一種半導體結構失效分析方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體失效分析領域，特別是涉及一種半導體結構失效分析方法。
【背景技術】
[0002]隨著半導體元件尺寸不斷的縮小，由半導體工藝所引發并足以對成品率產生影響的缺陷尺寸，亦不斷地微小化。在此種趨勢之下，要對這些微小的缺陷做精確的橫切面分析已經變得越來越不容易，因此各種顯微即失效分析(Failure analysis, FA)技術不斷的產生，以期待能通過對試片制備方法的改良、分析儀器精密度的提升、以及分析儀器與分析原理的交互運動，來克服這個問題。
[0003]在所有的缺陷中，除了大多數直接位于半導體晶片表面的缺陷，可以利用正面分析技術來作失效分析，許多與工藝息息相關的缺陷還存在于半導體晶片的下層、底層與背面，而要檢測位于晶片底層的缺陷往往是工藝中極為困難的步驟，尤其是對于多層金屬導線的芯片而言。
[0004]現有的多層金屬導線的半導體器件結構比如WAT測試結構，包括基底；依次位于所述基底表面的第一金屬層和第二金屬層，所述第一金屬層和第二金屬層通過金屬連接栓進行連接。其中，所述第一金屬層和第二金屬層分別由多個金屬塊構成，且通過金屬連接栓將所述第一金屬層金屬塊和第二金屬層金屬塊依次相連，構成串聯結構。
[0005]所述WAT測試結構中的金屬連接栓與半導體產品中的金屬連接栓是通過同一半導體工藝同時形成，所述導電插塞的尺寸特性與所述半導體產品的導電插塞相同，主要用來模擬測試半導體產品中類似金屬連接栓的各種性能參數。
[0006]然而，在制作半導體器件結構或其WAT測試結構的過程中，由于金屬連接栓的尺寸減小，導致形成金屬連接栓的通孔的刻蝕的難度增大，而通孔的刻蝕不到位而出現的缺陷，就可能出現金屬布線間互連結構的斷路，導致半導體器件的失效。為此，金屬連接栓的失效分析成為現在的研究熱點。
[0007]被動電壓對比(Passive Voltage Contrast, PVC)是一種常用的半導體結構失效分析方法，其原理為:當電子束或離子束掃描半導體器件結構的表面時，由于不同的結構具有不同的電勢，則不同結構對所激發的二次電子具有不同的束縛能力，在影像顯示器中觀察到不同的結構的明暗強度不同。分析失效樣品時，通過對比好、壞樣品，如果發現相同的地方出現明暗不一致，即為失效點。
[0008]但是，由于半導體產品及其WAT測試結構中，串聯結構的電勢是基本相同的，因此，即使金屬連接栓與下層第一金屬層出現斷路，利用信號收集系統所收集到的第二金屬層經電子激發后產生的二次電子將基本相同，觀察到的影像明暗也將處處一致。利用電壓對比技術就很難定位出半導體產品及其WAT測試結構中金屬連接栓的斷路點，即失效點。
[0009]因此，如何準確找到失效點，提高分析的成功率，是本領域技術人員亟需解決的技術課題。
【發明內容】
[0010]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種半導體結構失效分析方法，用于解決現有技術中利用電壓對比分析方法無法成功定位半導體結構中失效點的問題。
[0011]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種半導體結構失效分析方法，所述半導體結構分析方法至少包括以下步驟:
[0012]I)提供一半導體結構，所述半導體結構至少包括接地的有源區、沉積于所述有源區表面的第一絕緣層、設于所述第一絕緣層表面的金屬互連結構；
[0013]所述金屬互連結構包括:依次位于所述第一絕緣層表面的第一金屬層和第二金屬層；所述第一金屬層和第二金屬層分別由多個分立的金屬塊構成，通過金屬連接栓依次連接所述第一金屬層的金屬塊和第二金屬層的金屬塊形成串聯結構；所述第一金屬層和和第二金屬層間形成有第二絕緣層；
[0014]2)利用電性失效分析技術，檢測出金屬互連結構中的可疑失效區域；
[0015]3)于所述可疑失效區域一側切挖所述第一絕緣層和第二絕緣層，形成暴露所述有源區的開口，然后在所述開口中填充滿金屬材料，所述金屬材料的頂部通過金屬線與同一側的第二金屬層電連；
[0016]4)采用電子束或離子束掃描所述半導體結構表面，若觀察到所述可疑異常區域的二次電子圖像中存在明暗亮度差異，該明暗亮度交界點即為失效點。
[0017]作為本發明的半導體結構失效分析方法的一種優化的方案，所述步驟I)中所述串聯結構的兩端還設置有金屬焊墊。
[0018]作為本發明的半導體結構失效分析方法的一種優化的方案，所述步驟2)中采用雷射光束誘發阻抗變化的失效分析技術來檢測所述可疑失效區域。
[0019]作為本發明的半導體結構失效分析方法的一種優化的方案，所述步驟3)中采用聚焦離子束工藝切挖所述第一絕緣層和第二絕緣層形成開口。
[0020]作為本發明的半導體結構失效分析方法的一種優化的方案，所述聚焦離子束工藝采用Ga離子束進行轟擊，離子束入射角度范圍為85?90度，離子束電壓為25?35kv，電流為150?6000PA范圍。
[0021]作為本發明的半導體結構失效分析方法的一種優化的方案，所述步驟3)中填充于所述開口中的金屬材料為鎢或鉬。
[0022]作為本發明的半導體結構失效分析方法的一種優化的方案，所述步驟4)采用電壓對比失效分析技術來確定失效點。
[0023]作為本發明的半導體結構失效分析方法的一種優化的方案，所述電子束掃描所述半導體結構表面時，先采用較高的第一加速電壓的電子束掃描，再采用較低的第二加速電壓的電子束掃描。
[0024]作為本發明的半導體結構失效分析方法的一種優化的方案，所述第一加速電壓的電壓為5?15kv，掃描時間不大于5分鐘。
[0025]作為本發明的半導體結構失效分析方法的一種優化的方案，所述第二加速電壓的電壓在1±0.2kv范圍內。
[0026]如上所述，本發明的半導體結構失效分析方法，包括步驟:首先，提供一半導體結構，所述半導體結構至少包括接地的有源區、沉積于所述有源區表面的第一絕緣層、設于所述第一絕緣層表面的金屬互連結構；所述金屬互連結構包括:依次位于所述第一絕緣層表面的第一金屬層和第二金屬層；所述第一金屬層和第二金屬層分別由多個分立的金屬塊構成，通過金屬連接栓依次連接所述第一金屬層的金屬塊和第二金屬層的金屬塊形成串聯結構；所述第一金屬層和和第二金屬層間形成有第二絕緣層；然后，利用電性失效分析技術，檢測出金屬互連結構中的可疑失效區域；接著，于所述可疑異常區域一側切挖所述第一絕緣層和第二絕緣層，形成暴露所述有源區的開口，然后在所述開口中填充滿金屬材料，所述金屬材料的頂部通過金屬線與同一側的第二金屬層相連；最后，采用電子束或離子束掃描所述半導體結構表面，若觀察到所述可疑異常區域的二次電子圖像中存在明暗亮度差異，該明暗亮度交界點即為失效點。本發明半導體結構的失效分析方法通過在可疑異常區域一側設置將有源區和第二金屬層連接的金屬結構，使該側的第二金屬層接地，從而使可疑失效區域兩側的第二金屬層的電勢不同，進行電子束掃描之后，可以精確定位失效點。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明的半導體結構失效分析方法的工藝流程示意圖。
[0028]圖2為本發明半導體結構失效分析方法的步驟I)