納米探針在超大規(guī)模集成電路可靠性和失效分析中的應(yīng)用.pdf

1、隨著集成電路技術(shù)沿著摩爾(Moore)定律高速發(fā)展,半導(dǎo)體器件的特征尺寸不斷減小,復(fù)雜程度日益增加。芯片制造的復(fù)雜性和難度的日益增大,使得影響芯片性能和可靠性的缺陷也隨著工藝的發(fā)展也向微小化發(fā)展而變得不容易被發(fā)現(xiàn)。如何能夠獲得深亞微米/納米時(shí)代多層布線結(jié)構(gòu)的VLSI的失效分析能力,實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的失效定位和分析,是半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)烈需求。如何運(yùn)用先進(jìn)的失效分析技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品的良率和可靠性,已經(jīng)成為半導(dǎo)體生產(chǎn)控制中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

2、>　　 集成電路芯片的可靠性指標(biāo)是一些綜合性、統(tǒng)計(jì)性的指標(biāo),與質(zhì)量性能指標(biāo)完全不同是,可靠性不可能用儀表、儀器或其它手段得到結(jié)果,而是要通過(guò)試驗(yàn),從試驗(yàn)的過(guò)程中取得必要的數(shù)據(jù),然后通過(guò)數(shù)據(jù)分析,處理才能得到可靠性指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)量?？煽啃栽囼?yàn)是評(píng)價(jià)產(chǎn)品可靠性的一個(gè)重要手段。為了保證產(chǎn)品具有一定的可靠性水平或提高產(chǎn)品的可靠性,要通過(guò)可靠性加速試驗(yàn)來(lái)暴露產(chǎn)品潛在的缺陷,進(jìn)而進(jìn)行失效分析,并采取有效糾正措施,使產(chǎn)品的可靠性得到增長(zhǎng),可靠性試驗(yàn)是評(píng)

3、價(jià)產(chǎn)品可靠性的一個(gè)重要手段。
　　 納米探針技術(shù)是一種先進(jìn)的失效分析檢測(cè)和定位技術(shù),可以在超大規(guī)模集成電路的可靠性試驗(yàn)失效分析中應(yīng)用。納米探針與傳統(tǒng)的探針技術(shù)最主要的區(qū)別是探針的尺寸,納米探針的針尖尺寸非常微小,約為50nm,可以用來(lái)探測(cè)集成電路內(nèi)部微小的結(jié)構(gòu),如金屬互連線,單個(gè)晶體管性能等。納米探針的出現(xiàn),使得晶體管級(jí)的失效分析成為了可能,將失效分析技術(shù)推進(jìn)到一個(gè)新的層次。
　　 本文選用靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)產(chǎn)品作為

4、研究對(duì)象,研究了納米探針技術(shù)在集成電路失效分析中的應(yīng)用。之所以選用SRNd芯片為研究對(duì)象是因?yàn)镾RAM的每個(gè)存儲(chǔ)單元是由6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)邏輯制程的MOS管所構(gòu)成,在設(shè)計(jì)上遵從最嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)則,有著最密集的結(jié)構(gòu),而SRAM存儲(chǔ)單元又可以通過(guò)字線和位線的方法來(lái)定位,方便用納米探針測(cè)試和進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析,通過(guò)對(duì)SRAM芯片進(jìn)行可靠性試驗(yàn)和分析,我們就可以用最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品的可靠程度。
　　 本文試驗(yàn)樣品是經(jīng)過(guò)48小時(shí)早期失效(EFR4

5、8h)和168小時(shí)高溫加速試驗(yàn)(HTOL168h)以后產(chǎn)生失效單元的芯片,EFR和HTOL都是可靠性加速試驗(yàn),在125℃環(huán)境溫度下和1.4倍的操作電壓下,用來(lái)檢測(cè)芯片在使用過(guò)程中可能產(chǎn)生的潛在失效。兩顆失效樣品在進(jìn)行完可靠性試驗(yàn)之后,通過(guò)芯片測(cè)試機(jī)的測(cè)試,失效模式都是單比特失效(SingleBit)。我們對(duì)失效樣品處理之后就可以進(jìn)行納米探針的測(cè)試了,通過(guò)納米探針測(cè)量失效存儲(chǔ)單元的6個(gè)MOS管的特性,包括輸出特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線以及源漏

6、和襯底之間的漏電流,分析測(cè)試結(jié)果之后得到晶體管特性參數(shù),如飽和電流(Idsat),閾值電壓(Vt),柵極漏電流等,通過(guò)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值和未失效單元的比較和分析來(lái)判定每個(gè)MOS管的好壞。對(duì)發(fā)生特性曲線偏移的晶體管,我們?cè)僮鲞M(jìn)一步的失效分析,主要包括聚焦離子束顯微鏡和透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)分析以及X射線能譜儀的元素分析。通過(guò)納米探針以及先進(jìn)電子顯微鏡的分析,我們可以發(fā)現(xiàn)隱藏在晶體管內(nèi)部的一些不可見(jiàn)缺陷。如在EFR失效樣品中,失效MOS管多晶硅柵上

7、的金屬硅化物熔入到多晶硅柵之中并穿透柵極氧化層;而在HTOL168小時(shí)失效單元中,一個(gè)下拉NMOS的Drain端與襯底之間有漏電流的存在,通過(guò)TEM的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)分析,在N型有源區(qū)發(fā)現(xiàn)了硅襯底的晶格缺陷。通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)可靠性失效樣品分析,我們發(fā)現(xiàn)了造成可靠性試驗(yàn)失效的缺陷,試驗(yàn)結(jié)果表明納米探針的測(cè)試和分析可以幫助我們找到造成超大規(guī)模集成電路失效的微小缺陷。
　　 在納米探針的測(cè)試過(guò)程中,我們發(fā)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響的主要是探針與樣品

8、之間的接觸電阻。接觸電阻的存在影響到了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于納米探針的針尖尺寸很小(≈50nm),加上針尖表面可能存在的氧化物的影響,探針和樣品之間的接觸電阻的大小就會(huì)很不穩(wěn)定,從幾十歐姆到幾千歐姆不等。如果接觸電阻值過(guò)大(＞2000hm),就會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性造成很大影響。通過(guò)一系列的改善措施,包括探針化學(xué)清洗過(guò)程的改進(jìn),探針表面氧化物的電去除以及測(cè)量方法的優(yōu)化,我們將接觸電阻對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響降低到了最小,保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性并