CN105388407B - 栅介质层的完整性检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种栅介质层的完整性检测方法，包括：提供一待测样品，所述待测样品包括有源区以及形成于所述有源区上的栅电极结构和电介质层，所述栅电极结构包括堆叠设置于有源区上的栅介质层和栅电极，所述电介质层露出所述栅电极的表面；提供一电解池，所述电解池包括电源、电解池阳极以及电解液，所述电源的阳极连接所述电解池阳极；将所述有源区与所述电源的阴极电连接；将所述栅电极和所述电解池阳极浸入所述电解液中；如果某一所述栅电极的表面产生置换金属，则判断所述某一栅电极与有源区之间的所述栅介质层失效。采用本发明提供的栅介质层的完整性检测方法可以快速准确地判断栅介质层是否完整，并能精确地定位失效的晶体管的位置。

Description

栅介质层的完整性检测方法

技术领域

本发明涉及半导体测试分析技术领域，特别是涉及一种栅介质层的完整性检测方法。

背景技术

随着大规模集成电路的发展，产品中集成的器件越来越多，也别是在大尺寸的MOS晶体管阵列的产品中，会集成几千个、甚至上万个MOS晶体管。比如，在CIS(Contact ImageSensor，接触式图像传感器)产品的列控制电路中，就包括大约一万多个尺寸大于3μm的MOS晶体管。

如果MOS晶体管阵列中有某一个MOS晶体管发生失效，比如栅介质层击穿导致栅电极与有源区(AA)或者衬底(Substrate)发生短路，那么如何在MOS晶体管阵列中快速有效地找到这个失效的MOS晶体管(即失效点定位)，将是失效分析工作的首要任务。

目前，经常采用热点(Hotspot)或者电压对比(Voltage Contrast，VC)的方法来进行失效点定位。对于热点的方法而言，由于热点的尺寸往往远大于MOS晶体管的尺寸，所以采用热点的方法并不能精确定位到某一个失效的MOS晶体管。

对于采用VC方法进行失效点定位来说，实质是比较MOS晶体管的栅电极的表面电压。如图1所示，有源区11上具有栅电极13，栅电极13和有源区11通过栅介质层12实现隔离。当栅介质层12被击穿后，栅介质层12中存在击穿孔20，击穿孔20将栅电极13和有源区11短路。目前，使用扫描电子显微镜(SEM)由栅电极顶部的方向向下观测栅电极13的表面电压(如图1中箭头所示的方向)。在失效的MOS晶体管中，表面电荷Q1产生于栅电极13的表面，然后表面电荷Q1通过击穿孔20释放到有源区11中，使得表面电荷Q1约等于0，此时，栅电极13的表面电压V1＝Q1/C≈0，其中，C为栅介质层12与有源区11的等效电容。

然而，对于大尺寸的MOS晶体管而言，栅电极13的特征尺寸(CD)很大，使得栅介质层12与有源区11的等效电容C非常大。如果栅介质层12中不存在击穿孔20时，栅电极13的表面电荷Q2为一固定值，表面电荷Q2与扫描电子显微镜的参数设置相关。此时，在有效的MOS晶体管中，栅电极13的表面电压V2＝Q2/C，而由于等效电容C非常大，造成栅电极13的表面电压V2非常小，近似为零。

由于失效的MOS晶体管中栅电极13的表面电压V1和有效的MOS晶体管中栅电极13的表面电压V2差别不大，所以目前所使用的VC定位的方法判断大尺寸的MOS晶体管是否失效并不是很理想，尤其对于大尺寸的MOS晶体管阵列，用VC方法来定位失效点就更加困难。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种栅介质层的完整性检测方法，能快速准确地判断栅介质层是否完整，并能精确地定位失效的晶体管的位置，提高检测的准确性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种栅介质层的完整性检测方法，包括：

提供一待测样品，所述待测样品包括有源区以及形成于所述有源区上的栅电极结构和电介质层，所述栅电极结构包括堆叠设置于有源区上的栅介质层和栅电极，所述电介质层露出所述栅电极的表面；

提供一电解池，所述电解池包括电源、电解池阳极以及电解液，所述电源的阳极连接所述电解池阳极；

将所述有源区与所述电源的阴极电连接；

将所述栅电极和所述电解池阳极浸入所述电解液中；

如果某一所述栅电极的表面产生置换金属，则判断所述某一栅电极与有源区之间的所述栅介质层失效。

可选的，所述栅介质层的完整性检测方法还包括：

在所述电介质层中形成贯穿所述电介质层的开口；

在所述开口内填充连接金属，并在所述开口的上方形成一与所述连接金属电连接的垫片，以实现所述有源区的电性引出。

可选的，采用聚焦离子束在所述电介质层中形成所述开口。

可选的，所述连接金属和所述垫片的材料均为金属铂。

可选的，所述栅介质层的完整性检测方法还包括：

在所述有源区的背离所述栅电极的一侧粘贴一绝缘基板，所述绝缘基板上设置有一用于与所述垫片导通的引脚；

将所述垫片与所述引脚通过一导线连接。

可选的，所述有源区以及引脚间隔分布在绝缘基板上。

可选的，所述导线为金导线。

可选的，将所述有源区与所述电源的阴极电连接的步骤包括：

将所述引脚连接所述电源的阴极，实现将所述有源区与所述电源的阴极电连接。

可选的，所述电解液为金属硝酸盐溶液、金属硫酸盐溶液或金属氯化盐溶液。

可选的，所述电解池阳极为金属棒或碳棒。

可选的，所述待测样品为MOS晶体管阵列。

与现有技术相比，本发明提供的栅介质层的完整性检测方法具有以下优点：

在本发明提供的栅介质层的完整性检测方法中，将所述有源区与所述电源的阴极电连接，如果某一所述栅电极与有源区之间的所述栅介质层存在击穿孔，则某一所述栅电极与所述电源的阴极导通，之后将所述栅电极和所述电解池阳极浸入所述电解液中，某一所述栅电极作为所述电解池的阴极，与所述电解液中的金属离子发生置换反应，在某一所述栅电极的表面形成置换金属，则可以通过观察所述栅电极的表面是否具有所述置换金属，判断所述栅介质层是否失效，并可以精确的定位失效的所述栅介质层所在的位置。

附图说明

图1为现有技术中采用电压对比的方法定位失效的MOS晶体管的示意图；

图2为本发明一实施例中栅介质层的完整性检测方法的流程图；

图3-图6为本发明一实施例中待测样品的示意图；

图7为本发明一实施例中将待测样品放入电解池的示意图；

图8为本发明一实施例中在栅电极表面形成置换金属的示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的栅介质层的完整性检测方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种栅介质层的完整性检测方法，包括：

步骤S11：提供一待测样品，所述待测样品包括有源区以及形成于所述有源区上的栅电极结构和电介质层，所述栅电极结构包括堆叠设置于有源区上的栅介质层和栅电极，所述电介质层露出所述栅电极的表面；

步骤S12：提供一电解池，所述电解池包括电源、电解池阳极以及电解液，所述电源的阳极连接所述电解池阳极；

步骤S13：将所述有源区与所述电源的阴极电连接；

步骤S14：将所述栅电极和所述电解池阳极浸入所述电解液中；

步骤S15：如果某一所述栅电极的表面产生置换金属，则判断所述某一栅电极与有源区之间的所述栅介质层失效。

本发明将所述有源区与所述电源的阴极电连接，如果某一所述栅电极与有源区之间的所述栅介质层存在击穿孔，则某一所述栅电极与所述电源的阴极导通。之后将所述栅电极和所述电解池阳极浸入所述电解液中，某一所述栅电极作为所述电解池的阴极，与所述电解液中的金属离子发生置换反应，在某一所述栅电极的表面形成置换金属。可以通过观察所述栅电极的表面是否具有所述置换金属，判断所述栅介质层是否失效，并可以精确的定位失效的所述栅介质层所在的位置。

以下，请参阅图2-图8具体说明本发明的栅介质层的完整性检测方法。

首先，如图2所示，进行步骤S11，提供一待测样品1，如图3所示，所述待测样品1包括有源区110以及形成于所述有源区110上的栅电极结构129和电介质层120，所述栅电极结构129包括堆叠设置于有源区110上的栅介质层122和栅电极122，所述电介质层120露出所述栅电极121的表面。一般的，通过离子注入等方式在衬底中形成所述有源区110，所述衬底还可以包括隔离区等器件结构，此为本领域的技术人员可以理解的，在此不作赘述。

在本实施例中，所述待测样品1为MOS晶体管阵列，所述MOS晶体管阵列中包括多个MOS晶体管，每一个所述MOS晶体管均包括一个所述栅电极121、栅介质层122以及栅介质层122下方对应的有源区110。一般的，所述MOS晶体管阵列还包括若干互连金属层，所述互连金属层位于所述电介质层120上。为此，在进行所述步骤S11之前，需要剥离掉所述栅电极121上方的结构，即，将所述MOS晶体管阵列剥离至所述栅电极121所在的电介质层120，使得所述电介质层120暴露出所述栅电极121的上表面。

在图1中，所述待测样品1包括3个所述栅电极121和3个栅介质层122，其中一个所述栅介质层122内具有击穿孔123，所述击穿孔123导通一个所述栅电极121和有源区110，造成一个所述栅介质层122失效，并造成所述击穿孔123所在的MOS晶体管失效。但是，本领域的普通技术人员可以理解，所述待测样品1并不限于包括3个所述栅电极121，所述击穿孔123的个数及分布也不限于图1所公开的内容。

较佳的，在本实施例中，在步骤S11和步骤S12之间，还包括步骤S111和步骤S112，具体如下：

进行步骤S111，如图4所示，在所述电介质层120背离所述有源区110的一侧制备一开口124，所述开口124露出所述有源区110。其中，可以采用聚焦离子束在所述电介质层120背离所述有源区110的一侧制备所述开口124，当然，在本发明的其它实施例中，还可以采用刻蚀或钻孔的方式制备所述开口124。所述开口124可以外沟槽状或孔状，具体不做限制。

进行步骤S112，如图5所示，在所述开口124内填充连接金属，并在所述开口124的上方形成一垫片125，从而将所述有源区110电性引出。较佳的，所述连接金属和所述垫片125的材料均为金属铂，但是在本发明的其它实施例中，所述连接金属和所述垫片125的材料还可以为金属铜或金属铝等金属，均可实现将由有源区110电性引出的目的。

较佳的，在所述有源区110背离所述栅电极121的一侧粘贴一绝缘基板200，所述绝缘基板200的表面上设置有一引脚201。在本实施例中，所述有源区110以及引脚201间隔分布在绝缘基板200上，以避免漏电。

然后，将所述垫片125与所述引脚201通过一导线202连接，从而将所述有源区110与所述引脚201电性导通。较佳的，所述导线202为金导线，所述垫片125的设置有利于对所述导线202进行焊接。

接着，进行步骤S12，提供一电解池，如图7所示，所述电解池2包括电源21、电解池阳极22以及电解液23，所述电源21的阳极连接所述电解池阳极22，一般的，所述电解液23放置于容器24内。较佳的，所述电解液23可以为金属硝酸盐溶液、金属硫酸盐溶液或金属氯化盐溶液等金属盐溶液，例如，硝酸铜(Cu(NO₃)₂)溶液、硝酸铁(Fe(NO₃)₃)溶液、硝酸银(AgNO₃)溶液、硫酸铜(CuSO₄)溶液、硫酸铁(Fe₂(SO₄)₃)溶液、硫酸银(Ag(NO₃)₂)溶液、氯化铜(CuCl₂)溶液、氯化铁(FeCl₃)溶液、氯化银(AgCl₃)溶液等等，只要是可以解离出金属离子的金属盐溶液，并且所述金属离子的得电子能力大于所述栅电极121(一般所述栅电极121的材料为多晶硅)离子的得电子能力，均可在所述栅电极121的表面发生置换反应，均在本发明的思想范围之内。其中，所述电解池阳极22为金属棒或碳棒。

为了更好地说明本发明，以下以所述电解液23为硝酸铜(Cu(NO₃)₂)溶液、所述电解池阳极22为碳棒、所述栅电极121的材料为多晶硅为例进行说明。

随后，进行步骤S13，如图7所示，将所述有源区110与所述电源21的阴极电连接，在本实施例中，将所述引脚201连接所述电源21的阴极，以实现所述有源区110与所述电源21的阴极导通。此时，当某一所述栅电极121与有源区110之间的所述栅介质层122存在所述击穿孔123，则某一所述栅电极121与所述电源21的阴极导通。

之后，进行步骤S14，如图7所示，将所述栅电极121和所述电解池阳极22浸入所述电解液23中。如图8所示，当某一所述栅电极121与有源区110之间的所述栅介质层122存在所述击穿孔123时，从所述电源21的阴极流出电子25，如图8中箭头方向所示，所述电子25依次流经所述引脚201、导线202、垫片125、开口124中的连接金属、有源区110、击穿孔123后，所述电子25流入所述栅电极121，所述击穿孔123上方的所述栅电极121(某一所述栅电极121)作为所述电解池2的阴极，在所述击穿孔123上方的所述栅电极121的表面，所述电解液23中的金属离子(如Cu²⁺)得到所述电子25，发生置换反应，在某一所述栅电极121的表面形成置换金属27。

最后，进行步骤S15，判断所述栅介质层122是否失效，如果某一所述栅电极121的表面产生置换金属，则所述某一栅电极121与有源区110之间的所述栅介质层122中具有所述击穿孔123，使得所述某一栅电极121与有源区110之间的所述栅介质层122失效，从而不但可以判断是否有所述栅介质层122失效，并可以精确的定位失效的所述栅介质层122所在的位置，从而定位出失效的所述MOS晶体管的位置。

本发明的较佳实施例如上所述，但是本发明并不限于上述公开的范围，例如，所述有源区以及所述引脚并不限于位于所述绝缘基底的同一侧，在本发明的其它实施例中，所述有源区和所述引脚并还可以位于所述绝缘基底的相对的两侧；另外，所述开口并不限于位于所述电介质层背离所述有源区的一侧，所述开口还可以位于所述有源区背离所述电介质层的一侧，只要能够使得将所述有源区与所述电源的负极相导通，亦在本发明的思想范围之内。

与现有技术相比，在本发明的栅介质层的完整性检测方法中，将所述有源区与所述电源的阴极电连接，如果某一所述栅电极与有源区之间的所述栅介质层存在击穿孔，则某一所述栅电极与所述电源的阴极导通，之后将所述栅电极和所述电解池阳极浸入所述电解液中，某一所述栅电极作为所述电解池的阴极，与所述电解液中的金属离子发生置换反应，在某一所述栅电极的表面形成置换金属，则可以通过观察所述栅电极的表面是否具有所述置换金属，判断所述栅介质层是否失效，并可以精确的定位失效的所述栅介质层所在的位置。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种栅介质层的完整性检测方法，包括：

提供一待测样品，所述待测样品包括有源区以及形成于所述有源区上的栅电极结构和电介质层，所述栅电极结构包括堆叠设置于有源区上的栅介质层和栅电极，所述电介质层露出所述栅电极的表面；

在所述电介质层中形成贯穿所述电介质层的开口；

在所述开口内填充连接金属，并在所述开口的上方形成一与所述连接金属电连接的垫片，以实现所述有源区的电性引出；

提供一电解池，所述电解池包括电源、电解池阳极以及电解液，所述电源的阳极连接所述电解池阳极；

将所述有源区与所述电源的阴极电连接；

将所述栅电极和所述电解池阳极浸入所述电解液中；

如果某一所述栅电极的表面产生置换金属，则判断所述某一栅电极与有源区之间的所述栅介质层失效。

2.如权利要求1所述的栅介质层的完整性检测方法，其特征在于，采用聚焦离子束在所述电介质层中形成所述开口。

3.如权利要求1所述的栅介质层的完整性检测方法，其特征在于，所述连接金属和所述垫片的材料均为金属铂。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的栅介质层的完整性检测方法，其特征在于，所述栅介质层的完整性检测方法还包括：

在所述有源区的背离所述栅电极的一侧粘贴一绝缘基板，所述绝缘基板上设置有一用于与所述垫片导通的引脚；

将所述垫片与所述引脚通过一导线连接。

5.如权利要求4所述的栅介质层的完整性检测方法，其特征在于，所述有源区以及引脚间隔分布在绝缘基板上。

6.如权利要求4所述的栅介质层的完整性检测方法，其特征在于，所述导线为金导线。

7.如权利要求4所述的栅介质层的完整性检测方法，其特征在于，将所述有源区与所述电源的阴极电连接的步骤包括：

将所述引脚连接所述电源的阴极，实现将所述有源区与所述电源的阴极电连接。

8.如权利要求1所述的栅介质层的完整性检测方法，其特征在于，所述电解液为金属硝酸盐溶液、金属硫酸盐溶液或金属氯化盐溶液。

9.如权利要求1所述的栅介质层的完整性检测方法，其特征在于，所述电解池阳极为金属棒或碳棒。

10.如权利要求1所述的栅介质层的完整性检测方法，其特征在于，所述待测样品为MOS晶体管阵列。