一种半导体结构的失效分析方法与流程

本发明实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体结构的失效分析方法。

背景技术：

金属氧化物半导体(Metal-Oxid-Semiconductor，简称MOS)晶体管是集成电路最常用到的基本半导体器件，因为MOS晶体管功耗低、易于集成、而且具有很好的工艺可控性。MOS晶体管组成的半导体包括多种类型，比如由单一类型的MOS晶体管所组成的半导体，以及由多种类型的MOS晶体管所组成的半导体。半导体的衬底中均通过掺杂离子注入的方式形成掺杂区。

半导体失效通常是由该半导体的掺杂区失效导致的，因此，现有技术中通常通过一定的技术显现出掺杂区形貌，并通过掺杂区形貌来对该半导体结构的失效进行分析。

掺杂区形貌的显现目前主要有扩展电阻技术(spreading resistance profile,简称SRP)，二次离子质谱仪(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry，简称SIMS)测试以及化学溶液染色，由于化学溶液染色的低成本和易操作性，其广泛应用于半导体芯片生产和相关的检测，测试领域。化学溶液染色的原理是利用染色溶液对不同掺杂浓度区的基材腐蚀速率不一样，显现出掺杂区形貌。

化学溶液染色过程需要先把失效的MOS晶体管切成薄片、然后用氢氟酸(化学表达式HF)混合物浸泡、最后用透射电子显微镜(Transmission electron microscope，简称TEM)观察。该方法中样品的制备过程相当复杂、而且薄片的厚度也有一定严格的要求。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种半导体结构的失效分析方法，用以通过简单的方法显现出半导体的掺杂区形貌，从而根据该掺杂区形貌对半导体进行失效分析。

本发明实施例提供一种半导体结构的失效分析方法，包括以下步骤：

将待观察半导体放入预处理溶液中浸泡第一时长，以暴露待观察半导体的掺杂区；

将暴露掺杂区的待观察半导体放入染色液中浸泡第二时长，以便对待观察半导体的掺杂区进行染色；其中，染色液包括49％氢氟酸、70％硝酸和冰乙酸，49％氢氟酸、70％硝酸和冰乙酸的体积配比为1:20:7；

确定染色之后的待观察半导体的每个掺杂区的有效掺杂表面；

根据每个掺杂区的有效掺杂表面，确定待观察半导体的每个掺杂区是否有效。

优选地，将暴露掺杂区的待观察半导体放入染色液中浸泡第二时长之后，确定染色之后的待观察半导体的每个掺杂区的有效掺杂表面之前，还包括：

确定出染色之后的待观察半导体的每个掺杂区；

其中，进行染色之后的待观察半导体的不同掺杂浓度的掺杂区被染色液腐蚀的深度不同，不同掺杂浓度的掺杂区之间呈现台阶状，每一个台阶面对应一个掺杂区。

优选地，确定染色之后的待观察半导体的每个掺杂区的有效掺杂表面，具体包括：

针对每个掺杂区，根据掺杂区被染色液腐蚀的结形貌，确定染色之后的待观察半导体的每个掺杂区的有效掺杂表面；

其中，每个掺杂区的有效掺杂表面的腐蚀深度大于掺杂区的未进行有效掺杂的表面的腐蚀深度。

优选地，根据每个掺杂区的有效掺杂表面，确定待观察半导体的每个掺杂 区是否有效，具体是指：

针对每个掺杂区，若掺杂区的有效掺杂表面的面积不符合预设要求或者有效掺杂表面的形状不符合预设要求，则确定掺杂区失效。

优选地，确定染色之后的待观察半导体的每个掺杂区的有效掺杂表面，具体包括：

通过光学显微镜，或者扫描式电子显微镜对染色之后的待观察半导体的每个掺杂区的表面进行观察，确定出染色之后的待观察半导体的每个掺杂区的有效掺杂表面。

优选地，待观察半导体包括多种不同类型的MOS管；

掺杂区包括阱区、轻掺杂区和重掺杂区，其中，阱区的掺杂浓度小于轻掺杂区的掺杂浓度，轻掺杂区的掺杂浓度小于重掺杂区的掺杂浓度。

优选地，待观察半导体包括单一类型的MOS管；

掺杂区包括浅掺杂区、阱区和重掺杂区，其中，浅掺杂区的掺杂浓度小于阱区的掺杂浓度，阱区的掺杂浓度小于重掺杂区的掺杂浓度。

优选地，将待观察半导体放入预处理溶液中浸泡第一时长，以暴露待观察半导体的掺杂区，具体包括：

将待观察半导体放入预处理溶液中浸泡第一时长，以通过预处理溶液去除覆盖于待观察半导体的掺杂区之上的介质层，以使覆盖于介质层以上的金属层和钝化层脱落，暴露待观察半导体的掺杂区。

优选地，预处理溶液为49％的氢氟酸。

优选地，第一时长为10-20分钟；

第二时长为15-20秒，或第二时长为20-25秒。

本发明实施例中，将待观察半导体放入预处理溶液中浸泡第一时长，以暴露待观察半导体的掺杂区；将暴露掺杂区的待观察半导体放入染色液中浸泡第二时长，以便对待观察半导体的掺杂区进行染色；其中，染色液包括49％氢氟酸、70％硝酸和冰乙酸，49％氢氟酸、70％硝酸和冰乙酸的体积配比为1:20:7； 确定染色之后的待观察半导体的每个掺杂区的有效掺杂表面；根据每个掺杂区的有效掺杂表面，确定待观察半导体的每个掺杂区是否有效。如此，则可通过浸泡工艺即可实现对掺杂区的染色处理，进而针对染色处理之后的半导体进行失效分析，操作方便简单。进一步，由于本发明实施例中染色液的体积配比为1:20:7的49％氢氟酸、70％硝酸和冰乙酸，因此，染色之后的半导体中可显现出每个掺杂区完整的形貌，进而可判断出每个掺杂区是否有效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所适用的一种半导体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种半导体结构示意图；

图3为本发明实施例提供一种半导体结构的失效分析方法流程示意图；

图4a为图1所示的半导体结构在预处理溶液中浸泡第一时长之后的半导体结构示意图；

图4b为图4a所示的半导体结构染色之后的结构示意图；

图4c为图4b中从A向所看到的半导体结构示意图；

图4d为图4c中存在未进行有效掺杂的表面的结构示意图；

图5a为图2所示的半导体结构在预处理溶液中浸泡第一时长之后的半导体结构示意图；

图5b为图5a所示的半导体结构染色之后的结构示意图；

图5c为图5b中从B向所看到的半导体结构示意图；

图5d为图5c中存在未进行有效掺杂的表面的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示例性示出了本发明实施例所适用的一种包括多种类型MOS管的半导体结构示意图。如图1所示，半导体结构从底部至上依次为衬底101、介质层106、栅极105、金属层107、钝化层108。其中，该半导体结构的衬底中包括多个不同类型的MOS晶体管。衬底101中包括掺杂区，掺杂区包括第一阱区104、第一重掺杂区103、第一轻掺杂区102，还包括第二阱区204、第二重掺杂区203、第二轻掺杂区202。不同的MOS管之间通过MOS管间隔区109进行间隔，MOS管间隔区109可为二氧化硅。图1中，优选地，第一阱区104可为P型阱区，此时第一重掺杂区为N+重掺杂区，第一轻掺杂区为N型轻掺杂区，第二阱区204可为N型阱区，此时第二重掺杂区为P+重掺杂区，第二轻掺杂区为P型轻掺杂区。栅极105的结构具体包括：栅氧化层、覆盖栅氧化层上表面的栅极。

图2示例性示出了本发明实施例提供的另一种包括单一类型MOS管的半导体结构示意图，如图2所示，半导体从下至上依次铺设衬底401、栅极405、介质层406、金属层407。衬底401中包括掺杂区，掺杂区包括浅掺杂区404、阱区403、重掺杂区402。本发明实施例可适用于任意结构的半导体，图1和图2仅是示例性示出了半导体结构的示意图，对本发明实施例的适用范围并造成限制。

本发明实施例中通过半导体结构的失效分析方法，由于本发明实施例中染色液的体积配比为1:20:7的49％氢氟酸、70％硝酸和冰乙酸，因此，染色之后的掺杂区可显现出每个区域完整的掺杂区形貌，进而可判断出每个掺杂区是否有效，进而可判断出每个区域是否为失效区域。进一步，还可判断出每个掺杂区的有效掺杂表面的形状或面积是否符合要求，进而可判断出每个区域是否为 失效区域。

图3示例性示出了本发明实施例提供一种半导体结构的失效分析方法的流程示意图。

基于上述内容，本发明实施例提供一种半导体结构的失效分析方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤301，将待观察半导体放入预处理溶液中浸泡第一时长，以暴露待观察半导体的掺杂区；

步骤302，将暴露掺杂区的待观察半导体放入染色液中浸泡第二时长，以便对待观察半导体的掺杂区进行染色；其中，染色液包括49％氢氟酸、70％硝酸和冰乙酸，49％氢氟酸、70％硝酸和冰乙酸的体积配比为1:20:7；

步骤303，确定染色之后的待观察半导体的每个掺杂区的有效掺杂表面；

步骤304，根据每个掺杂区的有效掺杂表面，确定待观察半导体的每个掺杂区是否有效。

上述步骤301中，先确定待观察半导体。本发明实施例中的半导体结构的衬底中可包括单一类型的MOS管，比如，双扩散晶体管(Double-diffused Metal Oxide Semiconductor，简称DMOS)等。本发明实施例的衬底中包括多种不同类型的MOS晶体管，比如互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)等。

上述步骤301中，优选地，将待观察半导体放入预处理溶液中浸泡第一时长，以暴露待观察半导体的掺杂区，具体包括：

将待观察半导体放入预处理溶液中浸泡第一时长，以通过预处理溶液去除覆盖于待观察半导体的掺杂区之上的介质层，以使覆盖于介质层以上的金属层和钝化层脱落，暴露待观察半导体的掺杂区。优选地，预处理溶液为49％的氢氟酸。优选地，第一时长为10-20分钟。本发明实施例中优选地，将第一时长设定为10分钟。

如图1所示，由于半导体的阱区、重掺杂区和轻掺杂区之上覆盖介质层，在介质层中夹杂着栅极，介质层之上依次覆盖金属层和钝化层。此时，将该半导体放入预处理溶液中浸泡第一时长，则半导体中的介质层与49％的氢氟酸进行反应，之后介质层被49％的氢氟酸从半导体上去除，半导体中的栅极、金属层和钝化层因为失去了附着的结构，因此金属层和钝化层与半导体的衬底分离，去除介质层的半导体的衬底中的阱区、重掺杂区和轻掺杂区暴露，如图4a所示。图4a示例性示出了图1所示的半导体结构在预处理溶液中浸泡第一时长之后的半导体结构示意图。

上述步骤302中，将阱区、重掺杂区和轻掺杂区暴露的待观察半导体放入体积配比为1:20:7的49％氢氟酸、70％硝酸和冰乙酸的染色液中浸泡第二时长，以便对待观察半导体暴露的阱区、重掺杂区和轻掺杂区进行染色；优选地，第二时长为15-20秒，或第二时长为20-25秒，本发明实施例中以第二时长为20秒为例进行介绍。

优选地，本发明实施例中阱区的掺杂浓度小于轻掺杂区的掺杂浓度，轻掺杂区的掺杂浓度小于重掺杂区的掺杂浓度。如图4b所示，图4b示例性示出了图4a所示的半导体结构染色之后的结构示意图。如图4b所示，暴露的半导体的阱区、重掺杂区和轻掺杂区分别和染色液进行反应，染色液对进行掺杂的区域进行腐蚀反应，某个区域的掺杂浓度越高，染色液对该区域进行一定时长的腐蚀后，染色液对该区域的腐蚀深度就越深，如图4b所示，染色之后，阱区被腐蚀的深度最浅，轻掺杂区被腐蚀的深度次之，重掺杂区的被腐蚀的深度最深，不同掺杂浓度的所述掺杂区之间呈现台阶状，每一个台阶面对应一个掺杂区，如图4b所示的第一台阶面200所示。也就是说，所述将暴露所述掺杂区的所述待观察半导体放入染色液中浸泡第二时长之后，所述确定染色之后的所述待观察半导体的每个所述掺杂区的有效掺杂表面之前，还包括：

确定出染色之后的所述待观察半导体的每个所述掺杂区；

其中，进行染色之后的所述待观察半导体的不同掺杂浓度的所述掺杂区被 所述染色液腐蚀的深度不同，不同掺杂浓度的所述掺杂区之间呈现台阶状，每一个台阶面对应一个掺杂区。

图4c示例性示出了图4b中从A向所看到的半导体结构示意图。如图4c所示，俯视观察图4b中的A向视图，针对每个所述掺杂区，根据所述掺杂区被所述染色液腐蚀的结形貌，确定染色之后的所述待观察半导体的每个所述掺杂区的有效掺杂表面；其中，每个所述掺杂区的有效掺杂表面的腐蚀深度大于所述掺杂区的未进行有效掺杂的表面的腐蚀深度。

也就是说，针对每个掺杂区，由于掺杂浓度大的区域，染色液对其的腐蚀速率较大，因此当该掺杂区被染色液腐蚀一定时长之后，掺杂区的表面中有效掺杂表面会被腐蚀的更深，未进行有效掺杂的表面被腐蚀的较浅。如此，则可通过观察每个掺杂区的深浅轻易判断掺杂区之间的界限分割。如图5c所示，第一重掺杂区103与第一轻掺杂区102之间界限分割较为明显。

进一步，根据每个所述掺杂区的所述有效掺杂表面，确定所述待观察半导体的每个所述掺杂区是否有效，具体是指：

针对每个所述掺杂区，若所述掺杂区的所述有效掺杂表面的面积不符合预设要求或者所述有效掺杂表面的形状不符合预设要求，则确定所述掺杂区失效。

优选地，通过光学显微镜，或者扫描式电子显微镜对染色之后的待观察半导体的每个掺杂区的表面进行观察，确定出染色之后的待观察半导体的每个掺杂区的有效掺杂表面，提升了对半导体结构进行失效分析的简便性。

本发明实施例可清晰呈现每个掺杂区的掺杂区形貌，图4d示例性示出了图4c中存在未进行有效掺杂的表面的结构示意图。如图4d所示，第一重掺杂区103和第二重掺杂区203中存在未进行有效掺杂的表面502，此时，可根据此不规则形状确定该存在未进行有效掺杂的表面502的第一重掺杂区103和第二重掺杂区203失效。在实际操作中，此类情况经常发生，比如，预先要求第一重掺杂区103中需要掺杂的部分为矩形。但是，通常进行掺杂后，有效掺杂 表面可能是一个不规则形状，比如，有效掺杂表面缺一个或两个矩形的角之类的，如图4d所示。本发明实施例中可完整的再现单个区域的掺杂区形貌，从而看出每个区域进行掺杂的部分是否符合要求，从而避免了现有技术中的仅能大致看出单个区域是否进行了掺杂，但是看不出该单个区域进行掺杂的部分是否符合要求的问题。本发明实施例中的有效掺杂具体是指该区域的掺杂浓度等掺杂参数符合要求。

下面针对附图2所示的包括单一类型的MOS管的半导体结构进行介绍。所述待观察半导体包括单一类型的MOS管；所述掺杂区包括浅掺杂区、阱区和重掺杂区，其中，所述浅掺杂区的掺杂浓度小于所述阱区的掺杂浓度，所述阱区的掺杂浓度小于所述重掺杂区的掺杂浓度。

将图2所示的半导体放入预处理溶液中浸泡第一时长，以暴露所述待观察半导体的掺杂区，得到的半导体结构如图5a所示，图5a示例性示出了图2所示的半导体放入预处理溶液中浸泡第一时长之后得到的半导体结构。

将图5a所示的半导体放入染色液中浸泡第二时长，以便对所述待观察半导体的掺杂区进行染色，得到染色之后的半导体结构示意图如图5b所示，图5b示例性示出了图5a所示的半导体结构进行染色之后的结构示意图。其中，所述染色液包括49％氢氟酸、70％硝酸和冰乙酸，所述49％氢氟酸、70％硝酸和冰乙酸的体积配比为1:20:7。进行染色之后的所述待观察半导体的不同掺杂浓度的所述掺杂区被所述染色液腐蚀的深度不同，不同掺杂浓度的所述掺杂区之间呈现台阶状，每一个台阶面对应一个掺杂区，如图5b所示的第二台阶面400。

图5c示例性示出了图5b中从B向所看到的半导体结构示意图。如图5c所示，俯视观察图5中的B向视图，针对每个所述掺杂区，根据所述掺杂区被所述染色液腐蚀的结形貌，确定染色之后的所述待观察半导体的每个所述掺杂区的有效掺杂表面；其中，每个所述掺杂区的有效掺杂表面的腐蚀深度大于所述掺杂区的未进行有效掺杂的表面的腐蚀深度。

图5d示例性示出了图5c中存在未进行有效掺杂的表面的结构示意图。如图5d所示，重掺杂区402中存在未进行有效掺杂的表面502，此时，可根据此不规则形状确定该存在未进行有效掺杂的表面501判定重掺杂区402失效。

从上述内容可以看出：本发明实施例中，本发明实施例中先对待观察半导体进行剥层，以使该半导体衬底中的阱区、重掺杂区和轻掺杂区暴露，然后通过染色的方法，对阱区、重掺杂区和轻掺杂区进行染色，进而进行失效性分析，操作简单、效果较好、成本低廉。

另一方面，如图4c所示，本发明实施例中可通过俯视的方式看到整个半导体的衬底上的掺杂区形貌，扩大了观察视野，且提高了失效性分析的重要性。

第三方面，本发明实施例中可完整的再现单个区域的掺杂区形貌，从而看出每个区域进行掺杂的部分是否符合要求，从而避免了现有技术中的仅能大致看出单个区域是否进行了掺杂，但是看不出该单个区域进行掺杂的部分是否符合要求的问题。本发明实施例中的有效掺杂具体是指该区域的掺杂浓度等掺杂参数符合要求。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

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。