8、半导体器件缺陷检测技术：背面发射分析与新型化学蚀刻法

半导体器件缺陷检测技术：背面发射分析与新型化学蚀刻法

1. 背面发射分析技术

在半导体器件的失效分析中，传统的正面发射分析技术正面临着诸多挑战。多层金属化系统和先进封装技术的发展，使得正面分析变得困难甚至不可行。多层金属层阻碍了发射源与探测器之间的光路，降低了检测到发射信号的可能性；先进封装类型如Lead - On - Chip (LOC) 使得芯片正面暴露困难，且即使能暴露，也会被键合结构遮挡视线。此外，化学去封装过程可能会改变器件特性甚至使器件恢复正常，影响分析结果。

为应对这些问题，背面发射分析技术应运而生。该技术利用芯片背面进行缺陷定位，通过特殊的精密研磨和抛光仪器去除塑料封装材料，使芯片背面暴露。尽管硅基体对发射信号有一定的衰减，但在大多数情况下，仍能检测到“热点”。对于泄漏电流极低的情况，将芯片研磨得更薄有助于获得更明显的检测结果。

1.1 实验设备

本次研究使用了三种基本工具：
- THEMOS - 50 热发射系统：采用红外 CCD 相机，光谱响应范围为 3 至 5μm。
- PHEMOS - 75 热电子分析仪：使用冷却 CCD 相机，光谱响应范围为 400 至 1100nm。
- C7103 IC 背面抛光系统：用于去除封装材料并抛光芯片背面，提供光滑的表面以便观察光发射。

1.2 实验案例

• 256M DRAM ：采用 0.25μm 设计规则并组装在 40 - LOC 封装中的 256M DRAM 器件，正面分析因封装技术和电路布局而困难。从老化筛选中收集到的 16 个器件，通过背面分析成功分类缺陷机制。THEMOS 检测到 13 个故障，PHEMOS 仅检测到 2 个（栅氧化层击穿）。
• 1M Sync SRAM ：在批量生产测试中，特定批次的 1M Sync SRAM 器件出现大量引脚泄漏故障，故障可通过高温和/或高压应力消除。正面化学去封装分析因器件恢复而失败，背面光发射分析成功定位泄漏位置，后续 SEM 分析显示在多晶硅栅、有源区和场氧化层之间的边缘存在氧化物缺陷。
• 16M Byte - Wide DRAM ：在系统级评估中检测到故障，故障由随机单比特引起，对 Vcc 噪声敏感。正面分析未观察到“热点”，背面分析发现故障根源是片上 Vcc 电容器的氧化物缺陷。基于此分析结果，开发了待机电流筛选方法。
• 2M Slow SRAM ：在温度/湿度应力测试中出现故障，化学去封装可能影响故障机制，背面研磨和 THEMOS 分析定位到“高电流”位置在沿对角线紧密排列的四个过孔区域。缺乏光发射表明过孔之间存在电阻路径，而非硅级缺陷。
• 0.35μm TDDB 测试图案 ：用于测量时间相关介电击穿寿命的测试图案，由于上层金属化难以确定故障位置。将测试图案组装在廉价的 PDIP 封装中，利用背面研磨系统观察到发射信号，确定了故障位置。

2. 新型化学蚀刻法：155 Wright Etch

在晶圆制造过程中，硅衬底中的堆垛层错（SF）和晶体缺陷会影响产量。Wright Etch 是常用的化学蚀刻方法，用于在 (100) 和 (111) 硅表面显示堆垛层错，但直接使用时无法显示，原因是晶圆上沉积有薄膜。

2.1 Wright Etch 配方

Wright Etch 蚀刻剂由以下成分组成：
|成分|用量|
| ---- | ---- |
|氢氟酸 (49%)|60 ml|
|硝酸 (69 - 71%)|30 ml|
|5M CrO₃ (1 g CrO₃/2ml H₂O)|30 ml|
|硝酸铜 (试剂级)|2 g|
|冰醋酸 (99.7%)|60 ml|
|去离子水|60 ml|

在混合溶液时，建议准备 4 倍上述配方用于一般失效分析，先将硝酸铜溶解在给定的水中，其余化学品的混合顺序不重要。混合后需检查溶液总体积约为 960 ml，溶液应保存在塑料化学瓶中并标记，有效期约为 2 个月。

在蚀刻过程中，硝酸、铬氧化物溶液和硝酸铜氧化硅，少量硝酸铜增强了缺陷的清晰度，醋酸防止蚀刻过程中形成气泡，使背景表面光滑。缺陷区域应力较高，在蚀刻剂中蚀刻速度比半导体本体快，从而在缺陷位置形成坑，坑的形状取决于蚀刻剂、缺陷性质和晶体取向。例如，(111) 晶面是三角形，(100) 晶面是正方形，Wright Etch 能确定堆垛层错的晶体学取向。

2.2 实验方法

• Wright Etch 单独使用 ：直接使用 Wright Etch 蚀刻晶圆，在蚀刻 5 - 40 分钟内均未显示堆垛层错，表明不进行预处理的 Wright Etch 不适合实际应用。
• Wright Etch 延迟层后使用 ：先使用干法 (RIE) 和湿法蚀刻进行延迟层处理，再使用 Wright Etch，能显示堆垛层错，但该方法繁琐、耗时，且结果不稳定、不可重复，可能存在人工缺陷。
• 155 Wright Etch ：通过实验确定了合适的预处理时间和蚀刻时间。将晶圆样品在 49% 的 HF 中预处理 15 分钟，然后在 Wright Etch 中蚀刻 5 分钟。实验过程如下：
  1. 改变 HF 预处理时间 ：将 HF 预处理时间从 1 到 30 分钟变化，Wright Etch 时间固定为 5 分钟。结果表明，15 分钟的 HF 预处理能完全去除样品上的层，使整个样品暴露在 Wright Etch 中。
  2. 改变 Wright Etch 蚀刻时间 ：HF 预处理时间固定为 15 分钟，改变 Wright Etch 蚀刻时间。结果显示，蚀刻 1 分钟即可显示堆垛层错，蚀刻时间过长会导致坑合并或改变形状，因此选择 5 分钟作为合适的蚀刻时间。

mermaid 流程图如下：

graph LR
    A[样品准备] --> B[HF (49%) 预处理 15 分钟]
    B --> C[Wright Etch 蚀刻 5 分钟]
    C --> D[光学检查]
    D --> E{是否有缺陷}
    E -- 是 --> F[SEM 检查]
    E -- 否 --> G[结束]

2.3 应用与优势

• 应用 ：155 Wright Etch 方法已在失效分析实验室应用两年，能有效检测因高温氧化、硅沉淀、充电损伤、污染、BVGO 故障、结尖峰和接触链故障等导致的堆垛层错或晶体缺陷。
• 优势 ：
  • 快速：仅需两个主要步骤（共 20 分钟）。
  • 蚀刻坑清晰：能产生明确的蚀刻坑。
  • 易于光学识别：背景表面干净，便于光学识别缺陷。
  • 结果可重复：结果具有可重复性和再现性。
  • 缺陷形式多样：能显示不同形式的缺陷，从缺陷形状可获取不同的根本原因信息。

半导体器件缺陷检测技术：背面发射分析与新型化学蚀刻法

3. 155 Wright Etch 的应用案例分析

为了更直观地展示 155 Wright Etch 方法的有效性，下面通过具体的应用案例进行详细分析。

选取了两片晶圆，一片是低产量的“坏晶圆”，另一片是高产量的“好晶圆”，同时按照 155 Wright Etch 的步骤进行处理。

晶圆类型	处理步骤	结果
好晶圆	1. HF (49%) 预处理 15 分钟 2. Wright Etch 蚀刻 5 分钟 3. 光学检查	未发现堆垛层错或晶体缺陷
坏晶圆	1. HF (49%) 预处理 15 分钟 2. Wright Etch 蚀刻 5 分钟 3. 光学检查	发现了呈“子弹状”坑的晶体缺陷

从光学结果来看，好晶圆表面干净，无明显缺陷；而坏晶圆上的晶体缺陷由于背景表面干净，很容易通过光学方法识别出来。进一步通过 SEM 对“子弹状”坑进行特写观察，能更清晰地看到缺陷的具体形态。

在实际应用中，155 Wright Etch 检测到的堆垛层错或晶体缺陷具有多种形式，具体如下：
- (100) 方形缺陷 ：包括 (100) 方形坑（如在接触处因结尖峰导致的缺陷）和 (100) 方形小丘（如在接触区域因硅沉淀导致的缺陷）。
- (111) 三角形缺陷 ：例如在芯片区域因热氧化导致的 (111) 三角形坑。
- 其他形状缺陷 ：如“子弹状”“树叶状”“楔形”“蝌蚪状”等缺陷，以及由多个缺陷组合形成的“组合”缺陷。

这些不同形状的缺陷反映了不同的故障根源，通过对缺陷形状的分析，可以深入了解晶圆制造过程中出现问题的原因，为工艺改进提供重要依据。

4. 背面发射分析与 155 Wright Etch 的综合比较与展望

4.1 综合比较

背面发射分析技术和 155 Wright Etch 方法在半导体器件缺陷检测中都发挥着重要作用，但它们也有各自的特点和适用场景。

技术方法	优点	缺点	适用场景
背面发射分析技术	1. 可应对多层金属化和先进封装带来的正面分析难题 2. 能检测到低泄漏电流情况下的缺陷	1. 硅基体对信号有一定衰减，可能需要研磨芯片以增强信号 2. 设备成本相对较高	适用于多层金属化系统和先进封装的半导体器件，特别是正面分析困难或不可行的情况
155 Wright Etch 方法	1. 快速、操作简单，仅需两个主要步骤 2. 蚀刻坑清晰，易于光学识别 3. 结果可重复，能检测多种形式的缺陷	1. 仅限于检测硅衬底中的堆垛层错和晶体缺陷 2. 蚀刻过程需要使用化学试剂，存在一定的安全风险	适用于晶圆制造过程中硅衬底缺陷的检测，特别是需要快速确定缺陷位置和类型的情况

4.2 未来展望

随着半导体技术的不断发展，器件的复杂度和集成度越来越高，对缺陷检测技术的要求也越来越严格。未来，背面发射分析技术和 155 Wright Etch 方法有望在以下方面得到进一步发展：
- 技术融合 ：将背面发射分析技术和 155 Wright Etch 方法相结合，充分发挥两者的优势，实现更全面、更准确的缺陷检测。例如，先通过背面发射分析技术初步定位缺陷位置，再使用 155 Wright Etch 方法对缺陷进行详细分析，确定缺陷的类型和根源。
- 自动化与智能化 ：引入自动化设备和智能化算法，提高检测效率和准确性。例如，利用机器学习算法对检测结果进行分析和判断，自动识别缺陷类型和严重程度，为工艺改进提供更及时、更准确的反馈。
- 拓展应用领域 ：将这两种技术应用到更多类型的半导体器件和制造工艺中，如新型材料半导体器件、三维集成器件等，为半导体产业的发展提供更有力的支持。

总之，背面发射分析技术和 155 Wright Etch 方法在半导体器件缺陷检测中具有重要的应用价值，通过不断的技术创新和发展，它们将为半导体产业的高质量发展提供坚实保障。

mermaid 流程图展示未来技术发展方向：

graph LR
    A[现有技术] --> B[技术融合]
    A --> C[自动化与智能化]
    A --> D[拓展应用领域]
    B --> E[更全面准确检测]
    C --> F[提高检测效率与准确性]
    D --> G[应用于更多器件与工艺]