集成電路芯片濕法去層技術(shù)研究

鄒 冰，張?jiān)綇?qiáng)

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

集成電路行業(yè)當(dāng)前在我國有著良好的發(fā)展勢頭，對于滿足現(xiàn)代社會與經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求意義重大，然而芯片失效問題卻時有發(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)，主要在于操作簡單且不需要高配置的昂貴設(shè)備，同時效率較高，因而總成本較低。為力求在濕法去層時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

芯片在測試及使用過程中出現(xiàn)失效時，主要通過觀察、測試兩種手段對產(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)人員在對多層芯片進(jìn)行失效分析時，首要任務(wù)是使失效區(qū)層次可以被清晰地觀察到，從而加以測試。對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，芯片下層結(jié)構(gòu)中存在的失效點(diǎn)就會被上層結(jié)構(gòu)遮擋，使技術(shù)人員無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，會阻礙機(jī)械探針與金屬化層的接觸，技術(shù)人員也無法通過測試判斷檢測鈍化層下方的金屬化層是否存在斷裂損傷。針對此類情況，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)。去除鈍化層時需根據(jù)鈍化層的構(gòu)成物質(zhì)和含量選擇對應(yīng)的化學(xué)試劑。

當(dāng)芯片鈍化層的材質(zhì)為二氧化硅時，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)勢在于高效、操作簡便且成本低，芯片一接觸溶液就會起反應(yīng)快速去除鈍化層。缺點(diǎn)在于對鈍化層進(jìn)行腐蝕時不能很好地控制腐蝕方向以及程度，有時候會出現(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，需要考慮該方法帶來的后果，同時在實(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，這些層次有時候會摻雜其他元素，導(dǎo)致在利用氫氟酸去層時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，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，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

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芯片進(jìn)行去層，完成對失效芯片的觀察、測試，同時成本低廉。在對此方法的運(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，利用這一方法簡單易行的優(yōu)點(diǎn)，更靈活、高效、準(zhǔn)確地對集成電路芯片展開失效分析，觀察、測試芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，及時找出芯片真正的失效點(diǎn)和故障原因。