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引言
? ? ? 氮化硅鈍化層的選擇性去除在半導(dǎo)體器件的失效分析中非常重要。典型的應(yīng)用有:光學(xué)顯微鏡和去除表面污染物的模具表面清潔、電子顯微鏡、液晶、電壓對(duì)比、電子束測(cè)試、機(jī)械微探針和選擇性逐層剝離。
? ? ? 開發(fā)了一種新的氮化硅鈍化層濕法腐蝕工藝，這種工藝比鋁金屬化工藝具有更高的選擇性，并且在鈍化去除后保留了器件的全部功能。在失效分析文獻(xiàn)中，首次詳細(xì)給出了化學(xué)配方和腐蝕過(guò)程。這種蝕刻劑已經(jīng)在許多故障分析實(shí)驗(yàn)室中對(duì)廣泛的分立和集成半導(dǎo)體器件進(jìn)行了兩年多的實(shí)驗(yàn)，并且總是獲得優(yōu)異的結(jié)果。兩個(gè)失效分析實(shí)例說(shuō)明了其能力和效率。
實(shí)驗(yàn)
? ? ? 大多數(shù)集成電路的鈍化層是由氮化硅制成的。由于其優(yōu)越的物理和化學(xué)性質(zhì)(抗氧化和耐腐蝕、化學(xué)惰性、對(duì)離子污染物和濕度的低滲透性)，氮化硅實(shí)際上是集成電路最合適的鈍化層?，F(xiàn)在只有少數(shù)集成電路仍然用磷摻雜的氧化硅鈍化。電子順磁共振，因?yàn)榈鑼?duì)紫外線不透明)。
? ? ? 氮化硅通常通過(guò)硅烷、氨和一氧化二氮的反應(yīng)，在約850/650℃的溫度下通過(guò)化學(xué)氣相沉積，在約600℃下通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積，以及在低至350℃的溫度下通過(guò)等離子體沉積而沉積。氮化硅的理想化學(xué)計(jì)量組成是Si3N4.實(shí)際上，氮化硅是一種類似聚合物的硅氮?dú)洳牧希韬偷拥南鄬?duì)比例可能從0.75到1.0不等，這取決于沉積工藝。與磷摻雜的氧化硅鈍化相比，氮化硅鈍化具有與硅的熱膨脹系數(shù)的大失配、高殘余拉伸應(yīng)力和高含量的自由氫離子。相關(guān)的可靠性問(wèn)題是:鈍化層破裂，以及由于氫釋放和遷移引起的電不穩(wěn)定性。對(duì)可靠鈍化的研究導(dǎo)致了氮氧化硅層的發(fā)展和雙鈍化層的使用。取決于氧含量，氮氧化硅層比純氮化硅層具有更低的本征應(yīng)力和更高的抗裂性。通過(guò)改變?cè)映煞值南鄬?duì)百分比和工藝過(guò)程的參數(shù)，電和物理特性(密度、折射率、臺(tái)階覆蓋度、介電常數(shù)、蝕刻速率等?？梢员粌?yōu)化。通常，氮化硅和氮氧化硅鈍化層的特征在于對(duì)濕氣和污染物，特別是對(duì)堿性離子具有極好的不滲透性。雙鈍化層通常由覆蓋有氮化物層的磷摻雜氧化硅層制成。重?fù)诫s的氧化物層充當(dāng)?shù)挚篃釞C(jī)械應(yīng)力的緩沖層和阻止氫遷移的屏障。雙層結(jié)構(gòu)更可靠，因?yàn)橐粚又械娜毕?針孔)很可能被下一層覆蓋或阻礙。一些制造商分兩步處理鈍化層。在氧化物已經(jīng)沉積之后，在接合焊盤處打開第一窗口。然后沉積氮化物，并打開第二個(gè)較小的同心窗口。盡管在工藝過(guò)程中有一個(gè)補(bǔ)充的掩蔽步驟，但該過(guò)程避免了鍵合焊盤邊緣摻雜磷的水解，從而抑制了鋁腐蝕。
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濕法蝕刻
? ? ? 有許多濕蝕刻劑能夠選擇性地去除氧化硅鈍化層，例如緩沖氟化氫(BHF)溶液。BHF蝕刻劑通常是氟化銨(NH4F)和氫氟酸(HF)在稀釋劑(水或乙酸)中的混合物。氟化銨是緩沖劑，提供氟離子并保持其濃度恒定。由于氟化銨是一種弱堿，它還能控制酸堿度，從而防止氟化氫對(duì)鋁的侵蝕。
? ? ? 一般來(lái)說(shuō)，BHF溶液也蝕刻氮化硅，但蝕刻速率比氧化硅小得多。描述了氧化硅的BHF蝕刻劑的化學(xué)反應(yīng)，描述了氮化硅的化學(xué)反應(yīng)。?在一個(gè)組合化學(xué)研究項(xiàng)目中，許多不同的化合物被測(cè)試作為氫氟酸的替代品。用硝酸代替氫氟酸，找到了最佳解決方案。氮化硅、硝酸和氟化銨之間的化學(xué)反應(yīng)在文獻(xiàn)中既沒(méi)有研究也沒(méi)有報(bào)道。乙二醇的作用及其即使在相對(duì)較低的酸堿度下防止鋁腐蝕的能力也是未知的。
? ? ? 新的選擇性氮化硅蝕刻具有從+45℃到+80℃的寬溫度操作范圍，其中酸堿度幾乎保持不變(酸堿度=4)。對(duì)氧化硅、多晶硅和難熔金屬的選擇性也有所提高。這種蝕刻劑已經(jīng)在許多失效分析實(shí)驗(yàn)室中對(duì)廣泛的分立和集成半導(dǎo)體器件進(jìn)行了兩年多的分配和實(shí)驗(yàn)，總是有極好的結(jié)果。
蝕刻程序
? ? ? 在置于熱板上的溫控水浴中，讓塑料燒杯中的溶液穩(wěn)定在約65/70℃的溫度，同時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁鐵保持其持續(xù)攪拌運(yùn)動(dòng)。蝕刻前，在光學(xué)顯微鏡下對(duì)鈍化膜進(jìn)行第一次目視檢查。觀察其原始顏色和厚度，特別注意焊盤窗口的邊緣(圖1)。用自鎖鑷子夾住器件，并將其放入溶液中幾分鐘(例如，第一次蝕刻步驟為六分鐘)。從溶液中取出儀器，在流動(dòng)水中沖洗幾分鐘。用氮?dú)鈽專p輕吹干。在蝕刻薄膜的光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行目視檢查。當(dāng)焊盤窗口的邊緣不再可見(jiàn)時(shí)，鈍化層已經(jīng)被完全蝕刻掉(圖2)。
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圖1大規(guī)模集成電路焊盤的光學(xué)顯微鏡圖像。箭頭通過(guò)氮化物鈍化指向窗口邊緣
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圖2去除鈍化層后與圖1相同區(qū)域的光學(xué)顯微鏡圖像。穿過(guò)氮化物鈍化層的窗口邊緣不再可見(jiàn)
結(jié)論
? ? ? 去除鈍化層并暴露金屬互連而不干擾集成電路的電功能在半導(dǎo)體器件的故障分析中非常重要。如果沒(méi)有非常復(fù)雜(且昂貴)的等離子體系統(tǒng)，通過(guò)等離子體干法蝕刻去除氮化物鈍化通常是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的步驟。已經(jīng)開發(fā)了一種用于氮化硅鈍化層的新的濕法蝕刻溶液，該溶液對(duì)鋁金屬化具有完全選擇性，并且保留了全部器件功能。在失效分析文獻(xiàn)中，首次詳細(xì)給出了化學(xué)配方和腐蝕過(guò)程。新型選擇性氮化硅