集成電路芯片濕法去層技術(shù)研究

鄒 冰，張?jiān)綇?qiáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng) 110000）

1 引言

集成電路行業(yè)當(dāng)前在我國(guó)有著良好的發(fā)展勢(shì)頭，對(duì)于滿足現(xiàn)代社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求意義重大，然而芯片失效問題卻時(shí)有發(fā)生，是一直值得被關(guān)注的重點(diǎn)問題。一般來說，技術(shù)人員在分析集成電路芯片失效時(shí)需要借助各種技術(shù)，去層技術(shù)便是其中一項(xiàng)重要手段。目前干法去層法和濕法去層法是去層技術(shù)的兩大類別。二者均是為了保留所需的薄膜層次同時(shí)去除不需要的薄膜層次，只是實(shí)現(xiàn)方法不同。其中濕法去層法的操作是通過準(zhǔn)備所需的化學(xué)溶液，利用溶液與薄膜層次發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到保留所需薄膜層次的目的。該方法比起干法去層法更具有優(yōu)點(diǎn)，主要在于操作簡(jiǎn)單且不需要高配置的昂貴設(shè)備，同時(shí)效率較高，因而總成本較低。為力求在濕法去層時(shí)盡量去凈不需要的薄膜層、達(dá)到盡可能完善的效果，在此對(duì)芯片濕法去層法在芯片不同結(jié)構(gòu)面上的應(yīng)用進(jìn)行分析和探討。

2 芯片結(jié)構(gòu)

集成電路芯片本質(zhì)上是一種功能電路，它是對(duì)Si襯底片的外延通過局部摻雜與圖形刻蝕等手段，形成實(shí)現(xiàn)特定電學(xué)功能的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，最終由金屬化層實(shí)現(xiàn)連接[1]。以常見的CMOS電路剖面結(jié)構(gòu)為例，按從上到下的順序，最上層是鈍化層，主要是由硼磷硅玻璃或二氧化硅、氮化硅等物質(zhì)構(gòu)成；鈍化層下是金屬層，一般由鋁構(gòu)成，完成電路的布線互聯(lián)；金屬層下方為層間介質(zhì)層，多為磷硅玻璃或二氧化硅；介質(zhì)下方為柵極、多晶硅、柵極介質(zhì)；最下層為Si襯底[2]。典型CMOS電路結(jié)構(gòu)剖面如圖1。失效分析法與濕法去層技術(shù)的運(yùn)用，都要以芯片具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為基礎(chǔ)。

圖1 典型CMOS電路剖面結(jié)構(gòu)

3 芯片失效分析方法

芯片在測(cè)試及使用過程中出現(xiàn)失效時(shí)，主要通過觀察、測(cè)試兩種手段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析。常見的集成電路芯片失效大多集中在金屬層和Si層上的有源區(qū)區(qū)域。技術(shù)人員在對(duì)多層芯片進(jìn)行失效分析時(shí)，首要任務(wù)是使失效區(qū)層次可以被清晰地觀察到，從而加以測(cè)試。對(duì)于在單層金屬上覆蓋有二氧化硅或氮化硅等透明鈍化層的芯片，技術(shù)人員可以通過簡(jiǎn)單的技術(shù)處理，借助金相顯微鏡觀察表層金屬化層和Si層上的有源區(qū)是否存在失效情況。而當(dāng)芯片上存在多層金屬、厚鈍化層或透明度不佳的有色鈍化層時(shí)，芯片下層結(jié)構(gòu)中存在的失效點(diǎn)就會(huì)被上層結(jié)構(gòu)遮擋，使技術(shù)人員無(wú)法很好地觀察芯片表面狀況[3]。除此之外，由于芯片的鈍化層采用絕緣材料制成，會(huì)阻礙機(jī)械探針與金屬化層的接觸，技術(shù)人員也無(wú)法通過測(cè)試判斷檢測(cè)鈍化層下方的金屬化層是否存在斷裂損傷。針對(duì)此類情況，就需要采用去層技術(shù)來去除上層芯片結(jié)構(gòu)，使失效點(diǎn)可以被顯微鏡看到或與探針實(shí)現(xiàn)電學(xué)接觸，這也是各種去層技術(shù)的實(shí)質(zhì)目的。

4 濕法去層方法運(yùn)用

芯片濕法去層技術(shù)需要根據(jù)具體的處理要求對(duì)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，按照從上而下的順序進(jìn)行去層處理，從而找到需要觀測(cè)的具體位置。在此選取某失效器件芯片為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，器件結(jié)構(gòu)從上至下分別為鈍化層→金屬層→層間介質(zhì)→金屬層→層間介質(zhì)→多晶硅→Si層，結(jié)構(gòu)較為典型。所使用濕法去層主要包括鈍化層去除、金屬化層去除以及層間介質(zhì)去除等環(huán)節(jié)。

4.1 鈍化層去除

集成電路芯片的鈍化層是芯片表層的一層密封性良好且絕緣的薄膜，用于保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通常芯片鈍化層的構(gòu)成物質(zhì)為硼磷硅玻璃、二氧化硅或氮化硅，這些材料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、致密性高、絕緣性好，能夠有效地保護(hù)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)。去除鈍化層時(shí)需根據(jù)鈍化層的構(gòu)成物質(zhì)和含量選擇對(duì)應(yīng)的化學(xué)試劑。

當(dāng)芯片鈍化層的材質(zhì)為二氧化硅時(shí)，選擇氫氟酸作為溶解劑，反應(yīng)過程中氫氟離子可以很好地跟芯片的硅離子、氧離子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。

進(jìn)行過硼、磷摻雜后的殘存的二氧化硅稱為硼磷硅玻璃，去除時(shí)選擇濃度為30%的氫氟酸，保證溶液溫度在60℃左右，具體配方為：

針對(duì)以氮化硅膜層構(gòu)成的芯片鈍化層，選擇磷酸作為化學(xué)試劑[4]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，濃度為85%、溫度在160℃時(shí)可達(dá)到最佳剝離效果。

上述步驟的具體化學(xué)反應(yīng)方程式為：

①去二氧化硅或硼磷硅玻璃鈍化層：

②去除氮化硅鈍化層：

實(shí)驗(yàn)中，待分析芯片的鈍化層材質(zhì)即為二氧化硅層+氮化硅層。采用上述方式進(jìn)行鈍化層去層后未發(fā)現(xiàn)失效點(diǎn)。去層后芯片表面形貌如圖2所示。

圖2 鈍化層去除后的芯片表面

采用濕法去層技術(shù)進(jìn)行芯片鈍化層去除的優(yōu)勢(shì)在于高效、操作簡(jiǎn)便且成本低，芯片一接觸溶液就會(huì)起反應(yīng)快速去除鈍化層。缺點(diǎn)在于對(duì)鈍化層進(jìn)行腐蝕時(shí)不能很好地控制腐蝕方向以及程度，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)不能完全去除或者過度腐蝕損壞內(nèi)引線或金屬化層等其他結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。因此，相關(guān)技術(shù)人員在利用濕法去層法去除鈍化層時(shí)，需要考慮該方法帶來的后果，同時(shí)在實(shí)踐中密切觀察腐蝕情況，防止化學(xué)試劑腐蝕其他芯片結(jié)構(gòu)。為確認(rèn)去層效果，可在去層后利用掃描電鏡或金相顯微鏡對(duì)芯片進(jìn)行掃描分析。

4.2 金屬化層去除

待分析芯片采用鋁金屬構(gòu)成金屬導(dǎo)線層，在實(shí)驗(yàn)中需進(jìn)行鋁金屬層的去除。首先要準(zhǔn)備濃度為30%的鹽酸溶液、30%的硫酸溶液或30%的硝酸溶液，其次保證采用的溶液溫度在50℃左右[5]。在此配方中，溶液濃度只影響腐蝕速率，因而無(wú)具體要求。

實(shí)驗(yàn)選擇硝酸作為腐蝕溶液。硝酸與鋁層的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

采用硝酸溶液進(jìn)行金屬層去除后,仍未發(fā)現(xiàn)失效點(diǎn)。去層后芯片表面形貌如圖3所示。

圖3 金屬層去除后的芯片表面

4.3 層間介質(zhì)層去除

集成電路芯片中，介質(zhì)層的成分多為不同形式的硅氧化物。利用濕法去層法去除層間介質(zhì)層的原理和方法與去除鈍化層相一致，都可以用氫氟酸去除。然而層間介質(zhì)層中的膜層形成方式不一。如干、濕法生長(zhǎng)的二氧化硅、涂覆生成的SOG（Silicon On Glass,硅－玻璃鍵合結(jié)構(gòu)）[6]以及沉積生成的硼磷硅玻璃等，這些層次有時(shí)候會(huì)摻雜其他元素，導(dǎo)致在利用氫氟酸去層時(shí)各薄膜層的腐蝕速率不一致[7]。因此在去除層間介質(zhì)層時(shí)，需要在腐蝕溶液中添加緩沖劑（氟化銨），以保證腐蝕過程平穩(wěn)進(jìn)行。

去除層間介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

待分析芯片的層間介質(zhì)為硼磷硅玻璃，進(jìn)行去層后仍未發(fā)現(xiàn)失效點(diǎn)。去層后芯片表面形貌如圖4所示。

圖4 層間介質(zhì)去除后的芯片表面

4.4 全芯片結(jié)構(gòu)層去除

在上述實(shí)驗(yàn)步驟中，對(duì)該集成電路芯片的鈍化層、金屬化層以及層間介質(zhì)層進(jìn)行了腐蝕去除后，芯片仍然存在無(wú)法被觀察的失效點(diǎn)，還需要進(jìn)一步處理芯片。繼續(xù)按上述思路對(duì)芯片進(jìn)一步逐步去層，最終直至露出芯片硅本體[8]，通過金相顯微鏡觀測(cè)，在有源區(qū)環(huán)上發(fā)現(xiàn)了失效點(diǎn)，如圖5所示。至此，通過濕法去層法，實(shí)現(xiàn)了失效定位的目標(biāo)。

圖5 芯片全結(jié)構(gòu)濕法去層后定位失效點(diǎn)

5 結(jié)束語(yǔ)

目前濕法去層法技術(shù)在芯片失效分析環(huán)節(jié)中應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，程度也在不斷加深，在集成電路等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了越來越大的作用。經(jīng)實(shí)踐，所述實(shí)驗(yàn)采用的濕法去層法能夠有效對(duì)芯片進(jìn)行去層，完成對(duì)失效芯片的觀察、測(cè)試，同時(shí)成本低廉。在對(duì)此方法的運(yùn)用中，工藝技術(shù)人員可在自身專業(yè)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)揮，利用這一方法簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)，更靈活、高效、準(zhǔn)確地對(duì)集成電路芯片展開失效分析，觀察、測(cè)試芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，及時(shí)找出芯片真正的失效點(diǎn)和故障原因。