先进失效定位技术—EMMI/MCT与OBIRCH在90mn制程失效分析中的运用

摘要

随着高性能数字集成系统的快速发展，要求故障诊断变得越来越重要。它通常在已确定系统或电路有故障的前提下来确定故障的位置；故障诊断是找到故障位置的必要手段。随着深亚微米技术的发展，专用于故障诊断的诊断分析系统面临着一系列挑战。在“亚波长”环境下制造的芯片工艺特征尺寸已经小于相应制造该芯片的光刻仪器光源的波长。日趋缩小的特征尺寸增加了成像方法的难度。先进的多金属层深亚微米特性迫使相应的诊断系统还必须具备从器件背面通过材料成像的能力。同时由于硅材料在红外光谱范围内才是透明的，因此先进的诊断系统还必须使用红外光。 然而，进入90nm铜互连制程工艺的芯片的光刻通常采用深紫外光实现的，当前的红外光谱就面临着如何使用分辨率低于深紫外光的红外波长对深亚微米工艺的芯片成像的难题了。另一方面，诊断系统一般通过对芯片发射的光子量进行计数来测量信号状态转换的时序。采用深亚微米工艺制造的芯片尺寸更小。导致芯片电路光子发射量更少。获得可接受的信噪比的难度就更加大了。同时，深亚微米工艺芯片工作电压的降低促使该问题更加严重。因此，有效的诊断系统需要采用更精确，灵敏度更高的解决方法。 本文针对90nm工艺制程的失效分析中的缺陷定位问题，通过大量前端工艺和后端工艺失效分析的案例研究，系统分析了EMMI(CCD/MCT)与OBIRCH在90nm技术制程失效分析中缺陷定位分析。 研究表明，EMMI(CCD)对于制程前段有关器件方面的失效问题很有效。例如：栅氧的漏电，PN结的击穿，寄生Latch-up电路的失效，ESD失效，PID(Plasma Induce Damage)结构失效等等：对于硅器件，其探测到的光信号一般是400～1100um波长范围内的光子，这些光子的激发一种是载流子由于场加速而导致在能带内部产生碰撞电离，产生电子孔穴对，同时释放出能量，这些能量是以光子激发的形式，常见应用于栅氧的漏电，PN结反向击穿，PID结构失效等失效模式：另一种是载流子在不同能阶之间的跃迁产生电子与孔穴的复合，复合过程的能量释放也是以光子激发的形式，常见应用于PN结正向漏电的器件失效模式。 实验发现，有些器件的失效模式同时包含上述两种情形。比如：ESD测试时保护电路失效，Latch-up电路的失效等；然而，前段器件失效的模式电性上趋于欧姆特性，EMMI(CCD)变得不再适用，这种失效往往由于严重短路引起的，如栅氧的漏电导致电容两端完全短路在一起，加在栅氧两界面的压降变的太小，不能有效的形成足够的电场，这时的能量通常以热辐射的形式释放出来。对于前段这种欧姆特性类型的失效，可以应用EMMI(MCT)基于MERCAD探测头的定位系统，这个系统在侦测“传统的光电子发射失效”上灵敏度更高；可以探测到2.1um波长的热红外波。根据黑体辐射曲线特性，多数热辐射都集中波长2.1um附近的区域；所以对于前段欧姆特性类型的失效EMMI(MCT)是非常使用的定位分析工具；可以把它们看作是以前Photoemission探测技术更进一步： EMMI(MCT)对于后段欧姆特性类型的失效也非常有用。在90nm后段铜互连的短路失效分析的实验分析看出，EMMI(MCT)在探测同层铜连线间的短路模式的应用比IROBIRCH/XIVA等镭射技术更实用，缺陷定位更精准。现在在这一类型的失效分析中，通常首选EMMI(MCT)作为可靠的诊断工具。 研究表明，尽管OBIRCH等镭射技术常用于后段金属互连线的短路、金属层间接触孔的接触不良引起的阻值高等失效问题的诊断，但在铜互连技术制程中，对于同层金属互连线的短路，采用OBIRCH等镭射技术诊断不是很有效，对于真正失效点的探测不够精确；研究发现OBIRCH对于金属层间接触孔类的缺陷还是一个非常好用的手段。OBIRCH等镭射技术也可以用于制程前段器件欧姆特性失效模式的问题；如ESD测试失效，ESD保护电路中的器件常常伤的很严重，特性呈欧姆特性，OBIRCH镭射技术常被用来定位这一类失效。 在同一个系统可以将EMMI(MCT)和EMMI(CCD)以及IROBIRCH/XIVA等镭射技术组合在一起使用，既可以应用于制程前段有关器件方面的失效问题，又可以应用于前后段欧姆特性类型的失效问题，这样可以建立最优的诊断平台。

目录

声明

摘要

绪论

一.IC产业概述

二.EMMI(CCD/MCT)与OBIRCH在IC产业中的应用

三.论文的内容

第一章90nm先进制程中的铜互连工艺介绍

一.铜和铝互连性能比较

二.制备多层互连结构的几个关键技术

三.多层铜互连中的关键技术措施

四.小结

第二章90nm后段铜互连常见失效模式介绍

一.铜金属连线的断路失效

二.铜金属连线的短路失效

三.金属层间接触孔(Via)的断路失效

四.金属层间接触孔(Via)的短路失效

第三章失效分析概论

一.失效分析的产生与发展

二.失效分析的目的和意义

三.失效分析的基本内容

四.主要失效模式和失效机理

五.失效分析程序

第四章常用物理失效分析仪器知识介绍

一.TEM介绍

1.TEM的工作原理

2.TEM的主要技术参数

3.TEM的主要功能

4.TEM的发展趋势

二.FIB介绍

1.聚焦离子束的原理

2.扫描显微镜的概要

3.扫描电子显微镜和聚焦离子束光源

4.光学系统

5.电子束和聚焦离子束

6.聚焦离子束加工

第五章EMMI/OBIRCH的工作原理及其应用

一.定位分析工具EMMI(MCT，CCD)的工作原理及其应用

1.PEM的基本原理

2.与PEM相关的发光机理

3.PEM用于缺陷检测

二.定位分析工具镭射注入技术(OBIRCH/XIVA)的工作原理及其应用

第六章先进失效定位技术—EMMI/MCT与OBIRCH在90nm制程失效分析中的运用

一.MCT/CCD双探头的复合模式和热红外模式EMMI平台

1.0.4um-1.2um复合辐射区

2.0.83um-1.6um复合辐射区

3.1.6um-2.1um热辐射区

小结

二.OBIRCH镭射注入技术在90nm制程失效分析中的运用

1.接触孔缺陷类型的案例

2.芯片IO(输入输出)ESD保护电路失效案例

小结

第七章结论和展望

结论

展望

参考文献

致谢