一種柵氧化層缺陷的分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種集成電路失效分析(FA)中柵氧化層缺陷的分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在集成電路IC制程持續(xù)發(fā)展的今天，MOS器件作為集成電路中的核心元素是基石，而柵氧化層則又是MOS器件中最重要的組成部分。因?yàn)槎趸璞∧ぞ哂辛己玫慕^緣性，同時它與Si表面接觸的表面態(tài)密度又很低，所以最常用作為柵絕緣層。柵氧化層一般是采用熱氧化來制備的，良好氧化層的漏電流基本上為0，并且具有較高的擊穿電場強(qiáng)度(擊穿電場強(qiáng)度約為lOMV/cm)但實(shí)際上，由于器件尺寸等比縮小的同時，工作電壓卻沒有相應(yīng)的等比縮小，這就使得柵氧化層中的電場強(qiáng)度增大，器件的擊穿電壓降低，直接影響了器件的可靠性。同時，在硅片在整個制造過程中可能會受到顆粒、金屬、有機(jī)分子和靜電釋放(ESD)的沾污，以及在柵氧化生長過程中任何工藝環(huán)境上的異常和不穩(wěn)定，都柵氧化層產(chǎn)生的缺陷。哪怕是微小的缺陷，都會導(dǎo)致MOS器件閾值漂移，漏電增加，甚至直接發(fā)生低壓擊穿等不可逆的器件損毀，從而影響整個集成電路芯片的質(zhì)量和可靠性。
[0003]基于上述原因，柵氧化層的失效分析一直是集成電路失效分析中一個不可缺少的重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)有技術(shù)中主要是通過SEM觀察柵氧化層平面上缺陷的形貌。其常規(guī)失效分析的步驟為:首先，將樣品水平研磨至Poly層；然后，使用化學(xué)溶液去掉Poly，同時溶液會通過有缺陷的柵氧化層將部分襯底上的硅反應(yīng)掉；接著，將樣品放入SEM(掃描電鏡)中觀察，通過缺陷處的硅襯底被少量反應(yīng)掉后形成的微弱的襯度差異定位缺陷的位置，最后，再使用SEM從柵氧化層表面觀察缺陷的形貌。
[0004]具體分析過程如圖1a?圖1c所示:
[0005]含柵氧化層缺陷P的樣品截面如圖1a所示。
[0006]先根據(jù)失效點(diǎn)在樣品平面上標(biāo)記目標(biāo)的大概范圍，接著將樣品水平研磨制備到Poly層，如圖1b所示。
[0007]然后將樣品放入腐蝕硅和Poly，卻對二氧化硅有很好選擇比的化劑中腐蝕。結(jié)果是，化劑在去掉Poly的同時通過有缺陷的柵氧化層滲透到柵氧化層與硅襯底的界面，將缺陷處對應(yīng)襯底上的部分硅反應(yīng)掉，留下凹坑，如圖1c所示。
[0008]最后，將樣品放入SEM，觀察樣品平面，通過缺陷處的硅襯底被少量反應(yīng)掉后形成的微弱的襯度差異定位缺陷的位置，再繼續(xù)使用SEM觀察柵氧化層缺陷，并使用SEM拍攝柵氧化層缺陷照片。
[0009]由上述現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)分析方法可以看出主要有兩個的缺點(diǎn)。第一，腐蝕Poly的時間選定困難:長時間腐蝕反應(yīng)會損傷非缺陷位置的正常的柵氧化層，容易造成缺陷混淆，短時間腐蝕反應(yīng)則造成缺陷處的硅襯底被腐蝕不明顯，所以形成的襯度差異更加微弱，凹坑尺寸特別小，因而難于發(fā)現(xiàn)。上述兩種情況均會造成目標(biāo)與正常結(jié)構(gòu)混淆或甚至目標(biāo)丟失的后果，造成失效分析成功率低。第二，無法清晰觀測:由于是通過SEM平面觀測目標(biāo)，受SEM分辨率低的限制，再加上觀測是由柵氧化層向襯底方向進(jìn)行，由于缺陷邊界的柵氧化層的遮蔽，很難看清楚缺陷處的形貌?，F(xiàn)有技術(shù)中，一開始的目標(biāo)定位只是根據(jù)失效點(diǎn)劃出了大概范圍，實(shí)際操作上由于上述兩個缺點(diǎn)的疊加，很容易發(fā)生缺陷目標(biāo)丟失引起的分析失敗。
[0010]因此，需要提出一種新的能夠?qū)叛趸瘜尤毕葸M(jìn)行準(zhǔn)確定位，并能夠進(jìn)行大倍率清晰觀測的分析方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是集成電路柵氧化層缺陷難以準(zhǔn)確定位和無法大倍率觀測。
[0012]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種柵氧化層缺陷的分析方法。
[0013]本發(fā)明提出一種柵氧化層缺陷的分析方法，其步驟包括:
[0014]步驟SOl:平面上找到目標(biāo)所在區(qū)域并標(biāo)記；
[0015]步驟S02:裂片使樣品斷面的截面到達(dá)目標(biāo)區(qū)域附近；
[0016]步驟S03:將樣品豎直放入FIB內(nèi)，使已加工的截面向上；
[0017]步驟S04:在樣品硅襯底內(nèi)切割，制備樣品的第一切割面；
[0018]步驟S05:取出樣品，進(jìn)行硅腐蝕；
[0019]步驟S06:將樣品豎直再次放入FIB內(nèi)，在硅襯底上方結(jié)構(gòu)內(nèi)切割、制備第二切割面，完成制樣；
[0020]步驟S07:進(jìn)行TEM觀測分析。
[0021]可選的，步驟S02所述的裂片使樣品斷面的截面到達(dá)目標(biāo)區(qū)域附近是指樣品斷面的截面離目標(biāo)區(qū)域I?10微米的距離；
[0022]優(yōu)選的，所述裂片是通過切割或研磨的方法使樣品裂開，斷裂面為斷面；
[0023]可選的，步驟S04所述第一切割面在硅襯底界面以下50?300納米；
[0024]可選的，步驟S05硅腐蝕的腐蝕液為KOH或Poly酸；
[0025]優(yōu)選的，腐蝕使用KOH或Poly酸的腐蝕時間為10?30秒，隨后再用去離子水沖洗去凈殘留的腐蝕液；
[0026]可選的，當(dāng)在樣品娃襯底上方結(jié)構(gòu)內(nèi)切割到Poly,且發(fā)現(xiàn)Poly空洞時，步驟S06所述第二切割面位置確定；
[0027]可選的，步驟S06所述平面TEM樣品的觀測面，其面積為5*5?10*10平方微米；
[0028]可選的，步驟S04和步驟S06所述第一和第二切割面均平行于硅襯底界面；
[0029]可選的，步驟S04和步驟S06所述的切割樣品由FIB的離子束轟擊完成。
[0030]按照現(xiàn)有技術(shù)的柵氧化層缺陷的分析方法，首先，將樣品水平研磨至Poly層；然后，使用化學(xué)腐蝕劑去掉Poly，同時化學(xué)腐蝕劑會通過有缺陷的柵氧化層將部分襯底上的娃反應(yīng)掉；接著，將樣品放入SEM(掃描電鏡)中觀察，通過缺陷處的娃襯底被少量反應(yīng)掉后形成的微弱的襯度差異定位缺陷的位置，最后，再使用SEM從柵氧化層表面觀察缺陷的形貌。
[0031]現(xiàn)有技術(shù)不可避免地存在著兩個缺點(diǎn):腐蝕時間選定的困難和無法清晰觀測。腐蝕時間的選定是如何不影響正常柵氧化層和缺陷特征不明顯之間的矛盾，事實(shí)上往往會發(fā)生缺陷特征終于明顯，但是正常柵氧化層也已經(jīng)受損，或者即使正常柵氧化層已經(jīng)受損，但缺陷特征仍然不清晰的極端情況。無法清晰觀測是由于分析選用的設(shè)備和不斷發(fā)展的技術(shù)的矛盾。常規(guī)方法使用SEM進(jìn)行觀測，這在于集成電路發(fā)展的過去階段，當(dāng)技術(shù)上只要求找到柵氧化層的缺陷點(diǎn)的情況下是能夠勝任的。但當(dāng)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)在，不僅需要找到缺陷點(diǎn)，還要求觀測缺陷的形貌，來支持對缺陷發(fā)生誘因的判斷。這種情況下，SEM觀測的方法明顯不能準(zhǔn)確有效的信息。再加上現(xiàn)有技術(shù)大范圍框定目標(biāo)缺陷范圍的定位方法，使得現(xiàn)有技術(shù)的分析方法不能夠?qū)叛趸瘜尤毕葸M(jìn)行準(zhǔn)確定位，也不能夠進(jìn)行大倍率清晰觀測
[0032]然而按照本發(fā)明提出的分析方法，上述困難就可以迎刃而解。
[0033]本發(fā)明方法采用TEM進(jìn)行觀測，為提供大倍率清晰觀測圖像提供了硬件上的保證。因此本發(fā)明方法重點(diǎn)主要圍繞著準(zhǔn)確進(jìn)行柵氧化層缺陷定位和TEM樣品的制備。這是與現(xiàn)有技術(shù)相比較的根本優(yōu)勢所在。
[0034]具體步驟為:先從平面找到目標(biāo)所在區(qū)域并標(biāo)記，通過切割或研磨將樣品截面加工至距離目標(biāo)區(qū)域處；接著，豎直樣品使已加工的截面向上放入FIB，開始制備本發(fā)明方法的柵氧化層缺陷分析所需的TEM樣品；樣品的第一切割面樣品硅襯底內(nèi)部，平行且靠近于襯底界面；取出樣品，放置入硅腐蝕液中進(jìn)行腐蝕；隨后重新放置樣品到FIB，從樣品制備第二切割面，在硅襯底上方結(jié)構(gòu)頂層開始切割，根據(jù)切割中發(fā)現(xiàn)的Poly空洞確定第二切割面，完成TEM制樣；最后使用TEM對樣品進(jìn)行柵氧化層缺陷的觀測和分析。
[0035]上述發(fā)明方法的重點(diǎn)在于，根據(jù)集成電路器件構(gòu)造:柵氧化層位于Poly和襯底中間，直接與硅襯底接觸形成溝道區(qū)，在襯底內(nèi)部制備第一切割面，該切割面與柵氧化層之間留有一硅襯底薄層，再通過硅腐蝕去除該硅襯底薄層，由于柵氧化層存在缺陷，腐蝕液在腐蝕娃襯底薄層的同時滲透缺陷所在的薄弱點(diǎn)繼續(xù)腐蝕柵氧化層上方的Poly，形成