魏干 吴慧敏 罗智化
西安微晶微电子有限公司 陕西 西安 719000
摘要:IGSS作为衡量VDMOS芯片的一个重要参数，通常在Fab厂晶圆生产阶段会严重影响晶圆良率，根据管芯尺寸大小的不同，会直接影响1-5%甚至更多的良率，同时IGSS也是一个比较难解决的问题，直接影响Fab厂及下游客户的经济效益。那么本文从晶圆级VDMOS芯片的IGSS漏电失效分析入手，用一种经济有效的方法从发现问题到最终确定问题进行全面描述。以供同行业工作人员参考。
关键词： VDMOS ；IGSS；液晶热点定位；化学腐蚀
引言：
功率器件VDMOS（vertical double diffused MOS）即垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管。从结构上来说，VDMOS是由成千上万个元胞（cell）组成，而每个元胞之间又相互互连。换句话说就是单颗芯片中任何一个元胞出现问题均会引起芯片不同程度的漏电，且随着芯片制造工艺的不断提高，元胞数量也越来越多，所以在IGSS漏电问题的失效分析中，漏电点定位即显得尤为重要。本文通过经济简便的失效分析手段，对IGSS漏电芯片进行分析，最终确定漏电的原因，为提高晶圆良率提供了有力的帮助。
1.VDMOS中IGSS参数介绍：
在VDMOS芯片中IGSS是衡量芯片性能的一项重要参数，它直接影响着器件工作功耗，降低器件使用寿命，严重时可直接使器件烧毁功能不正常，在晶圆测试阶段通常把IGSS规范设置为＜100（nA），在晶圆生产中虽说IGSS失效比较常见，但降低IGSS的失效率是每个Fab厂共同的目标。
IGSS测试电路图如图3所示，源漏（DS）短接，栅源（GS）之间加设定偏置电压，测量栅源（GS）之间电流即为IGSS漏电流。
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图3测试电路图
2.应用案例分析：
某型号芯片在CP测试阶段发现产品良率降低，根据I-V测试发现栅源短路，如图4所示，给失效芯片栅极加1V电压即发生严重漏电，怀疑为芯片结构异常，在显微镜下寻找多次未找到异常点，故采用液晶热点漏电定位法
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液晶热点漏电定位法是一种经济、有效的失效定位方法，通常需要用到的工具：液晶、探针台、直流电源、配备高清摄像头的偏振显微镜。其主要原理为：液晶在不同的温度下拥有向列相及各相同性相两个截然不同的相，这两个相，对温度极其敏感，所以能在较窄的温度波动范围内完成从向列相到各相同性相的变化，能及时抓住芯片漏电发热的部位。以此次案例为例，首先在失效芯片上均匀的涂抹上一层薄膜液晶，以在偏振显微镜下表现为五彩斑斓状为宜，如图6所示。 当液晶涂抹完成后使用探针台将芯片源漏（DS）短接，栅源（GS）之间接直流电源。并且慢慢增加栅源（GS）之间的偏置电压，当电压增加到一定程度，漏电区域的温度会高于液晶的相变温度，这个漏电区域会立即变暗（如图7所示），此时需要注意的是，随着偏置电压的不断增加，整个芯片会全部变黑，所以需要在液晶最初变黑的瞬间使用高清摄像头拍照，以便后续方便定位失效点。
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当漏电失效点定位后，需要在显微镜下观察确认是否有结构缺陷，遗憾的是即使漏电点已经定位，但在显微镜下仍然无法找到结构性缺陷。通常由于VDMOS芯片需要有很大的电流通过，所以工艺上会淀积较厚的金属，此次异常极有可能为金属下埋层缺陷，此时就要运用到失效分析中逐层剥离的技术来进行验证。
化学剥离是芯片失效分析中常见的一种分析手段，它主要作用就通过一些化学试剂去除芯片中不需要的层次，从而使埋层中的结构缺陷或是膜层缺陷能够直接显现，本文使用到的化学试剂主要为：磷酸、扫硅渣液、氢氟酸。首先使用热磷酸160（℃）以上，去除钝化层或金属层，然后用扫硅渣液去除金属腐蚀后残留的硅渣，随后在显微镜及电子扫描显微镜下观察之前液晶热点定位的失效点。在去除金属层后发现液晶热点定位区域出现结构性异常，如图8、9所示：
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由此怀疑漏电原因为多晶结构异常，ILD(层间介质)未起到隔离绝缘作用导致多晶与源区金属直接互连短路。
为确定是否为多晶结构异常，仍需进一步去除ILD层，露出多晶层进行观察，使用氢氟酸浸泡芯片10-15（S），氢氟酸浸泡的时间一定要严格把握，长时间浸泡会导致多晶层受损，从而无法判断异常的真实情况。图10、11为多晶层的显微镜及SEM照片：
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从上述实验结果，可以判断此次芯片IGSS漏电的原因为多晶层结构异常（多晶残留）导致，其主要失效机理为栅极多晶残留与源区金属直接互连，导致栅源间短路导致，如图12所示：
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图12 多晶残留结构剖面图
总结：
在VDMOS芯片IGSS漏电分析中，液晶热点定位以及芯片层次逐层剥离技术可以快速有效的确定失效的的位置，一般的IGSS失效通过上述实验均可及时找到失效原因，从而帮助Fab厂快速找到失效原因进行工艺优化及改善。但在实验的过程中会接到液晶与强酸，需严格做好个人防护。
参考文献
[1]陈媛.液晶热点检测技术在集成电路失效定位中的应用
[2]刘国梁.VDMOS器件IGSS失效问题研究 1009-9492（2017）z2-0271-04
第一作者简介：魏干，男，1994年生，陕西榆林人，本科，工程师。研究领域：功率器件失效分析、芯片制造质量管理工作。