23、半导体失效分析技术：SIMS与ECW蚀刻法的应用

半导体失效分析技术：SIMS与ECW蚀刻法的应用

在半导体行业中，失效分析对于确保产品质量和性能至关重要。本文将介绍两种重要的失效分析技术：二次离子质谱（SIMS）用于移动离子的失效隔离，以及基于KOH:H₂O溶液的电化学湿法蚀刻（ECW）用于检测栅极氧化物缺陷。

1. 移动离子失效隔离的SIMS分析

1.1 移动离子问题概述

移动离子一直是半导体行业的难题。常见的移动离子包括钠（Na）、钾（K）和锂（Li），而铯（Cs）虽然也被归类为移动离子，但因其较重，移动性相对较弱。在电场作用下，这些金属离子能轻易穿过二氧化硅，通常会在氧化物 - 硅界面堆积，额外的电荷会严重影响器件的运行。

1.2 样品特征与问题怀疑

对CMOS VLSI样品进行SIMS分析，怀疑存在移动离子污染的原因如下：
- 早期老化测试中的失效情况在不同晶圆批次中广泛分布。
- 所有样品要么功能测试失败，要么具有高ICCQ（静态电流）。
- 将器件在约125°C下烘烤20小时，失效现象会消失，但再次在老化板上施加应力，失效又会重现。
- 对高ICCQ的器件进行光发射分析，发现通过老化应力和烘烤操作，发射位点会出现和消失，且约90%的情况下，在老化 - 发射分析 - 烘烤 - 发射分析 - 老化 - 发射分析循环后，发射位点能在同一位置重新出现。
- 对发射位点处的晶体管进行失效分析去处理和光学检查，未发现明显的物理失效机制证据。

1.3 SIMS分析优势

由于有一定信心认为失效原因是移动离子，因此需要一种能检测移动离子的工具，同时还需获取这些未知金属离子的位置、来源和存在原因等信息。SIMS深度剖析在疑似污染物的三维分布分析中具有优势。

1.4 SIMS分析过程

• 仪器与分析区域 ：使用Perkin Elmer 6600二次离子质谱仪，选择开放、未金属化的区域进行分析。
• 分析协议 ：先用高初级电流束以250 x 250 μm²的光栅扫描清洁样品表面，然后缩小到50 x 50 μm²的光栅扫描进行测量。
• 定量分析 ：通过分析离子注入的SiO₂标准样品得到相对灵敏度因子，对K、Na和Li的分布进行定量分析。同时，分析该标准样品还可证明电荷补偿条件设置能最小化氧化物层中碱金属元素的束流诱导迁移。
• 深度轴确定 ：分析后使用校准的轮廓仪测量溅射坑的深度来确定深度轴，整体分析精度预计在15% - 20%范围内。

graph LR
    A[样品准备] --> B[清洁表面]
    B --> C[测量]
    C --> D[定量分析]
    D --> E[确定深度轴]

1.5 分析结果与污染定位

分析结果以浓度（原子/cc）与深度（微米）的关系图呈现。评估这些图可知，在BPSG（硼磷硅玻璃）层界面存在大量钠污染。通过在不同工艺步骤中断制造过程，制备用于SIMS分析的样品，可确定污染引入的具体步骤。

2. 基于ECW蚀刻的栅极氧化物缺陷检测

2.1 栅极氧化物缺陷检测的重要性

栅极氧化物对器件特性有重要影响，因此可靠且简便地检测其缺陷至关重要。传统检测方法存在一些问题，如需要复杂的去处理过程，且可能无法确认无物理失效的电气缺陷。

2.2 ECW蚀刻原理

ECW蚀刻基于Si在KOH:H₂O中的化学和电化学湿法蚀刻。KOH:H₂O是常用的Si蚀刻溶液，Si的蚀刻具有各向异性，（100）面的蚀刻速率远高于（111）面。当Si作为阳极并施加一定正电压置于KOH:H₂O中时，表面会形成阳极氧化物，蚀刻停止。

graph LR
    A[KOH:H₂O溶液] --> B[Si蚀刻]
    B --> C{施加正电压}
    C -- 是 --> D[形成阳极氧化物]
    D --> E[蚀刻停止]
    C -- 否 --> B

2.3 检测原理

在暴露多晶硅栅极后，向Si衬底施加一定电压并置于KOH:H₂O中，正常的多晶硅栅极会被蚀刻，而通过栅极氧化物缺陷与Si衬底短路的多晶硅栅极由于被阳极氧化物覆盖而保持未蚀刻状态，从而可清晰观察到栅极氧化物缺陷。

2.4 实际应用

• 晶体管测试结构的功能失效 ：对晶体管测试结构的单个单元进行失效分析，功能测试证明某个单元失效。在ECW蚀刻前通过传统蚀刻暴露字线，蚀刻后施加电压，包含失效单元的字线保持未蚀刻，推测该字线通过失效单元中的栅极氧化物缺陷与Si衬底短路。但在这种情况下，如果未通过其他方法指定失效单元，缺陷点难以定位。
• 浮栅电容器测试结构的单单元失效 ：对浮栅电容器测试结构的单单元失效进行ECW蚀刻。传统蚀刻后，Si衬底上失效单元与正常单元无明显差异，但Wright蚀刻后，失效单元的部分区域被蚀刻，表明杂质从浮栅通过栅极氧化物扩散到了Si衬底，原因是栅极氧化物中存在颗粒。ECW蚀刻后，正常的字线和浮栅被蚀刻，而失效单元的浮栅保持未蚀刻，成功检测到栅极氧化物缺陷。由于浮栅电容器测试结构中每个浮栅相互隔离且对应每个单元，因此ECW蚀刻在定位缺陷单元方面更有效。
• 浮栅电容器测试结构的字线失效 ：对浮栅电容器测试结构的字线失效进行ECW蚀刻。低倍图像显示一条字线保持未蚀刻，且其下方的一个浮栅也未蚀刻，表明浮栅通过其下方的栅极氧化物缺陷与Si衬底短路，字线也通过该缺陷、浮栅以及浮栅上的层间介质缺陷与Si衬底短路。通过FIB辅助的横截面图像可清晰看到衬底在该单元下方存在缺陷，导致单元变形，说明栅极氧化物和层间介质存在漏电现象。实验表明，在字线电压为3.3V时，漏电电流为几十μA的缺陷可以被检测到。

通过上述两种技术，我们可以更有效地进行半导体失效分析，为半导体制造过程中的质量控制和问题解决提供有力支持。在实际应用中，根据具体问题选择合适的分析方法，能够准确找出失效原因并采取相应的纠正措施。

3. 总结与展望

SIMS分析为确定移动离子的类型、来源和位置提供了详细信息，有助于生产设施采取正确的纠正措施，降低移动离子浓度。而基于ECW蚀刻的技术在检测栅极氧化物缺陷方面表现出色，尤其适用于具有浮栅的器件，能轻松检测电气缺陷且不损坏缺陷点，便于进行详细分析。未来，随着半导体技术的不断发展，这些失效分析技术也将不断完善，为提高半导体产品的可靠性和性能发挥更大的作用。

在半导体失效分析领域，不断探索和应用新的技术和方法，对于解决日益复杂的问题至关重要。希望本文介绍的两种技术能为相关从业人员提供有价值的参考。

半导体失效分析技术：SIMS与ECW蚀刻法的应用（续）

4. 两种技术的对比与综合应用

为了更清晰地了解SIMS分析和基于ECW蚀刻的技术在半导体失效分析中的特点，我们可以通过以下表格进行对比：
| 技术特点 | SIMS分析 | 基于ECW蚀刻的技术 |
| — | — | — |
| 检测对象 | 移动离子（如Na、K、Li等） | 栅极氧化物缺陷 |
| 分析优势 | 可确定离子的三维分布、来源和位置 | 无需直接观察栅极氧化物，可检测电气缺陷 |
| 样品要求 | 开放、未金属化区域 | 暴露多晶硅栅极后的样品 |
| 分析过程 | 离子轰击、定量分析、深度测量 | 电化学湿法蚀刻 |
| 应用场景 | 半导体制造过程中移动离子污染分析 | 晶体管和浮栅电容器测试结构的失效分析 |

在实际的半导体失效分析中，这两种技术并非相互独立，而是可以综合应用。例如，当怀疑半导体器件同时存在移动离子污染和栅极氧化物缺陷时，可以先使用SIMS分析确定移动离子的情况，然后再运用基于ECW蚀刻的技术检测栅极氧化物缺陷。具体的综合应用流程如下：

graph LR
    A[样品怀疑存在多种问题] --> B[SIMS分析]
    B --> C{是否存在移动离子污染}
    C -- 是 --> D[确定移动离子信息]
    C -- 否 --> E[跳过移动离子分析]
    D --> F[基于ECW蚀刻的技术检测]
    E --> F
    F --> G{是否存在栅极氧化物缺陷}
    G -- 是 --> H[定位缺陷位置并分析]
    G -- 否 --> I[确认无栅极氧化物缺陷]

5. 技术操作要点与注意事项

5.1 SIMS分析操作要点

• 样品选择 ：确保选择开放、未金属化的区域进行分析，避免金属线对测量的干扰。
• 离子轰击参数 ：严格控制氧初级离子轰击的参数，包括初级电流、光栅扫描大小等，以保证分析的准确性。
• 电荷补偿 ：在分析过程中，要设置合适的电荷补偿条件，最小化碱金属元素在氧化物层中的束流诱导迁移。
• 深度测量 ：使用校准的轮廓仪准确测量溅射坑的深度，以确定深度轴，保证分析结果的精度。

5.2 基于ECW蚀刻的技术操作要点

• 溶液配制 ：准确配制KOH:H₂O溶液，控制溶液的浓度和温度，以确保Si的蚀刻速率和选择性。
• 电压施加 ：向Si衬底施加合适的电压，保证正常多晶硅栅极被蚀刻，而短路的多晶硅栅极被阳极氧化物覆盖。
• 蚀刻时间 ：根据实际情况控制蚀刻时间，避免过度蚀刻或蚀刻不足。

5.3 注意事项

• 无论是SIMS分析还是基于ECW蚀刻的技术，都需要在专业的实验室环境中进行操作，遵循相关的安全规范。
• 在分析过程中，要注意防止样品受到污染，影响分析结果的准确性。
• 对于分析结果的解读，需要结合专业知识和实际情况进行综合判断，避免误判。

6. 案例分析：综合应用两种技术解决复杂问题

假设某半导体制造企业在生产过程中发现一批CMOS VLSI器件出现了异常的性能问题，怀疑同时存在移动离子污染和栅极氧化物缺陷。企业决定采用SIMS分析和基于ECW蚀刻的技术进行综合分析，具体步骤如下：
1. SIMS分析
- 选择开放、未金属化区域的样品，使用Perkin Elmer 6600二次离子质谱仪进行分析。
- 按照分析协议，先用高初级电流束以250 x 250 μm²的光栅扫描清洁样品表面，然后缩小到50 x 50 μm²的光栅扫描进行测量。
- 通过分析离子注入的SiO₂标准样品得到相对灵敏度因子，对K、Na和Li的分布进行定量分析。
- 分析后使用校准的轮廓仪测量溅射坑的深度来确定深度轴。
- 分析结果显示，在BPSG层界面存在大量钠污染，确定了移动离子的来源和位置。
2. 基于ECW蚀刻的技术检测
- 对样品进行处理，暴露多晶硅栅极。
- 向Si衬底施加一定电压，并将样品置于KOH:H₂O溶液中进行蚀刻。
- 观察蚀刻后的样品，发现部分多晶硅栅极保持未蚀刻状态，确定存在栅极氧化物缺陷。
- 通过进一步分析，定位了缺陷的具体位置和原因。

通过综合应用这两种技术，企业成功找出了器件性能异常的原因，并采取了相应的纠正措施，提高了产品的质量和可靠性。

7. 结论

SIMS分析和基于ECW蚀刻的技术在半导体失效分析中都具有重要的应用价值。SIMS分析能够准确确定移动离子的类型、来源和位置，为解决移动离子污染问题提供有力支持；而基于ECW蚀刻的技术则在检测栅极氧化物缺陷方面表现出色，无需直接观察栅极氧化物即可检测电气缺陷。在实际应用中，这两种技术可以相互补充、综合应用，以解决更复杂的半导体失效问题。

随着半导体技术的不断发展，失效分析技术也将不断创新和完善。未来，我们可以期待出现更多高效、准确的分析方法，为半导体产业的发展提供更坚实的保障。同时，相关从业人员也需要不断学习和掌握新的技术和方法，以应对日益复杂的失效分析挑战。