專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，更確切地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體制造過(guò)程中用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體尺寸的不斷縮小，信號(hào)延遲成為提高集成電路芯片性能的主要障礙， 而低介電常數(shù)介質(zhì)材料的引入有效地降低了金屬互連導(dǎo)線上的信號(hào)延遲，使得芯片性能得到很大提升。目前的低介電常數(shù)介質(zhì)材料一般是非致密的摻雜碳或氮的氧化硅或旋涂有機(jī)聚合物，其性能決定了其結(jié)構(gòu)中必然存在大量的疏松或孔洞結(jié)構(gòu)，而且介電常數(shù)越小，孔隙率越高，因此結(jié)構(gòu)也就越疏松，更容易被損傷。在芯片的生產(chǎn)過(guò)程中，刻蝕和去膠工藝都必然會(huì)對(duì)其有一定的損傷，這些損傷給后續(xù)工藝帶來(lái)很大困難，也不利于性能的提升。因此， 必須盡量減少或消除這類(lèi)損傷，在此之前，必須了解應(yīng)如何精確有效地表征這種損傷。由于目前絕大部分低介電常數(shù)材料都是含碳的，而刻蝕和灰化過(guò)程造成的損傷容易使碳剝離出薄膜，而造成碳含量下降，而且損傷越厲害，損失的碳的含量也就越高。因此，可以用檢測(cè)碳元素的分布和變化來(lái)間接表示損傷的程度。目前常用的方法有二次離子質(zhì)譜法、化學(xué)腐蝕量法和介電常數(shù)電學(xué)測(cè)試法。其中(1) 二次離子質(zhì)譜法是利用二次離子轟擊樣品表面，將樣品表面薄層的物質(zhì)離子化，再經(jīng)過(guò)質(zhì)譜儀，利用不同離子的不同荷質(zhì)比來(lái)區(qū)分，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分析和一維垂直方向的物質(zhì)分布分析，該方法具有精度高，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。但是，該方法費(fèi)用高，樣品制備周期長(zhǎng)，分析速度慢。二次離子質(zhì)譜儀屬于高能精密分析設(shè)備，一般制造企業(yè)不可能采購(gòu)此類(lèi)設(shè)備。此外，由于實(shí)際運(yùn)用中，經(jīng)常要檢測(cè)側(cè)壁的損傷，而二次離子質(zhì)譜對(duì)于側(cè)壁檢測(cè)樣品制備比較困難；(2)化學(xué)腐蝕量法是一種經(jīng)驗(yàn)性的表征方法，較為粗略，它是根據(jù)介電薄膜受到不同損傷后承受化學(xué)腐蝕的速度差異來(lái)實(shí)現(xiàn)的，受損越嚴(yán)重，腐蝕越快，通過(guò)測(cè)量被腐蝕的厚度來(lái)表征受損程度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，制樣方便快捷，但缺點(diǎn)是重復(fù)性差，精度低，可控性差，對(duì)于損傷較大的工藝區(qū)分度很低，因?yàn)楦g速度有最大上限；(3)介電常數(shù)電學(xué)測(cè)試法是當(dāng)芯片完成全部工序后，利用電學(xué)測(cè)量的方法，測(cè)出特定結(jié)構(gòu)中介電薄膜的介電常數(shù)， 利用介電常數(shù)的變化來(lái)表示薄膜受損程度，這種方法最為準(zhǔn)確有效地表達(dá)出薄膜電學(xué)性能的變化，也是最適用于橫向比較的方法。但是，這種測(cè)試方法必須要在芯片測(cè)試結(jié)構(gòu)完整后才可以實(shí)現(xiàn)，不能在生產(chǎn)程中途進(jìn)行測(cè)試，而且給出的是一個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)趨于整體性能的平均值，而不能給出具體受損一維和二維的分布情況。以上三種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，如果能結(jié)合各自?xún)?yōu)勢(shì)發(fā)明一種簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確、低費(fèi)用的表征方法將是非常實(shí)用性。因此，如何找到一種方法可以實(shí)現(xiàn)快速、廉價(jià)、準(zhǔn)確可靠地對(duì)介質(zhì)損傷進(jìn)行表征和評(píng)估成為一個(gè)重要的課題，也是半導(dǎo)體業(yè)界亟待解決的技術(shù)難題
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，可以簡(jiǎn)單、迅速、準(zhǔn)確、量化地利用碳的含量損失來(lái)表征出介電膜的損傷度， 可以直接在生產(chǎn)程中途進(jìn)行測(cè)試，為工藝參數(shù)的優(yōu)化和產(chǎn)品性能的監(jiān)測(cè)帶來(lái)極大的便利， 具體是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其中，包括 將待測(cè)樣品制備成透射電鏡樣品；
對(duì)透射電鏡樣品進(jìn)行電子能量損失譜測(cè)量，獲得碳元素分布；
將所得數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算和擬合，獲得與碳元素分布一一對(duì)應(yīng)的薄膜的介電常數(shù)參
數(shù)；
用該工藝后獲得的碳元素分布或由擬合后獲得的薄膜介電常數(shù)參數(shù)來(lái)表征該薄膜在某一工藝的受損情況，并且，經(jīng)過(guò)多次數(shù)據(jù)積累建立擬合公式和數(shù)據(jù)庫(kù)，在不進(jìn)行電學(xué)測(cè)試的情況下，預(yù)知性地給出最終的薄膜介電常數(shù)參數(shù)。上述用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其中，所述待測(cè)樣品為已形成互連結(jié)構(gòu)但尚未進(jìn)行金屬填充的芯片結(jié)構(gòu)。上述用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其中，所述已形成互連結(jié)構(gòu)但尚未進(jìn)行金屬填充的芯片結(jié)構(gòu)是通過(guò)在化學(xué)氣相沉積的薄膜上進(jìn)行光刻、刻蝕、去膠、后清洗過(guò)程后獲得的。上述用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其中，所述互連結(jié)構(gòu)包括溝形、槽形和孔形。上述用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其中，所述透射電鏡樣品厚度為 5(T200nm。上述用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其中，所述透射電鏡樣品長(zhǎng)度為2 20 μ m。上述用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其中，所述透射電鏡樣品的制備方法包括采用聚焦離子束進(jìn)行切割。上述用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其中，所述透射電鏡樣品的制備方法還包括離子拋光減薄。上述用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其中，所述碳元素分布為碳元素的一維線分布或二維區(qū)域分布。本發(fā)明準(zhǔn)確可控，重復(fù)性好，制樣簡(jiǎn)單，測(cè)試周期短，空間分辨率高，經(jīng)過(guò)擬合計(jì)算還可在中途即獲得最終薄膜的電學(xué)性能參數(shù)，具有預(yù)先判斷能力。本領(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀以下較佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，并參照附圖之后，本發(fā)明的這些和其他方面的優(yōu)勢(shì)無(wú)疑將顯而易見(jiàn)。


參考所附附圖，以更加充分的描述本發(fā)明的實(shí)施例，然而，所附附圖僅用于說(shuō)明和闡述，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制。圖1是本發(fā)明用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法的最佳實(shí)施例的流程示意框圖；圖2是本發(fā)明用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法中采用化學(xué)氣相沉積等方法制備尚未填充銅的互連溝槽結(jié)構(gòu)流程示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明一種用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，在最佳實(shí)施例中，流程步驟具體包括
首先，將已形成互連結(jié)構(gòu)(溝形、槽形、孔形等)但尚未進(jìn)行金屬填充的芯片結(jié)構(gòu)制備成透射電鏡樣品(TEM樣品)，制備方法是采用聚焦離子束(FIB)進(jìn)行切割和離子拋光減??；
接著，對(duì)該樣品進(jìn)行電子能量損失譜(EELS)測(cè)量，獲得碳元素的一維線分布或二維區(qū)域分布；
其后，將所得數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算和擬合，獲得與碳元素分布一一對(duì)應(yīng)的薄膜的介電常數(shù)參數(shù)；
用該工藝后獲得的碳元素分布或由擬合后獲得的薄膜介電常數(shù)參數(shù)來(lái)表征該薄膜在某一工藝的受損情況，并且，經(jīng)過(guò)多次數(shù)據(jù)積累建立擬合公式和數(shù)據(jù)庫(kù)，在不進(jìn)行電學(xué)測(cè)試的情況下，預(yù)知性地給出最終的薄膜介電常數(shù)參數(shù)。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于使用低介電常數(shù)薄膜的各種芯片制造過(guò)程中介電薄膜損傷的表征，適用于不同的結(jié)構(gòu)，比如溝形、槽形、孔形等，同時(shí)適用于各種含碳低介電常數(shù)材料(BD，coral等低介電常數(shù)材料，多孔超低介電常數(shù)材料或旋涂的低介電常數(shù)有機(jī)聚合物)?，F(xiàn)選取最具代表性的金屬間介質(zhì)層溝槽刻蝕工序中低介電常數(shù)材料側(cè)壁損傷的表征為具體實(shí)施案例，請(qǐng)同時(shí)參看圖2所示在40納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，采用二代黑鉆石(BDII)作為低介電常數(shù)介質(zhì)材料，是一種相對(duì)介電常數(shù)為2. 55的多孔摻碳氧化硅，該材料主要用于金屬層間介質(zhì)層的填充，為采用半導(dǎo)體業(yè)界通用技術(shù)大馬士革結(jié)構(gòu)，具體實(shí)現(xiàn)方法是
1、在化學(xué)氣相沉積(CVD)的BDII薄膜1上進(jìn)行光刻，刻蝕，去膠，后清洗等過(guò)程，獲得尚未填充銅的互連溝槽結(jié)構(gòu)，如圖2所示；
2、采用聚焦離子束(FIB)對(duì)待測(cè)樣品的特定位置進(jìn)行切割，制備成標(biāo)準(zhǔn)TEM樣品，長(zhǎng)度約2 20微米，厚度為5(Γ200納米，制備時(shí)間為2 3小時(shí)。為了檢測(cè)溝槽側(cè)壁的損傷情況， 所以該樣品為垂直于溝槽結(jié)構(gòu)的剖面，其后利用離子拋光等方法對(duì)樣品進(jìn)行進(jìn)一步減薄和去除表面污染處理；
3、將制備好的樣品裝入透射電鏡，要求該透射電鏡具備電子能量損失譜分析功能。利用電子能量損失譜對(duì)輕元素的高靈敏度偵測(cè)特點(diǎn)，對(duì)樣品中的碳在垂直于溝槽結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方向進(jìn)行一維線掃描，獲得沿該分析線的碳元素的分布；
4、所得的碳元素線分布圖進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，如平滑，積分，擬合等等，將碳含量的變化，與低介電常數(shù)介質(zhì)薄膜的受損量一一對(duì)應(yīng)，建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)和擬合公式，如可以將同一工藝獲得的結(jié)構(gòu)，部分進(jìn)行電子能量損失譜分析，獲得碳損失分布數(shù)據(jù)，另一部分繼續(xù)完成后續(xù)工序，進(jìn)行低介電常數(shù)薄膜的介電常數(shù)電學(xué)測(cè)量，獲得受損薄膜的電學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)。最后利用溝槽結(jié)構(gòu)圖形密度，尺寸，碳損失的積分量和最終測(cè)試獲得的電學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算和擬合，從而建立碳損失和受損薄膜的電學(xué)參數(shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，既以用碳元素分布數(shù)據(jù)來(lái)表征薄膜的受損情況，也可以用擬合所得的薄膜電學(xué)參數(shù)來(lái)表征薄膜在工藝步驟中的受損情況。
本發(fā)明通過(guò)采用透射電鏡中的電子能量損失譜對(duì)待測(cè)樣品的碳含量進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)碳含量在一維線性的分布或二維區(qū)域的分布，得出低介電常數(shù)薄膜在工藝過(guò)程中的損傷情況，檢測(cè)方法的檢測(cè)周期，包括制樣和檢測(cè)，在2飛小時(shí)。如果在足夠數(shù)據(jù)的支持下，還可以將碳含量的值與最終電學(xué)測(cè)量獲得的相對(duì)介電常數(shù)值擬合匹配，從而在不需要經(jīng)過(guò)電學(xué)測(cè)量即可獲得不同工藝下的介電薄膜最終的電學(xué)性能表現(xiàn)。本發(fā)明方法準(zhǔn)確可控，重復(fù)性好，制樣簡(jiǎn)單，測(cè)試周期短，空間分辨率高，經(jīng)過(guò)擬合計(jì)算還可在中途即獲得最終薄膜的電學(xué)性能參數(shù)，具有預(yù)先判斷能力。通過(guò)說(shuō)明和附圖，給出了具體實(shí)施方式
的特定結(jié)構(gòu)的典型實(shí)施例，因此，盡管上述發(fā)明提出了現(xiàn)有的較佳實(shí)施例，然而，這些內(nèi)容并不作為局限。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，閱讀上述說(shuō)明后，各種變化和修正無(wú)疑將顯而易見(jiàn)。因此，所附的權(quán)利要求書(shū)應(yīng)看作是涵蓋本發(fā)明的真實(shí)意圖和范圍的全部變化和修正，在權(quán)利要求書(shū)范圍內(nèi)任何和所有等價(jià)的范圍與內(nèi)容，都應(yīng)認(rèn)為仍屬本發(fā)明的意圖和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其特征在于，包括 將待測(cè)樣品制備成透射電鏡樣品；對(duì)透射電鏡樣品進(jìn)行電子能量損失譜測(cè)量，獲得碳元素分布；將所得數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算和擬合，獲得與碳元素分布一一對(duì)應(yīng)的薄膜的介電常數(shù)參數(shù)；用該工藝后獲得的碳元素分布或由擬合后獲得的薄膜介電常數(shù)參數(shù)來(lái)表征該薄膜在某一工藝的受損情況，并且，經(jīng)過(guò)多次數(shù)據(jù)積累建立擬合公式和數(shù)據(jù)庫(kù)，在不進(jìn)行電學(xué)測(cè)試的情況下，預(yù)知性地給出最終的薄膜介電常數(shù)參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其特征在于，所述待測(cè)樣品為已形成互連結(jié)構(gòu)但尚未進(jìn)行金屬填充的芯片結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其特征在于，所述已形成互連結(jié)構(gòu)但尚未進(jìn)行金屬填充的芯片結(jié)構(gòu)是通過(guò)在化學(xué)氣相沉積的薄膜上進(jìn)行光刻、刻蝕、去膠、后清洗過(guò)程后獲得的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其特征在于，所述互連結(jié)構(gòu)包括溝形、槽形和孔形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其特征在于，所述透射電鏡樣品厚度為5(T200nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其特征在于，所述透射電鏡樣品長(zhǎng)度為2 20μπι。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其特征在于，所述透射電鏡樣品的制備方法包括采用聚焦離子束進(jìn)行切割。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其特征在于，所述透射電鏡樣品的制備方法還包括離子拋光減薄。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，其特征在于，所述碳元素分布為碳元素的一維線分布或二維區(qū)域分布。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于表征低介電常數(shù)介質(zhì)材料損傷的檢測(cè)方法，包括將已形成互連結(jié)構(gòu)但尚未進(jìn)行金屬填充的芯片結(jié)構(gòu)制備成透射電鏡樣品；對(duì)該樣品進(jìn)行電子能量損失譜測(cè)量，獲得碳元素的一維線分布或二維區(qū)域分布；將所得數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算和擬合，獲得與碳元素分布一一對(duì)應(yīng)的薄膜的介電常數(shù)參數(shù)；用該工藝后獲得的碳元素分布或由擬合后獲得的薄膜介電常數(shù)參數(shù)來(lái)表征該薄膜在某一工藝的受損情況，經(jīng)過(guò)多次數(shù)據(jù)積累建立擬合公式和數(shù)據(jù)庫(kù)，在不進(jìn)行電學(xué)測(cè)試的情況下，預(yù)知性地給出最終的薄膜介電常數(shù)參數(shù)。本發(fā)明準(zhǔn)確可控，重復(fù)性好，制樣簡(jiǎn)單，測(cè)試周期短，空間分辨率高，經(jīng)過(guò)擬合計(jì)算還可在中途即獲得最終薄膜的電學(xué)性能參數(shù)，具有預(yù)先判斷能力。
文檔編號(hào)H01L21/66GK102420151SQ20111011017
公開(kāi)日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者姬峰, 張亮, 李磊, 胡友存, 陳玉文 申請(qǐng)人:上海華力微電子有限公司