集成电路芯片湿法去层技术研究

邹 冰，张越强

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000）

1 引言

集成电路行业当前在我国有着良好的发展势头，对于满足现代社会与经济发展需求意义重大，然而芯片失效问题却时有发生，是一直值得被关注的重点问题。一般来说，技术人员在分析集成电路芯片失效时需要借助各种技术，去层技术便是其中一项重要手段。目前干法去层法和湿法去层法是去层技术的两大类别。二者均是为了保留所需的薄膜层次同时去除不需要的薄膜层次，只是实现方法不同。其中湿法去层法的操作是通过准备所需的化学溶液，利用溶液与薄膜层次发生化学反应来达到保留所需薄膜层次的目的。该方法比起干法去层法更具有优点，主要在于操作简单且不需要高配置的昂贵设备，同时效率较高，因而总成本较低。为力求在湿法去层时尽量去净不需要的薄膜层、达到尽可能完善的效果，在此对芯片湿法去层法在芯片不同结构面上的应用进行分析和探讨。

2 芯片结构

集成电路芯片本质上是一种功能电路，它是对Si衬底片的外延通过局部掺杂与图形刻蚀等手段，形成实现特定电学功能的半导体器件结构，最终由金属化层实现连接[1]。以常见的CMOS电路剖面结构为例，按从上到下的顺序，最上层是钝化层，主要是由硼磷硅玻璃或二氧化硅、氮化硅等物质构成；钝化层下是金属层，一般由铝构成，完成电路的布线互联；金属层下方为层间介质层，多为磷硅玻璃或二氧化硅；介质下方为栅极、多晶硅、栅极介质；最下层为Si衬底[2]。典型CMOS电路结构剖面如图1。失效分析法与湿法去层技术的运用，都要以芯片具体结构特点为基础。

图1 典型CMOS电路剖面结构

3 芯片失效分析方法

芯片在测试及使用过程中出现失效时，主要通过观察、测试两种手段对产品进行分析。常见的集成电路芯片失效大多集中在金属层和Si层上的有源区区域。技术人员在对多层芯片进行失效分析时，首要任务是使失效区层次可以被清晰地观察到，从而加以测试。对于在单层金属上覆盖有二氧化硅或氮化硅等透明钝化层的芯片，技术人员可以通过简单的技术处理，借助金相显微镜观察表层金属化层和Si层上的有源区是否存在失效情况。而当芯片上存在多层金属、厚钝化层或透明度不佳的有色钝化层时，芯片下层结构中存在的失效点就会被上层结构遮挡，使技术人员无法很好地观察芯片表面状况[3]。除此之外，由于芯片的钝化层采用绝缘材料制成，会阻碍机械探针与金属化层的接触，技术人员也无法通过测试判断检测钝化层下方的金属化层是否存在断裂损伤。针对此类情况，就需要采用去层技术来去除上层芯片结构，使失效点可以被显微镜看到或与探针实现电学接触，这也是各种去层技术的实质目的。

4 湿法去层方法运用

芯片湿法去层技术需要根据具体的处理要求对芯片内部结构进行分析，按照从上而下的顺序进行去层处理，从而找到需要观测的具体位置。在此选取某失效器件芯片为例进行实验分析，器件结构从上至下分别为钝化层→金属层→层间介质→金属层→层间介质→多晶硅→Si层，结构较为典型。所使用湿法去层主要包括钝化层去除、金属化层去除以及层间介质去除等环节。

4.1 钝化层去除

集成电路芯片的钝化层是芯片表层的一层密封性良好且绝缘的薄膜，用于保护内部结构。通常芯片钝化层的构成物质为硼磷硅玻璃、二氧化硅或氮化硅，这些材料的化学性质稳定、致密性高、绝缘性好，能够有效地保护芯片内部结构。去除钝化层时需根据钝化层的构成物质和含量选择对应的化学试剂。

当芯片钝化层的材质为二氧化硅时，选择氢氟酸作为溶解剂，反应过程中氢氟离子可以很好地跟芯片的硅离子、氧离子产生化学反应。

进行过硼、磷掺杂后的残存的二氧化硅称为硼磷硅玻璃，去除时选择浓度为30%的氢氟酸，保证溶液温度在60℃左右，具体配方为：

针对以氮化硅膜层构成的芯片钝化层，选择磷酸作为化学试剂[4]。经实验，浓度为85%、温度在160℃时可达到最佳剥离效果。

上述步骤的具体化学反应方程式为：

①去二氧化硅或硼磷硅玻璃钝化层：

②去除氮化硅钝化层：

实验中，待分析芯片的钝化层材质即为二氧化硅层+氮化硅层。采用上述方式进行钝化层去层后未发现失效点。去层后芯片表面形貌如图2所示。

图2 钝化层去除后的芯片表面

采用湿法去层技术进行芯片钝化层去除的优势在于高效、操作简便且成本低，芯片一接触溶液就会起反应快速去除钝化层。缺点在于对钝化层进行腐蚀时不能很好地控制腐蚀方向以及程度，有时候会出现不能完全去除或者过度腐蚀损坏内引线或金属化层等其他结构的现象。因此，相关技术人员在利用湿法去层法去除钝化层时，需要考虑该方法带来的后果，同时在实践中密切观察腐蚀情况，防止化学试剂腐蚀其他芯片结构。为确认去层效果，可在去层后利用扫描电镜或金相显微镜对芯片进行扫描分析。

4.2 金属化层去除

待分析芯片采用铝金属构成金属导线层，在实验中需进行铝金属层的去除。首先要准备浓度为30%的盐酸溶液、30%的硫酸溶液或30%的硝酸溶液，其次保证采用的溶液温度在50℃左右[5]。在此配方中，溶液浓度只影响腐蚀速率，因而无具体要求。

实验选择硝酸作为腐蚀溶液。硝酸与铝层的化学反应方程式为：

采用硝酸溶液进行金属层去除后,仍未发现失效点。去层后芯片表面形貌如图3所示。

图3 金属层去除后的芯片表面

4.3 层间介质层去除

集成电路芯片中，介质层的成分多为不同形式的硅氧化物。利用湿法去层法去除层间介质层的原理和方法与去除钝化层相一致，都可以用氢氟酸去除。然而层间介质层中的膜层形成方式不一。如干、湿法生长的二氧化硅、涂覆生成的SOG（Silicon On Glass,硅－玻璃键合结构）[6]以及沉积生成的硼磷硅玻璃等，这些层次有时候会掺杂其他元素，导致在利用氢氟酸去层时各薄膜层的腐蚀速率不一致[7]。因此在去除层间介质层时，需要在腐蚀溶液中添加缓冲剂（氟化铵），以保证腐蚀过程平稳进行。

去除层间介质的化学反应方程式为：

待分析芯片的层间介质为硼磷硅玻璃，进行去层后仍未发现失效点。去层后芯片表面形貌如图4所示。

图4 层间介质去除后的芯片表面

4.4 全芯片结构层去除

在上述实验步骤中，对该集成电路芯片的钝化层、金属化层以及层间介质层进行了腐蚀去除后，芯片仍然存在无法被观察的失效点，还需要进一步处理芯片。继续按上述思路对芯片进一步逐步去层，最终直至露出芯片硅本体[8]，通过金相显微镜观测，在有源区环上发现了失效点，如图5所示。至此，通过湿法去层法，实现了失效定位的目标。

图5 芯片全结构湿法去层后定位失效点

5 结束语

目前湿法去层法技术在芯片失效分析环节中应用范围在不断扩大，程度也在不断加深，在集成电路等相关行业的发展中发挥了越来越大的作用。经实践，所述实验采用的湿法去层法能够有效对芯片进行去层，完成对失效芯片的观察、测试，同时成本低廉。在对此方法的运用中，工艺技术人员可在自身专业技术经验的基础上进一步发挥，利用这一方法简单易行的优点，更灵活、高效、准确地对集成电路芯片展开失效分析，观察、测试芯片内部结构，及时找出芯片真正的失效点和故障原因。