专利名称：用于功率金属氧化物晶体管芯片的缺陷失效定位方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体芯片的失效定位方法，特别是涉及一种用于功率金属氧化物晶体管(Power Metal-Oxide-Semiconductor, Power M0S)芯片的缺陷失效定位方法。
背景技术：
功率金属氧化物晶体管(Power M0S)芯片常见结构中，数万个以上的晶体管的栅极(多晶硅构成)并联在一起，芯片背面为漏极，芯片正面为源极，通过覆盖几微米厚的带扩散阻挡层氮化钛(TiN)，几百埃厚的铝层而连在一起，且出于后续键合的需要，铝层上大部区域不再覆盖其他材料(这为本发明的实施提供了条件)。Power MOS有很多种结构， 包括VMOS (V型槽M0S)，UMOS, DMOS等等，其中，VMOS芯片的主视示意图和俯视示意图分别如图1、图2所示。芯片失效分析的过程是先找到缺陷，然后再分析缺陷。现有的液晶分析(Liquid Crystal，LC)技术是将液晶材料涂于芯片整个表面，然后芯片通电进入失效状态，对于漏电区域，电流密度最大，产生的局部受热最严重，温度上升，然后材料在该温度下体现出液晶态，固态晶格和液态流动性，再用偏光显微镜观察，可在缺陷处看到斑状影像，至此缺陷定位完成。但这种缺陷定位方法存在的问题如下①要求漏电较大，通常在毫安以上；②代表缺陷位置的斑状影像，面积较大(数十平方微米以上)，常常会覆盖几十个单元(或晶体管)，当该缺陷在微米量级时，这样的定位太粗糙，范围太大，无法完成后续的物理微分析；③它只能定位大缺陷或对性能影响非常严重的缺陷。另外，还有一些技术应用于成像、芯片失效定位、漏电分析等，具体如下①聚焦粒子束电子显微镜(Focused Ion Beam, FIB)该设备或技术，用聚焦后的镓正离子束作为入射粒子(或叫一次离子)撞击样品表面，会形成二次离子、二次电子等，再通过收集二次电子成像；常见用途有断面精细切割、 成像(包括电压衬度像)、透射电镜制样、线路修复(包括开孔和镀金属层连线)等。②光发射显微分析技术(EmissionMicroscopy, EMMI) 利用的是半导体发光原理(半导体在各类外界激发下，如电激发，电子在能带内或不同能带间发生跃迁时会有光子的发射)，通过用专用相机如Si-CXD (Silicon-Charge Coupled Device，硅电荷耦合器件)相机，将光子捕捉，得到光发射分析图像，该图像与芯片的实物像叠加，就能判断发光的具体位置，该位置就是漏电最严重位置。EMMI适合于结漏电相关的失效定位。定位精度可取决于设备的镜头，对常用型号PHEM0S1000，放大倍率达 1000，分辨率小于1微米。③光致阻抗变化技术(Optical Beam Induced Resistance Change, 0BIRCH)通过激光加热引起电阻变化，电阻变化引起电流变化或电压变化，这个变化会被设备记录，缺陷处电阻特性往往变化更敏感，从而定位出缺陷位置。OBIRCH适合于欧姆接触类的漏电分析。定位精度可取决于设备的镜头，对常用型号PHEM0S1000，放大倍率达1000， 分辨率小于1微米。但对于POWER MOS芯片，内部一个晶体管漏电失效，芯片整体失效，而且所有数万个以上的晶体管结构相同，且都被厚金属覆盖，厚金属层具备对光的高反射性，对热的极佳热传导性，要从中找到缺陷或缺陷晶体管非常困难，而且目前也还没有很好的方法。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于功率金属氧化物晶体管(PowerMOS)芯片的缺陷失效定位方法。该方法针对存在漏电失效的Power MOS芯片，可以快速从数万个以上重复单元(或晶体管)中找到引起失效的缺陷的位置，并且精确到单个单元(或晶体管)。之后就可通过对缺陷的物理分析，找到失效原因和改善方法。为解决上述技术问题，本发明的用于功率金属氧化物晶体管芯片的缺陷失效定位方法，包括步骤(1)用酸去除功率金属氧化物晶体管芯片表面的铝(Al)层；其中，该酸是强性且不具氧化性的无氟(F)元素的酸，包括盐酸、稀硫酸，磷酸等；(2)对于不同类型的去除表面铝层的功率金属氧化物晶体管芯片，采用如下方法A、对于铝层下含有Ti/TiN(钛/氮化钛)扩散阻挡层的芯片铝层去除后，露出Ti/TiN层，栅极和源极存在金属引出层，经直接扎针栅极、源极、漏极灌电流作光发射显微分析技术(EMMI)或光致阻抗变化技术(OBIRCH)分析，将物镜镜头放大到最大的100倍来保证缺陷定位到晶体管级别，定位出精确到单个晶体管的缺陷；B、对于铝层下无扩散阻挡层的芯片铝层去除后，露出下面绝缘的氧化层；在芯片内的无晶体管区域用聚焦粒子束电子显微镜(FIB)淀积两个金属垫，再在每个金属垫的边上用聚焦粒子束电子显微镜淀积一个与该金属垫相连接的金属条，两个金属条的另一端分别独立连接到栅极和源极；利用两个金属垫和芯片背面漏极完成光发射显微分析技术(EMMI)或光致阻抗变化技术(OBIRCH)分析，将物镜镜头放大到最大的100倍来保证缺陷定位到晶体管级别，定位出精确到单个晶体管的缺陷。所述的每个金属垫可以是大小为50微米*50微米的钼金属垫，位于芯片的无晶体管区域，而且两个钼金属垫不连接在一起。所述的每个金属条可以是一个为1微米宽的钼金属条，长度是以保证连接起钼金属垫和所需要的栅极或漏极的长度为准，也淀积在芯片内的无晶体管区域。本发明可以定位微小漏电的缺陷或细微缺陷，同时可以定位到单个晶体管，通过先去除表面厚铝层，然后利用现有的EMMI和OBIRCH缺陷定位工具，将缺陷或缺陷晶体管从数万以上的晶体管中找出来，为后面的缺陷物理分析打下基础。因此，本发明具有以下有益效果(1)速度快，精度高，通过使用本发明和随后的物理分析找到失效原因后，可以帮助改善Power MOS工艺生产或实际应用中存在的问题，提高产品质量，产生巨大经济效益；
(2)响应低碳环保，可以规避对通常认为略带毒性的液晶使用；(3)从速度和质量上，都远远优于液晶分析。


下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1是VMOS芯片的主视示意图；图2是VMOS芯片的俯视示意图；图3是实施例中VMOS芯片的主视示意图；图4是实施例中VMOS芯片的俯视示意图；图5是实施例中表面去除铝层的VMOS芯片的主视示意图；图6是实施例中表面去除铝层的VMOS芯片的俯视示意图；图7是实施例中用EMMI或OBIRCH镜头分析表面去除铝层后的VMOS芯片的结果主视示意图；图8是实施例中用EMMI或OBIRCH镜头分析表面去除铝层后的VMOS芯片的结果俯视示意图；图9是实施例中淀积钼金属垫和钼金属条的去除表面铝层的VMOS芯片的主视示意图；图10是实施例中淀积钼金属垫和钼金属条的去除表面铝层的VMOS芯片的俯视示意图；图11是实施例中用EMMI或OBIRCH镜头分析淀积钼金属垫和钼金属条的去除表面铝层的VMOS芯片的主视示意图；图12是实施例中用EMMI或OBIRCH镜头分析淀积钼金属垫和钼金属条的去除表面铝层的VMOS芯片的俯视示意图；图13是对VMOS芯片，采用本发明的方法分析后得到的结果主视示意图；图14是对VMOS芯片，采用本发明的方法分析后得到的结果俯视示意图；图15是对VMOS芯片，用现有的液晶分析方法分析后得到的结果主视示意图；图16是对VMOS芯片，用现有的液晶分析方法分析后得到的结果俯视示意图。
具体实施例方式本实施例中以对VMOS芯片缺陷失效定位分析为例，来说明本发明的方法。其中， VMOS芯片的表面存在几微米厚的铝层，该VMOS芯片的主视示意图和示意俯视图分别如图 3、图4所示。以下实施例中，光发射显微分析技术(EMMI)或光致阻抗变化技术(OBIRCH)中运用到的设备镜头的型号为PHEMOS100，购自日本Hamamatsu公司。其中，运用EMMI或OBIRCH 技术是按现有常规的操作进行。本发明的用于功率金属氧化物晶体管芯片的缺陷失效定位方法，包括步骤(1)对VMOS芯片(图3-4所示)用稀盐酸(如质量浓度为20% )或稀硫酸去除 VMOS芯片表面的铝层，即当表面的铝层全部腐蚀即停止，这可保证只去除铝金属层；其中， 去除铝层后的VMOS芯片的主视示意图和俯视示意图分别如图5、图6所示，该芯片表面可以看到晶体管的部分形貌。(2)对于不同类型的去除表面铝层的VMOS芯片，采用如下方法A、对于铝层下含有Ti/TiN扩散阻挡层的去除表面铝层的VMOS芯片铝层去除后，露出下面完全无损的、均勻导电良好的Ti/TiN层，栅极和源极仍有完整的但厚度大为降低的金属引出层，经直接扎针栅极、源极、漏极灌电流作EMMI或 OBIRCH分析，将物镜镜头放大到最大的100倍来保证缺陷定位到晶体管级别，定位出该缺陷所在位置，其结果如图7、图8所示，从镜头得到的光点紧贴着实际缺陷位置，而且能精确到具体晶体管。本步骤中，由于扩散阻挡层仍为可导电层，因此，可直接作为后续分析的扎针电极使用。通常Ti/TiN厚度在几百埃，且它的晶粒较小，密度较低，不影响透光，可直接用EMMI 分析；同样是因为Ti/TiN的厚度薄，对激光的敏感性远好于存在厚铝层时，故OBIRCH分析也适用。B、对于铝层下无扩散阻挡层的去除表面铝层的VMOS芯片铝层去除后，露出下面绝缘的氧化层；在芯片内的无晶体管区域用聚焦粒子束电子显微镜(FIB)淀积两个50微米*50微米的钼金属垫，该两个钼金属垫不连接在一起；然后在每个钼金属垫的边上用FIB淀积一个1微米宽且与该金属垫相连接的钼金属条，钼金属条的长度是以保证连接起钼金属垫和所需要的栅极或源极的长度为准(图9、图10所示)，钼金属条也淀积在芯片内的无晶体管区域，且两个钼金属条也不连接在一起，两个金属条的另一端分别独立连接到栅极和源极。本步骤中，利用了 FIB的线路修复和电压衬度成像功能。对于上述淀积钼金属垫和钼金属条的去除表面铝层的VMOS芯片，再利用两个金属垫和芯片背面漏极完成EMMI或OBIRCH分析(将物镜镜头放大到最大的100倍)，其结果如图11-12所示，从镜头得到的光点紧贴着实际缺陷位置，而且能定位出精确到单个晶体管的缺陷。综上所述，对于VMOS芯片，采用本发明的通过EMMI或OBIRCH技术定位出的小光点，紧贴着实际缺陷位置(图13所示)，而且微米级别的光点，可精确到具体某个单元(某个晶体管)处(图14所示)。而对于同样的芯片，采用液晶分析方法则只能得到的大面积斑点，这个斑点表明实际缺陷在斑点下方某处(图15所示)，而无法确认该实际缺陷位置具体在哪一个单元处(图16所示)。因此，本发明的效果远远好于液晶分析，而且可以快速、 精确地找到缺陷位置。
权利要求
1.一种用于功率金属氧化物晶体管芯片的缺陷失效定位方法，包括步骤(1)用酸去除功率金属氧化物晶体管芯片表面的铝层；(2)对于不同类型的去除表面铝层的功率金属氧化物晶体管芯片，采用如下方法A、对于铝层下含有Ti/TiN扩散阻挡层的芯片铝层去除后，露出Ti/TiN层，栅极和源极存在金属引出层，经直接扎针栅极、源极、漏极灌电流作光发射显微分析技术或光致阻抗变化技术分析，定位出精确到单个晶体管的缺陷；B、对于铝层下无扩散阻挡层的芯片铝层去除后，露出下面绝缘的氧化层；在芯片内的无晶体管区域用聚焦粒子束电子显微镜淀积两个金属垫，再在每个金属垫的边上用聚焦粒子束电子显微镜淀积一个与该金属垫相连接的金属条，两个金属条的另一端分别独立连接到栅极和源极；利用两个金属垫和芯片背面漏极完成光发射显微分析技术或光致阻抗变化技术分析， 定位出精确到单个晶体管的缺陷。
2.如权利要求1所述的用于功率金属氧化物晶体管芯片的缺陷失效定位方法，其特征在于所述步骤(1)中的酸是强性且不具氧化性的无氟元素的酸，包括盐酸，稀硫酸，磷酸。
3.如权利要求1所述的用于功率金属氧化物晶体管芯片的缺陷失效定位方法，其特征在于所述步骤A、B中，光发射显微分析技术或光致阻抗变化技术分析中的物镜镜头放大到100倍来保证缺陷定位到晶体管级别。
4.如权利要求1所述的用于功率金属氧化物晶体管芯片的缺陷失效定位方法，其特征在于所述步骤B中，每个金属垫是大小为50微米*50微米的钼金属垫；每个金属条是一个为1微米宽的钼金属条，长度是以保证连接起钼金属垫和所需要的栅极或源极的长度为准。
全文摘要
本发明公开了一种用于功率金属氧化物晶体管芯片的缺陷失效定位方法，包括1)用酸去除功率金属氧化物晶体管芯片表面的铝层；2)对于铝层下含有Ti/TiN扩散阻挡层的芯片，直接扎针栅极、源极、漏极灌电流作EMMI或OBIRCH分析，定位出缺陷；对于铝层下无扩散阻挡层的芯片，在芯片内的无晶体管区域用FIB淀积两个金属垫，再在每个金属垫的边上用FIB淀积一个与该金属垫相连接的金属条，两个金属条的另一端分别连接到栅极和源极，利用两个金属垫和芯片背面漏极完成EMMI或OBIRCH测试，定位出缺陷。本发明的效果远远好于液晶分析，而且可以快速、精确地找到缺陷位置。
文档编号G01R31/311GK102466778SQ20101054754
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月17日 优先权日2010年11月17日
发明者潘永吉, 赖华平, 金勤海 申请人:上海华虹Nec电子有限公司