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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、電壓對比、電子束測試、機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。在失效分析文獻中，首次詳細給出了化學(xué)配方和腐蝕過程。這種蝕刻劑已經(jīng)在許多故障分析實驗室中對廣泛的分立和集成半導(dǎo)體器件進行了兩年多的實驗，并且總是獲得優(yōu)異的結(jié)果。兩個失效分析實例說明了其能力和效率。
實驗
? ? ? 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、對離子污染物和濕度的低滲透性)，氮化硅實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，因為氮化硅對紫外線不透明)。
? ? ? 氮化硅通常通過硅烷、氨和一氧化二氮的反應(yīng)，在約850/650℃的溫度下通過化學(xué)氣相沉積，在約600℃下通過金屬有機化學(xué)氣相沉積，以及在低至350℃的溫度下通過等離子體沉積而沉積。氮化硅的理想化學(xué)計量組成是Si3N4.實際上，氮化硅是一種類似聚合物的硅氮氫材料，硅和氮原子的相對比例可能從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。通過改變原子成分的相對百分比和工藝過程的參數(shù)，電和物理特性(密度、折射率、臺階覆蓋度、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濕氣和污染物，特別是對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。重摻雜的氧化物層充當?shù)挚篃釞C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，因為一層中的缺陷(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，并打開第二個較小的同心窗口。盡管在工藝過程中有一個補充的掩蔽步驟，但該過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，從而防止氟化氫對鋁的侵蝕。
? ? ? 一般來說，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)。?在一個組合化學(xué)研究項目中，許多不同的化合物被測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)在文獻中既沒有研究也沒有報道。乙二醇的作用及其即使在相對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)在許多失效分析實驗室中對廣泛的分立和集成半導(dǎo)體器件進行了兩年多的分配和實驗，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，同時通過旋轉(zhuǎn)磁鐵保持其持續(xù)攪拌運動。蝕刻前，在光學(xué)顯微鏡下對鈍化膜進行第一次目視檢查。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，在流動水中沖洗幾分鐘。用氮氣槍，輕輕吹干。在蝕刻薄膜的光學(xué)顯微鏡下進行目視檢查。當焊盤窗口的邊緣不再可見時，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。穿過氮化物鈍化層的窗口邊緣不再可見
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。如果沒有非常復(fù)雜(且昂貴)的等離子體系統(tǒng)，通過等離子體干法蝕刻去除氮化物鈍化通常是一個高風(fēng)險的步驟。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。在失效分析文獻中，首次詳細給出了化學(xué)配方和腐蝕過程。新型選擇性氮化硅