寸参数。因此，在针对芯片的栅长进行失效分析时，需测量栅极的第一层多晶硅41底部的长宽尺寸参数。现有技术中通常从芯片正面的金属层5开始，通过机械研磨逐层剥离掉栅极的第二层多晶硅42、栅极的第一层多晶硅41，直至露出栅极的第一层多晶硅41的底部进而进行测量其长宽尺寸，本发明的芯片失效分析方法则从芯片的背面衬底1开始，通过机械研磨和刻蚀相结合的方法使栅极的第一层多晶硅41底部能够最终完整地显露出来，进而测得其准确的长宽尺寸数据。以下结合2d和图3详细说明本发明的芯片失效分析方法。2d 为本发明所述芯片失效分析方法步骤示意图，图3为本发明所述芯片失效分析方法的流程图。图加-图2d中的芯片结构与图1的芯片结构相同，因本在发明方法中金属层1和栅极的第二层多晶硅2不需要提及故图的芯片结构中没有将其标出。首先，如图加所示，将需进行失效分析的芯片的金属层面朝下用粘合剂8粘贴到承载台9上。采用本发明方法进行失效分析的芯片可以是一个完整的芯片，也可以是切割下的芯片的一部分；承载台9可以是玻璃或其他的质地的材料；粘合剂8的粘附力必须能够支持芯片在承载台9上完成接下来的机械研磨及热处理过程。其次，如图加及图2b所示，通过机械研磨去除芯片的衬底1和有源区2的大部分。从芯片的背部开始对芯片的衬底1和有源区2进行机械研磨，直至剥离掉衬底1 和有源区2的大部分，用手抚摸承载台9的边缘时几乎感觉不到芯片或当芯片可以透光时停止研磨。上述研磨过程可采用将承载台9及芯片放入自动研磨装置中进行全自动研磨的方式实现，也可采用手工托举承载台将样品压在研磨机上实现对芯片的机械研磨的方式实现。
再次，如图2b及图2c所示，通过湿法刻蚀去除芯片残存的衬底1和有源区2。将经过了机械研磨的芯片连同承载台9 一同放入到加入了异丙醇的加热的弱碱性溶液中数分钟，直至如图2c所示将芯片上通过机械研磨后残存的衬底1和有源区2完全去除；所述加热的弱碱性溶液的温度为80-85°C ；在为本发明的一种实施例，所述弱碱性溶液可为浓度低于40%的氢氧化钾溶液。其后将芯片连同承载台9放入到双氧水中数分钟后捞出，使用去离子水对芯片进行清洗并使芯片干燥；所述双氧水的温度可选择在50-90°C 间。再次，如图2c及图2d所示，通过干法刻蚀去除芯片的栅氧层3的大部分，保留一薄层的栅氧层3氧化物以保护栅极第一层多晶硅41底部的完整性。至此，芯片的栅极第一层多晶硅41的底部特征暴露出来。最后，利用观测仪器观测承载台9上的芯片栅极第一层多晶硅41底部的长宽尺寸参数。观测仪器可采用高真空扫描电镜(High Vacuum SEM)或低真空扫描电镜(Low Vacuum SEM)，由于经过机械研磨及刻蚀后的芯片已非常薄，并不能很好的符合高真空扫描电镜的观测要求，因而采用低真空扫描电镜进行观测为本发明方法的优选方案。以上方法只是本发明方法针对一种芯片结构的一种实施例，本发明方法可广泛应用于不同存储器芯片及其他半导体芯片的失效分析。显然，本领域的技术人员可以对本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。
权利要求
1.一种芯片失效分析方法，用于检测芯片栅极的缺陷特征，包括以下步骤通过机械研磨去除进行失效分析的芯片的衬底和有源区的大部分；通过湿法刻蚀去除芯片残存的衬底和有源区；通过干法刻蚀去除芯片的栅氧层的大部分，保留的部分栅氧层用于保护栅极第一多晶硅层；检测所述第一多晶硅层是否存在缺陷特征。
2.如权利要求1所述的芯片失效分析方法，其特征在于，所述芯片失效分析方法的步骤还包括在进行机械研磨之前将进行失效分析的芯片正面朝下用粘合剂粘贴到承载台上。
3.如权利要求1所述的芯片失效分析方法，其特征在于，所述进行失效分析的芯片是一个完整的芯片，或者是切割下的芯片的一部分。
4.如权利要求2所述的芯片失效分析方法，其特征在于，所述承载台的材质为玻璃。
5.如权利要求2所述的芯片失效分析方法，其特征在于，所述机械研磨通过将承载台及芯片放入自动研磨装置中进行全自动研磨来实现。
6.如权利要求2所述的芯片失效分析方法，其特征在于，所述机械研磨采用手工托举承载台将样品压在研磨机上实现对芯片的机械研磨。
7.如权利要求1所述的芯片失效分析方法，其特征在于，所述通过湿法刻蚀去除芯片残存的衬底和有源区的步骤包括将芯片放入到加入了异丙醇的加热的弱碱性溶液中，直至将芯片上残存的衬底和有源区完全去除。
8.如权利要求7所述的芯片失效分析方法，其特征在于，所述加热的弱碱性溶液的温度为 80-85"C。
9.如权利要求7所述的芯片失效分析方法，其特征在于，所述弱碱性溶液为浓度低于 40%的氢氧化钾溶液。
10.如权利要求7所述的芯片失效分析方法，其特征在于，所述通过湿法刻蚀去除芯片残存的衬底和有源区的步骤还包括将芯片放入双氧水中数分钟后捞出，使用去离子水对芯片进行清洗并使芯片干燥。
11.如权利要求10所述的芯片失效分析方法，其特征在于，所述双氧水的温度为 50-90 "C。
12.如权利要求1所述的芯片失效分析方法，其特征在于，采用高真空扫描电镜或低真空扫描电镜检测所述第一多晶硅层是否存在缺陷特征。
全文摘要
本发明提供一种芯片失效分析方法，用于检测芯片栅极的缺陷特征，其步骤包括通过机械研磨去除进行失效分析的芯片的衬底和有源区的大部分；通过湿法刻蚀去除芯片残存的衬底和有源区；通过干法刻蚀去除芯片的栅氧层的大部分，保留的部分栅氧层用于保护栅极第一多晶硅层；检测所述第一多晶硅层是否存在缺陷特征。本发明方法可将芯片准确剥离至栅极第一层多晶硅的底部，测得其底部的精确尺寸参数，并可大大提高工作效率，节省时间成本。
文档编号G01R31/311GK102253325SQ20101018147
公开日2011年11月23日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者赖李龙, 陈宏领, 高慧敏 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司, 武汉新芯集成电路制造有限公司