[發明專利]芯片失效分析過程中的剝層方法

在審

• 申請號: 201610211567.2
• 申請日: 2016-04-05
• 公開（公告）號: CN105699149A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發明（設計）人: 林曉玲;恩云飛;梁朝輝
• 申請（專利權）人: 工業和信息化部電子第五研究所
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 萬志香

技術領域

本發明涉及集成電路失效分析，特別是涉及一種芯片失效分析過程中的剝層方 法。

背景技術

隨著半導體工藝的飛速發展，集成電路的規模越來越大，集成電路向多層互連結 構的方向發展。集成電路芯片的失效往往發生在多層結構下層的層間金屬化或有源區，對 芯片進行失效分析必須解決多層結構下層的可觀察性，這就需要對芯片進行剝層處理，以 便在高放大倍率顯微鏡下對芯片的特定層次進行進一步觀察、分析。

剝層處理主要包括：去鈍化層、去金屬化層、去層間氧化層等。針對不同的材質，傳 統的做法是采用不同的剝層方法，去鈍化層、氧化層通常用反應離子刻蝕法；對采用鋁金屬 以及鎢作為金屬層之間的通孔材料的集成電路，通常采用化學腐蝕法(30％HCl溶液或30％ H₂SO₄溶液)去鋁金屬層。對采用銅金屬作為金屬互連材料的，通常采用化學腐蝕液(冰醋酸 及稀硝酸的混合液)或研磨的方法去除。對多層金屬結構進行逐層剝層時需要上述多個步 驟的搭配應用，如根據不同的氧化層厚度，設定反應離子刻蝕的時間及氣體流量，根據不同 的金屬材質，采用不同的化學液配方或研磨的方法。此過程涉及步驟多、耗時長且終點監測 難度大，稍有不甚，則會剝層過度而出現剝層失敗，導致失效案例無法繼續分析，剝層質量 的好壞，直接影響對失效芯片的準確分析，剝層的速度及效果直接影響到失效分析工作的 效率與質量。

為了提高剝層的效率及效果，現有技術中還采用聚焦離子束進行剝層，利用聚焦 離子束對芯片表面的轟擊作用，將芯片中多層金屬結構中的金屬層、介質層、氧化層、氮化 鉭阻擋層等材質逐層剝層去除，該方法可以減少傳統剝層過程中干法、濕法或研磨多種方 法的交替使用帶來的難以避免的損傷。但是聚焦離子束通常需采用Ga⁺源作為離子源，Ga⁺源 成本高，且使用壽命較短，限制了聚焦離子束剝層的應用；更重要的是，聚焦離子束的束斑 大小為nm級，采用過于集中的高能量轟擊芯片表面，剝層精度難以控制，容易對目標分析區 域造成的損傷，導致后續的分析工作難以繼續，且nm級的束斑可加工的面積非常有限，限制 了失效分析工作效率的提高。

發明內容

基于此，有必要提供一種高精度、高效率的芯片失效分析過程中的剝層方法。

一種芯片失效分析過程中的剝層方法，包括如下步驟：

(1)提供芯片，所述芯片具有多層結構，且包括至少一層目標分析層，所述目標分 析層包括待分析區域；

(2)利用離子束自所述芯片的表面開始進行剝層處理，去除所述目標分析層之上 的一層或多層，露出所述待分析區域，即可，其中，所述離子束包括至少一束寬束離子束，即 非聚焦型離子束，束斑直徑不小于1mm。

所述待分析區域可根據芯片可能失效的位置或區域進行選定。

在其中一個實施例中，所述離子束由三束寬束離子束交匯形成，束斑直徑為1- 3mm。

在其中一個實施例中，所述離子束為氬離子束。

在其中一個實施例中，所述芯片包括依次層疊于襯底上的擴散阻擋層、若干層交 替層疊的金屬層和氧化層、表面金屬層以及鈍化層，其中，所述金屬層的層數大于等于1層， 所述目標分析層選自所述襯底、擴散阻擋層、金屬層、氧化層和表面金屬層中的一層或多 層。其中，若干層金屬層和氧化層交替層疊，故二者的層數相同。

在其中一個實施例中，利用所述離子束對所述金屬層或表面金屬層進行剝層處理 的工藝如下：

所述金屬層或表面金屬層的厚度為200-1000nm，離子束能量為4-6kV、離子束與所 述芯片表面的夾角為3-5°。

在其中一個實施例中，利用所述離子束對所述鈍化層或氧化層進行剝層處理的工 藝如下：

所述鈍化層或氧化層的厚度為70-1500nm，離子束能量為4-10kV、離子束與所述芯 片表面的夾角為3-5°。

在其中一個實施例中，利用所述離子束對所述擴散阻擋層進行剝層處理的工藝如 下：

所述擴散阻擋層的厚度為20-50nm，離子束能量為4.5-6kV、離子束與所述芯片表 面的夾角為2-3°。

在上述各層的剝層工藝參數范圍內，可根據具體厚度進行離子束能量與夾角的調 整，厚度較厚時，可采用較大能量的離子束與較大的夾角，反之亦反，研磨時間可根據觀察 是否研磨到位進行確定，優選為10-40分鐘。