用于失效分析的样品的处理方法及失效分析方法

摘要

本发明提供了一种用于失效分析的样品的处理方法及失效分析方法，所述用于失效分析的样品的处理方法包括：在晶圆上获取待分析的芯片样品；将所述芯片样品去层至目标铜金属层结构上表面；在所述目标铜金属层结构上表面的待检测位置形成镀碳保护层。本发明的技术方案降低了金属表面出现铜扩散的概率，使得在失效分析过程中制备芯片样品的失败率大大降低，并且缩短了分析周期，加快了找到芯片失效关键原因的速度。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种用于失效分析的样品的处理方法及失效分析方法。

背景技术

半导体失效分析是借用各种测试分析工具和分析过程来确认芯片内部的失效现象、分辨其失效模式和失效机理、确定其最终的失效原因。

传统的半导体工艺主要采用铝金属作为金属互连材料，铝原子较活泼易发生电迁移现象，而铜相比于铝更不容易发生电迁移，同时由于铜的电阻率小于铝的电阻率，因此采用铜作为金属互连材料不仅可以避免电迁移现象同时可以极大地降低互金属互连线的电阻；但是铜金属具有易扩散的显著缺陷，例如铜在硅和二氧化硅中有很高的扩散率，这种高扩散率很容易破坏器件的性能，工艺上往往在铜布线层和介质隔离层之间加上阻挡层材料，例如氮化钽(TaN)、钽(Ta)等，所述阻挡层材料的作用是加固附着并有效地阻止铜的扩散。但是对于实际失效分析工作中，研磨到芯片中铜连线的表层，铜连线表面裸露在外界，极易发生扩散导致铜连线的开路或者短路，进而影响后续电性测试分析判断，这对精确发现芯片失效根本原因具有较大的误导性。

目前对于易发生铜扩散的待分析样品，现有解决方法一方面是将芯片样品研磨到目标层上方薄氧化层(oxide)，所述薄氧化层可以防止铜的扩散，通过聚焦离子束(FIB)在可能失效位置开一个窗口让铜金属连线裸露出来，以便后续进行电性测试。但是利用聚焦离子束(FIB)将铜表面氧化物(oxide)去除的过程中，由于聚焦离子束(FIB)的I-beam模式下电压较高(30kV，28pA),极容易导致周围铜连线互熔，导致制样失败。

另一方面只能选择重新制备样品，导致失效分析周期延长且重新制备的芯片样品依然有可能发生铜扩散。

因此，如何解决金属表面出现扩散，降低芯片样品制样失败率和缩短分析周期，迅速找到芯片失效关键原因是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于失效分析的样品的处理方法及失效分析方法，以避免金属表面出现铜扩散，使得样品制样失败率降低，进而使得失效分析的周期缩短，迅速找到芯片失效的关键原因。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于失效分析的样品的处理方法，包括：

S1：在晶圆上获取待分析的芯片样品；

S2：将所述芯片样品去层至目标铜金属层结构上表面；

S3：在所述目标铜金属层结构上表面的待检测位置形成镀碳保护层；

可选的，所述S1还包括：对所述芯片样品四周以及背面倒角。

可选的，所述S2还包括通过光学显微镜观察芯片表面颜色，判断所述芯片样品是否已被去层至所述目标铜金属层结构上表面，若观察到未去层至所述目标铜金属层结构上表面，则继续去层直到达到所述目标铜金属层结构上表面。

可选的，所述S3具体包括：将所述芯片样品洗净吹干，利用电子显微镜定位到待检测位置，对所述芯片样品的所述待检测位置进行电子束扫描，通过电子束与所述芯片样品表面作用在所述目标金属层结构上表面的所述待检测位置形成镀碳保护层。

可选的，所述电子显微镜的工作条件为：电压为1～2kV、电流为100～200pA、放大倍率为50k～100k且扫描速度为100～300ns。

可选的，所述电子束扫描的时间为3～5min。

可选的，所述S3中镀碳保护层的厚度为1～2nm。

可选的，所述S1中，去层的方法包括酸洗和人工手磨以及酸洗和人工手磨相结合。

本发明还提供了一种失效分析方法，包括本发明提供的所述用于失效分析的样品的处理方法，还包括：

S4：对所述芯片样品的所述待检测位置进行电性验证和物性观察，判断失效机理。

可选的，所述S4包括：通过纳米探针对所述芯片样品的所述待检测位置进行电性验证；通过透射电镜对所述芯片样品的所述可能失效位置进行物性观察。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的用于失效分析的样片的处理方法，通过在芯片样品的金属目标层的目标区域表面形成一镀碳保护膜，使得金属与外界隔绝，防止了金属铜的扩散，降低了样品制样失败率、缩短了分析周期、提高了定位芯片失效关键原因的速度。

2、本发明的失效分析方法，由于采用了本发明提供的所述用于失效分析的样片的处理方法，防止了金属铜的扩散，降低了样品制样失败率、缩短了分析周期、提高了定位芯片失效关键原因的速度。

附图说明

图1是本发明一实施例的用于失效分析的样品的处理方法的流程图；

图2是图1所示的用于失效分析的样品的处理方法的芯片样品示意图；

图3为芯片样品去层至目标铜金属结构上表面的SEM示意图；

图4为未加工镀碳保护层的芯片样品静置12h后的SEM示意图；

图5为芯片样品的待检测位置加工镀碳保护层后的即时SEM示意图；

图6为芯片样品的待检测位置加工镀碳保护层后静置12h的SEM示意图。

其中，附图1～6的附图标记说明如下：

10-硅衬底层；20-金属互连层；21-第一布线层；22-第二布线层；23-第三布线层；24-第四布线层；30-钝化层；40-待检测区域。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图1～6对本发明提出的用于失效分析的样品的处理方法及失效分析方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明一实施例提供一种用于失效分析的样品的处理方法，参阅图1，图1是本发明一实施例的用于失效分析的样品的处理方法的流程图，所述失效分析方法包括：

S1：在晶圆上获取待分析的芯片样品；

S2：将所述芯片样品去层至目标铜金属层结构上表面；

S3：在所述目标铜金属层结构上表面的待检测位置形成镀碳保护层。

下面参阅图2～6更为详细地介绍本实施例提供的失效分析方法。

首先，按照步骤S1，在晶圆上获取待分析且设定规格的芯片样品，所述芯片样品的设定规格通常约为1cm×1cm，所述芯片上存在有待检测位置，所述待检测位置包括热点失效位置和推断失效位置，所述热点失效位置是芯片制作过程中频繁出现失效问题的热点区域，所述推断失效位置是根据客户的反馈推断出可能存在失效问题的区域。所述芯片样品自下而上依次包括硅衬底层10、金属互连层20与介质分隔层、钝化层30，所述金属互连层20的材料为铜金属，所述金属互连层20通常包括多层的金属布线层，本实施例中，所述金属互连层20包括四层金属布线层，如图2所示，自下而上依次包括第一布线层21(Metal 1)、第二布线层22(Metal 2)、第三布线层23(Metal 3)、第四布线层24(Metal 4)，所述金属布线层镶嵌在所述介质分隔层中，其中，各个所述金属布线层之间的颜色互不相同。

另外地，由于在晶圆上获取的所述芯片样品的边缘较为锋利，因此可以将所述芯片样品的四周以及背面倒角，以免锋利的边缘割破人的手以及仪器中的绒布，绒布属于消耗型材料，避免绒布的过度损耗。

然后，按照步骤S2，将所述芯片样品去层至目标铜金属层结构上表面，在本实施例中，所述目标铜金属层结构为第一布线层，所述第一布线层位于所述芯片样品的内部，因此需要用各种方法将所述芯片去层，所述去层方法包括人工手动研磨至目标结构的上方，还包括酸洗至目标结构的上方，或者酸洗与手动研磨结合去层至目标结构的上方；

另外地，在去层的过程中，可以分几次研磨或者酸洗来完成，且在两次去层操作的中间还可以通过光学显微镜观察所述芯片样品的表面颜色，以判断所述芯片样品是否已被去层至目标铜金属层结构上表面以及所述芯片样品当前所处的结构，在本实施例中，即是否达到了所述第一布线层21的上方，若观察到所述芯片样品未被去层至所述目标铜金属层结构上表面，则继续采用人工手动研磨或者酸洗的方法将所述芯片样品去层至目标铜金属层结构的上方。

最后，按照步骤S3，在目标铜金属层结构的上方的待检测位置形成一镀碳保护层，具体地，将所述芯片样品洗净吹干，以避免杂质对后续工艺的影响，利用电子显微镜定位到所述待检测位置，在电压为1～2kV，电流为100～200pA，电子显微镜的放大倍率为50k～100k且扫描速度为100～300ns的条件下对所述芯片样品的所述待检测位置进行电子束扫描，通过电子束与所述第一布线层21的所述待检测位置的上表面作用在所述待检测位置形成一镀碳保护层。

另外地，所述电子显微镜对所述芯片样品进行电子书扫描的时间为3～5min，时间太短无法形成一定厚度的镀碳保护膜，时间太长则没有必要，反而会延长失效分析周期。

另外地，所述镀碳保护膜的厚度为1～2nm，其中，所述镀碳保护膜的厚度太薄无法防止所述第一布线层的金属扩散，所述镀碳保护层的厚度太厚则没有必要。

参阅图3～6，图3为芯片样品去层至目标铜金属结构上表面的SEM示意图；图4为未加工镀碳保护层的芯片样品静置12h后的SEM示意图；图5为芯片样品的待检测位置加工镀碳保护层后的即时SEM示意图；图6为芯片样品的待检测位置加工镀碳保护层后静置12h的SEM示意图。从图4中可以看出，未加工镀碳保护层的所述芯片样品静置12h后发生了明显的铜扩散现象，从图6中可以看出待检测位置加工镀碳保护层的所述芯片样品未发生明显的铜扩散。表面加工了镀碳保护层的区域一定程度上得到了保护，而且，后续可以通过清积碳的方式将表面积碳去除而不影响器件的电性结果，极大地提高了处理芯片样品的周期和成功率。

综上所述，本发明提供的用于失效分析的样品的处理方法，包括：在晶圆上获取待分析的芯片样品；将所述芯片样品去层至目标铜金属层结构上表面；在所述目标铜金属层结构上表面的待检测位置形成镀碳保护层。通过本发明的技术方案，降低了金属表面出现铜扩散的概率，使得在失效分析过程中制备芯片样品的失败率大大降低，并且缩短了分析周期，加快了找到芯片失效关键原因的速度。

本发明一实施例提供了一种失效分析方法，所述失效分析方法包括本发明的所述用于失效分析的样品的处理方法，还包括：

S4：对所述芯片样品的所述待检测位置进行电性验证和物性观察，判断失效机理。

利用本发明提供的用于失效分析的样品的处理方法处理一芯片样品后，通过纳米探针对所述芯片样品的待检测位置进行电性验证；通过透射电镜对所述芯片样品的所述可能失效位置进行物性观察。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。