基于磨角染色法的結(jié)深測試及新應(yīng)用

孫楠楠，劉劍

基于磨角染色法的結(jié)深測試及新應(yīng)用

孫楠楠，劉劍

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

通過傳統(tǒng)的磨角染色法，利用不同染色液工作機(jī)理的不同，使PN結(jié)兩側(cè)的不同摻雜區(qū)域發(fā)生差異化上色，并運用光學(xué)干涉法產(chǎn)生干涉條紋，從而對半導(dǎo)體制造生產(chǎn)實踐中至關(guān)重要的結(jié)深信息進(jìn)行讀取，至今仍具有重要的現(xiàn)實意義。通過對相關(guān)工作原理、光學(xué)原理、化學(xué)原理等的描述，詳細(xì)介紹了磨角染色法的完整實施流程。對磨角染色法的特點進(jìn)行了歸納，并通過具體實例的列舉與分析，提出了傳統(tǒng)磨角染色法在結(jié)深測試之外的其他方面的新應(yīng)用，包括磨角染色法在管芯解剖分析、PCM測試管功能異常分析及離子注入工序生產(chǎn)故障的取證等方面發(fā)揮的全新的重要作用。

磨角染色法；磨角器；結(jié)深測試；PN結(jié)

1 引言

半導(dǎo)體技術(shù)本質(zhì)上是PN結(jié)的技術(shù)。在“硅片→管芯”的轉(zhuǎn)變過程中，無論是集成電路還是單管器件,無論是MOS器件還是雙極器件，無論是設(shè)備條件粗糙的低端產(chǎn)品小作坊還是引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展前沿的正規(guī)大廠，都必定涉及到PN結(jié)的形成。PN結(jié)的位置、程度、質(zhì)量等信息，一直都是生產(chǎn)監(jiān)控中的至關(guān)重要的情報之一，直接決定著電路結(jié)構(gòu)的生成和電學(xué)功能的實現(xiàn)[1]。通俗來說，一開始的“陰”、“陽”之分，造就了單向?qū)щ娦裕^而實現(xiàn)截然清晰的通/斷二態(tài)，0/1編碼由此而生，以0/1為基礎(chǔ)，才有了信息無損數(shù)字化，最終實現(xiàn)今天的科技神話。典型的PN結(jié)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 典型的PN結(jié)的構(gòu)成

2 半導(dǎo)體生產(chǎn)線對PN結(jié)監(jiān)控的常用手段

目前業(yè)界對PN結(jié)的分析方法有很多，依各廠家的技術(shù)與物資實力而異，包括擴(kuò)展電阻法、電容-電壓法、二次離子質(zhì)譜法等[2]。具體來說，按照測試側(cè)重點的不同，可以以如下方案實施：

（1）對PN結(jié)的濃度進(jìn)行監(jiān)控

可直接測試PN結(jié)所在硅片的方塊電阻或電阻率，需要的設(shè)備為普通的四探針測試儀；

（2）對PN結(jié)的位置進(jìn)行監(jiān)控：

可測試PN結(jié)的結(jié)深，可采用磨角染色法，擴(kuò)展電阻法等；

（3）對PN結(jié)的形貌進(jìn)行監(jiān)控：

可對PN結(jié)所在部位直接解剖，使用電子顯微鏡拍攝照片，進(jìn)行分析；

（4）對PN結(jié)的電學(xué)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控：

可對PN結(jié)進(jìn)行電學(xué)測試，觀察其擊穿特性及明確的擊穿電壓值，使用設(shè)備為普通圖示儀。

其中，磨角染色法作為一種比較傳統(tǒng)的測試手法，因其自身特點，至今在部分半導(dǎo)體生產(chǎn)線上仍然可以見到并產(chǎn)生了一些新的應(yīng)用。磨角染色法的特點歸納如下：

1.簡單易行，成本極低，需要的器材只有磨角器、幾種染色劑和簡單的光學(xué)顯微鏡。

2.操作簡單，因為屬于手工磨制，不涉及高壓真空或精密設(shè)備，人人都可在短時間內(nèi)熟練操作。

3.直觀可測，染色液對P型、N型兩種雜質(zhì)的區(qū)分很敏感，染色后的硅片在縱向（斜向）上的P、N分層情況可清晰呈現(xiàn)，一目了然，利用它可直接觀察硅片縱向各層PN結(jié)的實現(xiàn)情況，在雙極電路中尤其實用；而且各層區(qū)的結(jié)深可用光學(xué)方法讀出，既做到定性觀察，又實現(xiàn)了定量測量。

4.此法的主要缺點是數(shù)值分辨率低，只能對大于0.3微米的結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確讀數(shù)，但因為各分層之間的相對位置在較小的尺度下仍直觀可見，故此在對硅片進(jìn)行解剖、查找失效原因的場合，仍有一定的定性分析和取證價值。

3 磨角染色法介紹

3.1磨角器外觀及工作原理

常見的磨角器由不銹鋼制成，通常為圓柱形，外部有護(hù)環(huán)。磨角器本身的平坦部分與護(hù)環(huán)相齊，斜面部分則伸向環(huán)內(nèi)方向，如圖2所示。

圖2 常見的磨角器

圖3 磨角染色法的工作過程

工作時，將待測硅片用金鋼刀劃成小塊樣片，在顯微鏡下選定想要測試的方位，用烙鐵、石蠟將其固定在磨角器的斜面上(斜度約1～5°)，用酒精、棉團(tuán)清除樣片表面的蠟等雜物，保持平整，鎖定鎖緊螺絲，正面向下置于清水槽中的硬質(zhì)玻璃板上，松開鎖緊螺絲，使攜帶硅粒的磨角器自然下落，此時即可開始手工研磨，使硅粒樣片在玻璃板的接觸處被磨去幾微米，研磨面即與未磨的樣片表面構(gòu)成一個斜面，此斜面角度與磨角器角度一致。

將磨完的硅粒樣片從磨角器上取下，擦拭干凈，浸入到染色液中染色。為加快染色速度和提高PN兩區(qū)的對比度，染色通常輔以熱光燈泡照射[3]。染色完成后，P區(qū)和N區(qū)即可以不同顏色呈現(xiàn)，供后續(xù)分析使用。工作過程如圖3所示。

3.2 光學(xué)原理

為精確讀取染色樣片的結(jié)深信息，可借助單色光干涉技術(shù)。由于磨角結(jié)構(gòu)的特點，此干涉為標(biāo)準(zhǔn)的等厚干涉。具體過程為：令待測樣片的平面部分與水平光學(xué)玻璃貼緊，則其斜面部分即與水平光學(xué)玻璃形成空氣楔角，單色光(通常為鈉光)在此空氣楔中發(fā)生干涉，被光學(xué)顯微鏡觀察到。輔以染色過程形成的標(biāo)記，以此可將PN結(jié)的深度位置信息轉(zhuǎn)換為空氣楔的厚度問題。光學(xué)原理如圖4所示。

圖4 借助光干涉法讀取結(jié)深數(shù)值。

因為是等厚干涉，而非等傾，所以待測結(jié)果與干涉條紋的條數(shù)有關(guān)，與角度無關(guān)，因此不必精確測定這個角度[4]。對于鈉光燈，每出現(xiàn)一條亮紋，則可認(rèn)為對應(yīng)于空氣膜厚度為0.3μm的整數(shù)倍，具體公式為：

式(1)中，m為干涉條紋(亮紋)數(shù)；n為介質(zhì)折射率，此處為空氣，取值為1；λ為光源波長，若為鈉光燈，則鈉光譜線為雙線589.0nm、589.6nm，取其平均值589.3nm作為鈉光波長，從而在實用中將其半波長取近似值0.3μm。

3.3 化學(xué)染色原理

染色液有兩種，分別用來對P區(qū)和N區(qū)進(jìn)行選擇性著色[5]。

（1）P型著色的染色液

由氫氟酸（HF）、硝酸（HNO3）和醋酸（C2H4O2）混合配制，比例為1：3：10。此種染色液會造成P區(qū)被快速腐蝕變黑，而N區(qū)幾乎不會發(fā)生顏色變化，摻雜濃度不同的P型區(qū)，染色深淺也能顯現(xiàn)出明顯不同，因此具有一定的濃度區(qū)分能力，所以在對分層復(fù)雜的硅片進(jìn)行解剖染色的情況下多為使用。

（2）N型著色的染色液

N型上色染色液是氫氟酸和硫酸銅的水溶液。

具體配方為：CuSO4·5H2O 200g/l與 HF 10g/l混合，或 H2O：CuSO4：HF 按 500ml：0.5g：5ml配制，H2O要選用去離子水。

由于N型硅較P型硅易失電子，較易發(fā)生置換反應(yīng)，所以在N型硅上有銅析出[6]，或者說染上了銅，呈紅銅色，具體反應(yīng)式為：

Si+2CuSO4+6HF=2Cu↓+H2[SiF6]+2H2SO4

但此種染色法的濃度區(qū)分能力有限，如果染色時間過長，整個樣片都會染上銅，分不出P區(qū)和N區(qū)。此法多用在P型雜質(zhì)推進(jìn)后的結(jié)深測量，解剖分析時不常用。

在實踐操作中，磨角染色法結(jié)深測試的最終顯微鏡視場情況如圖5所示。

圖5 實際操作中的磨角染色法樣品及干涉條紋

4 磨角染色法在結(jié)深測試之外的新應(yīng)用

磨角染色法在傳統(tǒng)上僅用于結(jié)深的測定，作為一種與膜厚測試、方阻測試相并列的日常測試法，針對的都是工藝流片過程中的實驗陪片或測量片。但隨著生產(chǎn)實踐的發(fā)展，把它用在結(jié)深的測試讀取之外，對正式硅片進(jìn)行局部的磨角染色，也能實現(xiàn)一些全新的重要功能。以下舉出一些新應(yīng)用的實例。

（1）單管結(jié)構(gòu)分析

如圖6中的實例所示，磨角染色法可應(yīng)用到陌生芯片的剖析顯像，對特定部位進(jìn)行剖析，展現(xiàn)其縱向結(jié)構(gòu)，借助簡單的光學(xué)顯微鏡和攝像頭，可以采集到清晰直觀的剖面圖。相比于精度較高但成本也較高的電子顯微鏡，磨角染色法無疑具有成本低、制備容易、測試結(jié)果清晰直觀等優(yōu)勢。

圖6 用磨角染色法剖析單管結(jié)構(gòu)

（2）PCM測試管分析

與前一種應(yīng)用情況類似，此法主要針對出現(xiàn)參數(shù)異常的PCM測試管，分析器件的成管情況。因為目標(biāo)樣品各層次各部位的結(jié)構(gòu)事先已知，所以此法主要用來通過對器件結(jié)構(gòu)各區(qū)域的相對位置和深度進(jìn)行分析，找到擊穿、放大等功能異常的誘因。圖7為一雙極電路的PCM測試管，該電路在電測試中發(fā)現(xiàn)軟擊穿現(xiàn)象，經(jīng)染色，發(fā)現(xiàn)基區(qū)與埋層之間有異常P型雜質(zhì)分布，以及由版圖套偏引起的誤差[7]。圖中從左到右分別為集電區(qū)、發(fā)射區(qū)、基區(qū)。

圖7 雙極電路PCM測試管染色后的情況

（3）注入工藝生產(chǎn)事故取證

某批肖特基二極管產(chǎn)品出現(xiàn)整批參數(shù)異常，懷疑是注入工序因設(shè)備故障發(fā)生漏注。取正常批次管芯與異常批次管芯各一支，對相同部位進(jìn)行磨角染色分析。如圖8所示，可見，出現(xiàn)參數(shù)異常的管芯，其P型環(huán)原本應(yīng)該出現(xiàn)的位置，在染色后未見有結(jié)構(gòu)存在，從而對生產(chǎn)事故做了取證，對故障排查和責(zé)任追查提供重要參考。

圖8 用磨角染色法交叉對比，為管芯異常事故取證

5 結(jié)束語

作為一種傳統(tǒng)結(jié)深測試手段的磨角染色法，具有簡單易行，成本極低，易于重復(fù)等方面優(yōu)點，沒有特殊設(shè)備和技術(shù)條件的要求，易于掌握，對實際工作有很大便利[8]。通過簡單易懂的光學(xué)、化學(xué)原理詳細(xì)講述了磨角染色法的整體工作過程，并舉出幾種新型應(yīng)用的實例，在半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展的今天，為磨角染色法這一古老方法，努力謀取一席之地，使其發(fā)揮成本低廉和簡易直觀的優(yōu)勢，繼續(xù)為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的科研與生產(chǎn)服務(wù)。

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Junction Depth Measure and Its New Application Based on Angle Lap Stain Method

Sun Nannan,Liu jian
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

By traditional angle lap stain method,which uses different dyeing liquid to make different doping area on either side of PN junction stained differentially,and uses optical interference method to produce interferometric fringes,junction depth information which is important for semiconductor manufacturing production practice is detected,still having important practical significance to this day.Through the description of the operation principle,optical principle and chemical principle,the complete implementation process of angle lap stain method is introduced in detail.The characteristics of the method is generalized,and through the listing and the analysis of the specific cases,new applications except traditional junction depth measure are introduced,including device chip dissecting,PCM testing units dysfunction analysis and ion implantation process production abnormity evidence obtained,in which the method plays an all new important role.

Wire bonding;Failure analysis;Stability;Reliability;Failure mode;Fracture

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.011

B

1002-2279-（2017）06-0047-05

孫楠楠（1990-）,女,遼寧省遼陽市人，助理工程師，主研方向：信息情報。劉 劍（1982-），男，吉林省輝南縣人，高級工程師，主研方向：半導(dǎo)體器件。

2017-11-29