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用.pdf

1、隨著集成電路技術沿著摩爾(Moore)定律高速發(fā)展,半導體器件的特征尺寸不斷減小,復雜程度日益增加。芯片制造的復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/納米時代多層布線結構的VLSI的失效分析能力,實現(xiàn)快速、準確的失效定位和分析,是半導體技術發(fā)展的強烈需求。如何運用先進的失效分析技術來提高產(chǎn)品的良率和可靠性,已經(jīng)成為半導體生產(chǎn)控制中的一個重要環(huán)節(jié)。

2、>　　 集成電路芯片的可靠性指標是一些綜合性、統(tǒng)計性的指標,與質(zhì)量性能指標完全不同是,可靠性不可能用儀表、儀器或其它手段得到結果,而是要通過試驗,從試驗的過程中取得必要的數(shù)據(jù),然后通過數(shù)據(jù)分析,處理才能得到可靠性指標的統(tǒng)計量。可靠性試驗是評價產(chǎn)品可靠性的一個重要手段。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,要通過可靠性加速試驗來暴露產(chǎn)品潛在的缺陷,進而進行失效分析,并采取有效糾正措施,使產(chǎn)品的可靠性得到增長,可靠性試驗是評

3、價產(chǎn)品可靠性的一個重要手段。
　　 納米探針技術是一種先進的失效分析檢測和定位技術,可以在超大規(guī)模集成電路的可靠性試驗失效分析中應用。納米探針與傳統(tǒng)的探針技術最主要的區(qū)別是探針的尺寸,納米探針的針尖尺寸非常微小,約為50nm,可以用來探測集成電路內(nèi)部微小的結構,如金屬互連線,單個晶體管性能等。納米探針的出現(xiàn),使得晶體管級的失效分析成為了可能,將失效分析技術推進到一個新的層次。
　　 本文選用靜態(tài)存儲器(SRAM)產(chǎn)品作為

4、研究對象,研究了納米探針技術在集成電路失效分析中的應用。之所以選用SRNd芯片為研究對象是因為SRAM的每個存儲單元是由6個標準邏輯制程的MOS管所構成,在設計上遵從最嚴格的設計規(guī)則,有著最密集的結構,而SRAM存儲單元又可以通過字線和位線的方法來定位,方便用納米探針測試和進行后續(xù)的結構分析,通過對SRAM芯片進行可靠性試驗和分析,我們就可以用最嚴格的標準來檢測產(chǎn)品的可靠程度。
　　 本文試驗樣品是經(jīng)過48小時早期失效(EFR4

5、8h)和168小時高溫加速試驗(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,在125℃環(huán)境溫度下和1.4倍的操作電壓下,用來檢測芯片在使用過程中可能產(chǎn)生的潛在失效。兩顆失效樣品在進行完可靠性試驗之后,通過芯片測試機的測試,失效模式都是單比特失效(SingleBit)。我們對失效樣品處理之后就可以進行納米探針的測試了,通過納米探針測量失效存儲單元的6個MOS管的特性,包括輸出特性曲線、轉移特性曲線以及源漏

6、和襯底之間的漏電流,分析測試結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,通過與設計標準值和未失效單元的比較和分析來判定每個MOS管的好壞。對發(fā)生特性曲線偏移的晶體管,我們再做進一步的失效分析,主要包括聚焦離子束顯微鏡和透射電子顯微鏡的結構分析以及X射線能譜儀的元素分析。通過納米探針以及先進電子顯微鏡的分析,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小時失效單元中,一個下拉NMOS的Drain端與襯底之間有漏電流的存在,通過TEM的進一步結構分析,在N型有源區(qū)發(fā)現(xiàn)了硅襯底的晶格缺陷。通過對以上兩個可靠性失效樣品分析,我們發(fā)現(xiàn)了造成可靠性試驗失效的缺陷,試驗結果表明納米探針的測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。
　　 在納米探針的測試過程中,我們發(fā)現(xiàn)對測量結果產(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試結果的準確性。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。如果接觸電阻值過大(＞2000hm),就會對測量結果的準確性造成很大影響。通過一系列的改善措施,包括探針化學清洗過程的改進,探針表面氧化物的電去除以及測量方法的優(yōu)化,我們將接觸電阻對于測量結果的影響降低到了最小,保證了測量結果的準確性并