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《复旦大学》 2009年
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纳米探针在超大规模集成电路可靠性和失效分析中的应用

章鸣  
【摘要】: 随着集成电路技术沿着摩尔(Moore)定律高速发展,半导体器件的特征尺寸不断减小,复杂程度日益增加。芯片制造的复杂性和难度的日益增大,使得影响芯片性能和可靠性的缺陷也随着工艺的发展也向微小化发展而变得不容易被发现。如何能够获得深亚微米/纳米时代多层布线结构的VLSI的失效分析能力,实现快速、准确的失效定位和分析,是半导体技术发展的强烈需求。如何运用先进的失效分析技术来提高产品的良率和可靠性,已经成为半导体生产控制中的一个重要环节。 集成电路芯片的可靠性指标是一些综合性、统计性的指标,与质量性能指标完全不同是,可靠性不可能用仪表、仪器或其它手段得到结果,而是要通过试验,从试验的过程中取得必要的数据,然后通过数据分析,处理才能得到可靠性指标的统计量。可靠性试验是评价产品可靠性的一个重要手段。为了保证产品具有一定的可靠性水平或提高产品的可靠性,要通过可靠性加速试验来暴露产品潜在的缺陷,进而进行失效分析,并采取有效纠正措施,使产品的可靠性得到增长,可靠性试验是评价产品可靠性的一个重要手段。 纳米探针技术是一种先进的失效分析检测和定位技术,可以在超大规模集成电路的可靠性试验失效分析中应用。纳米探针与传统的探针技术最主要的区别是探针的尺寸,纳米探针的针尖尺寸非常微小,约为50nm,可以用来探测集成电路内部微小的结构,如金属互连线,单个晶体管性能等。纳米探针的出现,使得晶体管级的失效分析成为了可能,将失效分析技术推进到一个新的层次。 本文选用静态存储器(SRAM)产品作为研究对象,研究了纳米探针技术在集成电路失效分析中的应用。之所以选用SRAM芯片为研究对象是因为SRAM的每个存储单元是由6个标准逻辑制程的MOS管所构成,在设计上遵从最严格的设计规则,有着最密集的结构,而SRAM存储单元又可以通过字线和位线的方法来定位,方便用纳米探针测试和进行后续的结构分析,通过对SRAM芯片进行可靠性试验和分析,我们就可以用最严格的标准来检测产品的可靠程度。 本文试验样品是经过48小时早期失效(EFR48h)和168小时高温加速试验(HTOL168h)以后产生失效单元的芯片,EFR和HTOL都是可靠性加速试验,在125℃环境温度下和1.4倍的操作电压下,用来检测芯片在使用过程中可能产生的潜在失效。两颗失效样品在进行完可靠性试验之后,通过芯片测试机的测试,失效模式都是单比特失效(Single Bit)。我们对失效样品处理之后就可以进行纳米探针的测试了,通过纳米探针测量失效存储单元的6个MOS管的特性,包括输出特性曲线、转移特性曲线以及源漏和衬底之间的漏电流,分析测试结果之后得到晶体管特性参数,如饱和电流(Idsat),阈值电压(Vt),栅极漏电流等,通过与设计标准值和未失效单元的比较和分析来判定每个MOS管的好坏。对发生特性曲线偏移的晶体管,我们再做进一步的失效分析,主要包括聚焦离子束显微镜和透射电子显微镜的结构分析以及X射线能谱仪的元素分析。通过纳米探针以及先进电子显微镜的分析,我们可以发现隐藏在晶体管内部的一些不可见缺陷。如在EFR失效样品中,失效MOS管多晶硅栅上的金属硅化物熔入到多晶硅栅之中并穿透栅极氧化层;而在HTOL168小时失效单元中,一个下拉NMOS的Drain端与衬底之间有漏电流的存在,通过TEM的进一步结构分析,在N型有源区发现了硅衬底的晶格缺陷。通过对以上两个可靠性失效样品分析,我们发现了造成可靠性试验失效的缺陷,试验结果表明纳米探针的测试和分析可以帮助我们找到造成超大规模集成电路失效的微小缺陷。 在纳米探针的测试过程中,我们发现对测量结果产生影响的主要是探针与样品之间的接触电阻。接触电阻的存在影响到了测试结果的准确性。由于纳米探针的针尖尺寸很小(≈50nm),加上针尖表面可能存在的氧化物的影响,探针和样品之间的接触电阻的大小就会很不稳定,从几十欧姆到几千欧姆不等。如果接触电阻值过大(200ohm),就会对测量结果的准确性造成很大影响。通过一系列的改善措施,包括探针化学清洗过程的改进,探针表面氧化物的电去除以及测量方法的优化,我们将接触电阻对于测量结果的影响降低到了最小,保证了测量结果的准确性并使得测量的可重复性得到了很大的提升。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN47

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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7 周鹏举;90nm NMOS器件TDDB击穿特性研究[D];西安电子科技大学;2007年
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【二级参考文献】
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