一种芯片失效分析制样方法与流程

本发明涉及半导体检测领域，尤其涉及一种芯片失效分析制样方法。

背景技术：

1、随着集成电路工艺进入后摩尔时代，芯片特征尺寸不断微缩，堆叠结构日趋复杂，失效分析已成为保障半导体器件良率与可靠性的关键环节。其中，物理失效分析的首要步骤是制样，即通过精密研磨或切割暴露出目标缺陷层，以便后续的扫描电子显微镜或聚焦离子束观测。

2、在传统的芯片研磨制样工艺中，技术人员通常依据经验设定研磨机的转速、压力及冷却液流量，采用设定-运行-检查的开环模式。然而，这种方法存在显著的局限性：

3、研磨过程中产生的摩擦热会导致芯片表面温度升高，引发热弹性变形甚至热损伤，导致材料去除速率发生非线性波动；

4、芯片表面材质分布不均导致研磨过程中表面硬度与耐磨性动态变化，使得单纯依靠时间的终点判断极不准确；

5、现有的光学终点检测技术虽能识别层间变化，但在接近目标层时无法预判剩余厚度，极易发生过磨导致样品报废或欠磨导致目标层未暴露；

6、现有技术主要通过冷却液降温，但缺乏对冷却效果的量化表征，冷却液的调节通常是手动或简单的开关控制，无法根据实时的温度分布数据精确计算出所需的流量，难以通过热管理来精细调控材料的去除速率；

7、待分析芯片表面通常存在凹凸不平的初始形貌。现有技术在施加压力时多为面压力控制，无法针对局部高度差进行压力补偿，导致高点过度研磨而低点尚未触及，严重影响暴露层的平整度。

8、因此，我们提出了一种芯片失效分析制样方法用于解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种芯片失效分析制样方法，用于解决现有研磨工艺中因热-机械耦合效应导致控深不准、过磨或欠磨的技术难题。

2、本发明第一方面提供了一种芯片失效分析制样方法，所述芯片失效分析制样方法包括：使用参考样件进行研磨标定，得到多场耦合参数集；设定待分析芯片中目标层的目标暴露深度，并依据所述多场耦合参数集建立初始研磨条件；在研磨过程中实时采集所述待分析芯片表面的包含温度分布数据的物理状态数据与光学监测信号，生成实时监测数据，并将所述实时监测数据与所述多场耦合参数集输入预测模型，计算出当前时刻后的预测去除深度；将所述预测去除深度与所述目标暴露深度的偏差作为目标函数，利用优化搜索算法求解当前时刻的工作介质最优流速值，并根据所述工作介质最优流速值调节所述工作介质的实际流量，改变所述待分析芯片表面的所述温度分布数据，以修正后续的预测去除深度；重复上述实时采集、计算预测去除深度、求解工作介质最优流速值及调节工作介质实际流量的步骤，形成多个研磨周期，直至所述光学监测信号中出现与所述目标层匹配的特征信号时停止研磨。

3、可选的，在本发明第一方面的第一种实现方式中，包括：

4、通过所述待分析芯片的结构布局数据或光学扫描数据，确定目标金属互连层作为所述目标层，并计算其距离所述待分析芯片表面的实际深度，作为所述目标暴露深度；

5、结合所述多场耦合参数集与所述目标暴露深度，以所述目标暴露深度为约束条件反向求解所需的初始平均温度与初始平均压力；

6、将所述初始平均温度换算为对应的工作介质初始流速值，并将所述初始平均压力赋值为初始下压力，与所述工作介质初始流速值组合形成初始研磨条件。

7、可选的，在本发明第一方面的第二种实现方式中，所述将所述初始平均温度换算为对应的工作介质初始流速值，包括：

8、预先对所述参考样件在研磨过程中的工作介质流速与表面平均温度的关系进行实验标定，通过线性插值方法建立流速-温度响应曲线；

9、将所述初始平均温度代入所述流速-温度响应曲线进行插值计算，得到对应的流速值作为工作介质初始流速值；

10、所述流速-温度响应曲线在后续求解所述工作介质最优流速值时，用于反向估算预期温度变化量，以校验工作介质调温效果的合理性。

11、可选的，在本发明第一方面的第三种实现方式中，还包括：

12、使用空间形貌扫描仪器对所述待分析芯片的目标研磨区域进行三维形貌扫描，生成初始表面形貌数据；

13、将所述初始表面形貌数据转换为压力补偿系数表，所述压力补偿系数表记录了所述待分析芯片表面各位置因形貌起伏所需施加的压力修正值；

14、在建立所述初始研磨条件时，依据所述压力补偿系数表对所述初始平均压力进行逐点修正，得到修正后的初始压力分布；

15、其中，所述物理状态数据包括实时压力分布数据；在研磨过程中，将采集到的所述实时压力分布数据与所述压力补偿系数表叠加，得到经形貌补偿后的实际压力分布数据，并将其作为所述物理状态数据的一部分输入所述预测模型。

16、可选的，在本发明第一方面的第四种实现方式中，所述空间形貌扫描仪器为激光共聚焦显微镜；所述压力补偿系数表中各位置的压力补偿系数由该位置的高度差经分段非线性变换得到：

17、当所述高度差小于预设阈值时，采用第一比例系数将所述高度差转换为所述压力补偿系数；当所述高度差大于或等于所述预设阈值时，采用第二比例系数将所述高度差转换为所述压力补偿系数，且所述第一比例系数小于所述第二比例系数；

18、所述预设阈值、所述第一比例系数以及所述第二比例系数均基于所述待分析芯片的材料硬度与研磨垫的弹性模量预先标定确定，具体的标定方法为：通过纳米压痕实验获取目标芯片材料的精确硬度值，结合有限元仿真分析构建研磨垫弹性模量在不同高度差形貌下的局部应力响应模型，依据所述局部应力响应模型提取对应的预设阈值、第一比例系数以及第二比例系数。

19、可选的，在本发明第一方面的第五种实现方式中，包括：

20、通过分布于研磨夹具上的温度传感器阵列实时采集所述待分析芯片表面的所述温度分布数据，通过压力传感器阵列实时采集所述待分析芯片表面的压力分布数据，所述温度分布数据与所述压力分布数据共同构成所述物理状态数据；

21、通过固定于研磨设备上方的光源与光谱接收装置实时采集所述待分析芯片表面的反射率变化曲线作为光学监测信号；

22、对所述温度分布数据进行空间平均得到平均温度值，对所述压力分布数据进行空间平均得到平均压力值，将所述平均温度值与所述平均压力值作为预测模型当前时刻的输入边界条件。

23、可选的，在本发明第一方面的第六种实现方式中，所述预测模型通过热激活因子结合所述平均温度值和所述平均压力值计算当前时间步长内的材料去除厚度，并将所述材料去除厚度与上一时刻的累计去除深度相加，得到所述预测去除深度；

24、其中，所述预测模型利用后续所述研磨周期中改变后的所述温度分布数据对所述多场耦合参数集进行动态反馈更新。

25、可选的，在本发明第一方面的第七种实现方式中，所述利用优化搜索算法求解当前时刻的工作介质最优流速值，包括：

26、将当前时刻的所述预测去除深度与所述目标暴露深度之差的绝对值作为目标函数值；

27、在设定的所述工作介质的流速可调区间内，以所述目标函数值最小化为搜索方向，采用一维黄金分割搜索算法进行迭代计算；

28、每次迭代时生成一个候选流速值，利用所述候选流速值更新所述预测模型中的所述多场耦合参数集，获得对应的候选预测去除深度及候选目标函数值；

29、将所有所述候选流速值及其对应的候选目标函数值记录为搜索路径记录表；直至迭代终止时，从所述搜索路径记录表中提取具有最小候选目标函数值的候选流速值，作为当前时刻的工作介质最优流速值。

30、可选的，在本发明第一方面的第八种实现方式中，所述搜索路径记录表在后续的所述研磨周期中用于评估流速调节历史稳定性；当相邻所述研磨周期间的所述工作介质最优流速值波动幅度超过稳定阈值时，强制缩小所述工作介质的流速可调区间的范围；

31、其中，每次生成所述候选流速值时，基于对流换热机理将所述候选流速值转换为对应的候选冷却特性参数并用于更新所述预测模型，转换公式为：

32、；

33、式中，为上一周期的冷却特性参数，为上一周期的工作介质最优流速值，为热物性补偿系数，为当前实测绝对温度，为工作介质入口绝对温度。

34、可选的，在本发明第一方面的第九种实现方式中，所述根据所述工作介质最优流速值调节工作介质实际流量，改变所述待分析芯片表面的所述温度分布数据，包括：

35、将所述工作介质最优流速值转换为流量控制阀开度信号，实时调节所述工作介质的实际流量，使所述待分析芯片表面的所述温度分布数据发生改变，并将改变后的所述温度分布数据反馈至后续所述研磨周期中的所述预测模型中；

36、所述直至所述光学监测信号中出现与所述目标层匹配的特征信号时停止研磨，包括：

37、在每个所述研磨周期之后，将当前采集的所述光学监测信号与预存的目标层特征光谱进行实时比对；

38、当出现匹配的特征信号时，记录该时刻的累计去除深度作为实际暴露深度；

39、将所述实际暴露深度与所述目标暴露深度进行比对，若偏差小于预设阈值，则判定所述目标层已暴露，立即停止研磨并关闭所述工作介质供应；

40、若所述偏差大于或等于所述预设阈值，则依据所述偏差对所述预测模型中的材料去除速率参数进行修正，并继续进入下一个所述研磨周期。

41、本发明的机理如下：将失效分析制样从定时粗磨及人工细磨的粗糙经验模式提升至以目标层反射率特征为终点判据、以热-力-速耦合最优控制为调节手段的精密智能制造层面，既能有效避免过磨导致目标层损伤或欠磨导致反复返工，又通过形貌预补偿和搜索路径记忆机制增强了复杂芯片表面不均匀性下的鲁棒性，显著提高了失效分析的成功率与效率；

42、有益效果：摒弃了仅靠时间或简单转速/压力经验表的传统做法，建立了基于热-机械耦合特性参数集的物理模型，揭示了温度对去除速率的指数级影响规律。通过前期标定，可适用于不同材质的芯片，无需反复试错，大幅缩短了新工艺的开发周期；

43、通过计算预测去除深度，在接触目标层之前即开始减速和调整，从根本上杜绝了过磨风险，巧妙地将冷却液流速作为唯一的执行变量，通过调节biot数来改变热边界条件，进而间接但精确地控制研磨速率，实现了以热控速的高精度调节；

44、利用激光共聚焦显微镜获取三维形貌，并生成压力补偿系数表，对实时压力数据进行逐点非线性修正，解决了芯片表面因凹凸不平导致的研磨不均问题，通过分段非线性变换的压力补偿，确保高点不塌、低点不漏，显著提升了暴露层的表面质量，为后续sem/tem观测提供了极佳的样品基础，能够适应各种复杂结构的芯片表面，无需人工修整研磨垫或样品；

45、将标定参数、实时传感、模型预测与执行机构串联，形成了一个自洽的闭环反馈系统，通过实时更新模型中的biot数和热激活因子，系统具备了自我学习能力，能够自动补偿因研磨垫磨损、冷却液温度变化等外部扰动带来的影响，搜索路径记录表不仅用于求优，还用于监控流速调节的稳定性，为工艺失效的诊断提供了数据支撑。