基于磨角染色法的结深测试及新应用
2018-01-04孙楠楠刘剑
孙楠楠，刘剑
基于磨角染色法的结深测试及新应用
孙楠楠，刘剑
（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）
通过传统的磨角染色法，利用不同染色液工作机理的不同，使PN结两侧的不同掺杂区域发生差异化上色，并运用光学干涉法产生干涉条纹，从而对半导体制造生产实践中至关重要的结深信息进行读取，至今仍具有重要的现实意义。通过对相关工作原理、光学原理、化学原理等的描述，详细介绍了磨角染色法的完整实施流程。对磨角染色法的特点进行了归纳，并通过具体实例的列举与分析，提出了传统磨角染色法在结深测试之外的其他方面的新应用，包括磨角染色法在管芯解剖分析、PCM测试管功能异常分析及离子注入工序生产故障的取证等方面发挥的全新的重要作用。
磨角染色法；磨角器；结深测试；PN结
1 引言
半导体技术本质上是PN结的技术。在“硅片→管芯”的转变过程中，无论是集成电路还是单管器件,无论是MOS器件还是双极器件，无论是设备条件粗糙的低端产品小作坊还是引领技术发展前沿的正规大厂，都必定涉及到PN结的形成。PN结的位置、程度、质量等信息，一直都是生产监控中的至关重要的情报之一，直接决定着电路结构的生成和电学功能的实现[1]。通俗来说，一开始的“阴”、“阳”之分，造就了单向导电性，继而实现截然清晰的通/断二态，0/1编码由此而生，以0/1为基础，才有了信息无损数字化，最终实现今天的科技神话。典型的PN结的构成如图1所示。
图1 典型的PN结的构成
2 半导体生产线对PN结监控的常用手段
目前业界对PN结的分析方法有很多，依各厂家的技术与物资实力而异，包括扩展电阻法、电容-电压法、二次离子质谱法等[2]。具体来说，按照测试侧重点的不同，可以以如下方案实施：
（1）对PN结的浓度进行监控
可直接测试PN结所在硅片的方块电阻或电阻率，需要的设备为普通的四探针测试仪；
（2）对PN结的位置进行监控：
可测试PN结的结深，可采用磨角染色法，扩展电阻法等；
（3）对PN结的形貌进行监控：
可对PN结所在部位直接解剖，使用电子显微镜拍摄照片，进行分析；
（4）对PN结的电学质量进行监控：
可对PN结进行电学测试，观察其击穿特性及明确的击穿电压值，使用设备为普通图示仪。
其中，磨角染色法作为一种比较传统的测试手法，因其自身特点，至今在部分半导体生产线上仍然可以见到并产生了一些新的应用。磨角染色法的特点归纳如下：
1.简单易行，成本极低，需要的器材只有磨角器、几种染色剂和简单的光学显微镜。
2.操作简单，因为属于手工磨制，不涉及高压真空或精密设备，人人都可在短时间内熟练操作。
3.直观可测，染色液对P型、N型两种杂质的区分很敏感，染色后的硅片在纵向（斜向）上的P、N分层情况可清晰呈现，一目了然，利用它可直接观察硅片纵向各层PN结的实现情况，在双极电路中尤其实用；而且各层区的结深可用光学方法读出，既做到定性观察，又实现了定量测量。
4.此法的主要缺点是数值分辨率低，只能对大于0.3微米的结构进行准确读数，但因为各分层之间的相对位置在较小的尺度下仍直观可见，故此在对硅片进行解剖、查找失效原因的场合，仍有一定的定性分析和取证价值。
3 磨角染色法介绍
3.1磨角器外观及工作原理
常见的磨角器由不锈钢制成，通常为圆柱形，外部有护环。磨角器本身的平坦部分与护环相齐，斜面部分则伸向环内方向，如图2所示。
图2 常见的磨角器
图3 磨角染色法的工作过程
工作时，将待测硅片用金钢刀划成小块样片，在显微镜下选定想要测试的方位，用烙铁、石蜡将其固定在磨角器的斜面上(斜度约1～5°)，用酒精、棉团清除样片表面的蜡等杂物，保持平整，锁定锁紧螺丝，正面向下置于清水槽中的硬质玻璃板上，松开锁紧螺丝，使携带硅粒的磨角器自然下落，此时即可开始手工研磨，使硅粒样片在玻璃板的接触处被磨去几微米，研磨面即与未磨的样片表面构成一个斜面，此斜面角度与磨角器角度一致。
将磨完的硅粒样片从磨角器上取下，擦拭干净，浸入到染色液中染色。为加快染色速度和提高PN两区的对比度，染色通常辅以热光灯泡照射[3]。染色完成后，P区和N区即可以不同颜色呈现，供后续分析使用。工作过程如图3所示。
3.2 光学原理
为精确读取染色样片的结深信息，可借助单色光干涉技术。由于磨角结构的特点，此干涉为标准的等厚干涉。具体过程为：令待测样片的平面部分与水平光学玻璃贴紧，则其斜面部分即与水平光学玻璃形成空气楔角，单色光(通常为钠光)在此空气楔中发生干涉，被光学显微镜观察到。辅以染色过程形成的标记，以此可将PN结的深度位置信息转换为空气楔的厚度问题。光学原理如图4所示。
图4 借助光干涉法读取结深数值。
因为是等厚干涉，而非等倾，所以待测结果与干涉条纹的条数有关，与角度无关，因此不必精确测定这个角度[4]。对于钠光灯，每出现一条亮纹，则可认为对应于空气膜厚度为0.3μm的整数倍，具体公式为：
式(1)中，m为干涉条纹(亮纹)数；n为介质折射率，此处为空气，取值为1；λ为光源波长，若为钠光灯，则钠光谱线为双线589.0nm、589.6nm，取其平均值589.3nm作为钠光波长，从而在实用中将其半波长取近似值0.3μm。
3.3 化学染色原理
染色液有两种，分别用来对P区和N区进行选择性着色[5]。
（1）P型着色的染色液
由氢氟酸（HF）、硝酸（HNO3）和醋酸（C2H4O2）混合配制，比例为1：3：10。此种染色液会造成P区被快速腐蚀变黑，而N区几乎不会发生颜色变化，掺杂浓度不同的P型区，染色深浅也能显现出明显不同，因此具有一定的浓度区分能力，所以在对分层复杂的硅片进行解剖染色的情况下多为使用。
（2）N型着色的染色液
N型上色染色液是氢氟酸和硫酸铜的水溶液。
具体配方为：CuSO4·5H2O 200g/l与 HF 10g/l混合，或 H2O：CuSO4：HF 按 500ml：0.5g：5ml配制，H2O要选用去离子水。
由于N型硅较P型硅易失电子，较易发生置换反应，所以在N型硅上有铜析出[6]，或者说染上了铜，呈红铜色，具体反应式为：
Si+2CuSO4+6HF=2Cu↓+H2[SiF6]+2H2SO4
但此种染色法的浓度区分能力有限，如果染色时间过长，整个样片都会染上铜，分不出P区和N区。此法多用在P型杂质推进后的结深测量，解剖分析时不常用。
在实践操作中，磨角染色法结深测试的最终显微镜视场情况如图5所示。
图5 实际操作中的磨角染色法样品及干涉条纹
4 磨角染色法在结深测试之外的新应用
磨角染色法在传统上仅用于结深的测定，作为一种与膜厚测试、方阻测试相并列的日常测试法，针对的都是工艺流片过程中的实验陪片或测量片。但随着生产实践的发展，把它用在结深的测试读取之外，对正式硅片进行局部的磨角染色，也能实现一些全新的重要功能。以下举出一些新应用的实例。
（1）单管结构分析
如图6中的实例所示，磨角染色法可应用到陌生芯片的剖析显像，对特定部位进行剖析，展现其纵向结构，借助简单的光学显微镜和摄像头，可以采集到清晰直观的剖面图。相比于精度较高但成本也较高的电子显微镜，磨角染色法无疑具有成本低、制备容易、测试结果清晰直观等优势。
图6 用磨角染色法剖析单管结构
（2）PCM测试管分析
与前一种应用情况类似，此法主要针对出现参数异常的PCM测试管，分析器件的成管情况。因为目标样品各层次各部位的结构事先已知，所以此法主要用来通过对器件结构各区域的相对位置和深度进行分析，找到击穿、放大等功能异常的诱因。图7为一双极电路的PCM测试管，该电路在电测试中发现软击穿现象，经染色，发现基区与埋层之间有异常P型杂质分布，以及由版图套偏引起的误差[7]。图中从左到右分别为集电区、发射区、基区。
图7 双极电路PCM测试管染色后的情况
（3）注入工艺生产事故取证
某批肖特基二极管产品出现整批参数异常，怀疑是注入工序因设备故障发生漏注。取正常批次管芯与异常批次管芯各一支，对相同部位进行磨角染色分析。如图8所示，可见，出现参数异常的管芯，其P型环原本应该出现的位置，在染色后未见有结构存在，从而对生产事故做了取证，对故障排查和责任追查提供重要参考。
图8 用磨角染色法交叉对比，为管芯异常事故取证
5 结束语
作为一种传统结深测试手段的磨角染色法，具有简单易行，成本极低，易于重复等方面优点，没有特殊设备和技术条件的要求，易于掌握，对实际工作有很大便利[8]。通过简单易懂的光学、化学原理详细讲述了磨角染色法的整体工作过程，并举出几种新型应用的实例，在半导体技术飞速发展的今天，为磨角染色法这一古老方法，努力谋取一席之地，使其发挥成本低廉和简易直观的优势，继续为半导体产业的科研与生产服务。
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Junction Depth Measure and Its New Application Based on Angle Lap Stain Method
By traditional angle lap stain method,which uses different dyeing liquid to make different doping area on either side of PN junction stained differentially,and uses optical interference method to produce interferometric fringes,junction depth information which is important for semiconductor manufacturing production practice is detected,still having important practical significance to this day.Through the description of the operation principle,optical principle and chemical principle,the complete implementation process of angle lap stain method is introduced in detail.The characteristics of the method is generalized,and through the listing and the analysis of the specific cases,new applications except traditional junction depth measure are introduced,including device chip dissecting,PCM testing units dysfunction analysis and ion implantation process production abnormity evidence obtained,in which the method plays an all new important role.
Wire bonding;Failure analysis;Stability;Reliability;Failure mode;Fracture
10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.011
B
1002-2279-（2017）06-0047-05
孙楠楠（1990-）,女,辽宁省辽阳市人，助理工程师，主研方向：信息情报。刘 剑（1982-），男，吉林省辉南县人，高级工程师，主研方向：半导体器件。
2017-11-29
