一、集成電路與片上系統(tǒng)的發(fā)展

在現(xiàn)代集成電路制造中，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，芯片的集成度越來越高，這使得失效分析成為了確保產(chǎn)品可靠性和性能的關(guān)鍵步驟。特別是對于內(nèi)嵌式存儲器，如電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM），其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和高密度特性使得傳統(tǒng)的失效分析方法難以準(zhǔn)確定位失效模式和機理。本文將重點介紹一種基于柵氧化層損傷的EEPROM失效分析方法，該方法能夠有效地定位和分析柵氧化層的微小缺陷，提高失效分析的成功率。

EEPROM基本單元結(jié)構(gòu)示意圖

二、失效分析

首先，我們需要了解EEPROM的工作原理。EEPROM的工作原理基于浮柵隧道氧化層晶體管結(jié)構(gòu)，通過電荷泵升壓電路產(chǎn)生的高壓電場，使得電荷能夠在浮柵和漏區(qū)之間通過隧穿效應(yīng)自由移動。這種結(jié)構(gòu)使得EEPROM能夠在浮柵中注入或釋放電子，從而改變MOS晶體管的閾值電壓，實現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的存儲。

失效分析首先進(jìn)行無損分析，包括外部目檢、X射線檢查等，若未發(fā)現(xiàn)異常，則進(jìn)行有損分析。在有損分析中，紅外發(fā)光顯微鏡（EMMI）是一種非常有效的工具。EMMI的工作原理是基于半導(dǎo)體內(nèi)部電子躍遷過程中的紅外發(fā)光現(xiàn)象來進(jìn)行缺陷定位。通過對比失效樣品和合格樣品的紅外EMMI圖像，我們可以發(fā)現(xiàn)失效樣品的EEPROM模塊區(qū)域存在異常亮點，這表明該區(qū)域發(fā)生了電子-空穴對復(fù)合的漏電現(xiàn)象。

失效樣品的紅外 EMMI 照片

接下來，我們采用物理去層及觀察的方法來確定漏電位置。去層過程通常采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）方法去除鈍化層和絕緣介質(zhì)層，而對于金屬層的去層，則可能采用手動研磨或離子束刻蝕（IBE）方法。在去層過程中，利用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察和檢測，可以發(fā)現(xiàn)漏電位置的晶體管部分通孔存在異常亮度，這表明下層電路存在漏電。

為了進(jìn)一步確認(rèn)漏電位置，我們采用電壓襯度（VC）技術(shù)。VC技術(shù)利用樣品表面電勢差異對其表面的二次電子發(fā)射率產(chǎn)生影響，通過調(diào)整樣品表面的二次電子發(fā)射，產(chǎn)生明暗對比明顯的圖像。通過VC圖像，我們可以確認(rèn)某處晶體管的柵極存在漏電或短路情況。

失效樣品 FIB 剖面圖

聚焦離子束（FIB）切面分析是一種高精度的切割工具，它可以在微米甚至納米尺度上對芯片表面進(jìn)行局部截面切割。金鑒實驗室提供的Dual Beam FIB-SEM業(yè)務(wù)，包括透射電鏡(TEM)樣品制備，材料微觀截面截取與觀察、樣品微觀刻蝕與沉積以及材料三維成像及分析等，進(jìn)一步擴展了FIB技術(shù)的應(yīng)用范圍。

通過FIB對VC發(fā)亮的區(qū)域進(jìn)行切割，可以獲得晶體管的截面圖像。然而，由于FIB切割的幅度限制，可能無法發(fā)現(xiàn)尺寸較小的缺陷。

因此，采用化學(xué)刻蝕分析方法，利用多晶硅層和柵氧化層在氫氟酸中的不同反應(yīng)速率，精確刻蝕多晶硅浮柵而保留柵氧化層。通過SEM觀察，確認(rèn)柵氧化層擊穿損傷。

多晶硅層的 SEM 形貌

三、失效機理分析與結(jié)論

通過透射電子顯微鏡（TEM）對失效點的柵氧化層厚度進(jìn)行測量，我們發(fā)現(xiàn)失效樣品的柵氧化層厚度相比于合格芯片薄2～3納米。由于柵氧化層厚度與存儲單元耐壓能力有直接關(guān)系，因此推斷是由于工藝波動導(dǎo)致失效樣品柵氧化層厚度偏低及耐壓能力下降，在長時間應(yīng)用后出現(xiàn)柵氧化層被擊穿的問題。

刻蝕不同時間后的刻蝕效果 SEM 圖

本文提出的化學(xué)刻蝕分析方法為集成電路失效分析提供了一種新的、高效的解決方案。這種方法不僅成本低、操作簡便，而且能夠有效減少分析時間并提高失效分析的成功率。隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種分析方法有望在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，為提高集成電路的質(zhì)量和可靠性做出貢獻(xiàn)。