CN101839699A - 一种测量微纳米金属互连线残余变形的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量微纳米金属互连线残余变形的方法，属于变形测量、光测力学领域。本发明在微纳米金属互连线表面通过聚焦离子束辐照制作散斑或利用聚焦离子束刻蚀单向光栅作为微纳米标记，之后通过聚焦离子束在微纳米标记区域刻蚀一条垂直于轴向的贯穿裂纹以释放轴向残余应力，分别采集裂纹刻蚀前后的微纳米标记图像，利用数字图像相关法计算微纳米金属互连线在裂纹附近由于残余应力释放引起的变形，即残余变形。该方法能原位制作微纳米标记、刻蚀裂纹、并采集图像，具有原位测量、定位准确、操作简单、非接触、数据处理方便、灵敏度高、测量精度高的优点。其中提出的聚焦离子束辐照法能快速制作散斑，工艺简单便捷。

Description

一种测量微纳米金属互连线残余变形的方法

技术领域

本发明涉及一种测量微纳米金属互连线残余变形的方法，属于变形测量、光测力学领域。

背景技术

金属互连线广泛存在于半导体集成电路及微机电系统中，随着对微器件性能要求的日益提高，金属互连线的宽度也越来越小，可从几十微米到几十纳米。由于微纳米金属互连线、基底、绝缘层之间存在热膨胀系数的差异，微纳米金属互连线在制备过程中会产生难以消除的预应力，称为残余应力。这种预先存在的残余应力容易引起微纳米金属互连线在使用过程中的电迁移现象，若残余应力过大则微纳米金属互连线很容易失效，因此在微纳米金属互连线使用前，如何评估其内部的残余应力大小引起人们的关注。准确地评估微纳米金属互连线内部的残余应力，可为合理地制定能减小残余应力的退火工艺提供指导。

评估金属薄膜包括薄膜导线的内部残余应力的常用方法是X射线衍射法，然而这种方法的适用条件是X光束的光斑直径小于所测物体的横向和纵向尺寸，而目前X光束的光斑所能达到的最小尺寸为1微米，实际操作中通常只能达到几十微米，难以适于目前越来越细的微纳米金属互连线。用于测量薄膜残余应力的基底曲率测量法要求基底为圆片状或长方条形，且薄膜要覆盖基底，对于微纳米金属互连线较难适用。因此需要寻找新的方法评估微纳米金属互连线内部的残余应力，由于应力与变形存在一定的对应关系，若能准确地测量出微纳米金属互连线由于残余应力释放而引发的残余变形，则可根据本构关系结合有限元计算出微纳米金属互连线内部的残余应力，因而测量微纳米金属互连线的残余变形具有非常重要的意义。

释放残余应力的方法主要有钻孔法和裂纹法，钻孔法释放孔周围各个方向的残余应力，裂纹法释放垂直于裂纹长度方向的残余应力，在微纳米金属互连线这种细长结构中，人们主要关心微纳米金属互连线的轴向残余应力，故裂纹法更适于用来释放微纳米金属互连线内部的残余应力。制作微纳米尺度裂纹的技术目前主要是聚焦离子束刻蚀法，该方法定位精度高、操作简单、刻蚀深度精确。

发明内容

本发明旨在针对在半导体集成电路中广泛使用的微纳米金属互连线，提出一种测量微纳米金属互连线残余应变的方法，对于宽度和厚度从纳米量级到毫米量级的金属互连线，均能进行原位测量。

本发明的技术方案如下：

一种测量微纳米金属互连线残余变形的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)把沉积在基底上的微纳米金属互连线试样放置于聚焦离子束系统的平台上，选择一根微纳米金属互连线的一个区域作为研究对象；

2)在微纳米金属互连线表面通过聚焦离子束辐照制作散斑或利用聚焦离子束刻蚀单向光栅，将散斑或单向光栅作为微纳米金属互连线上的微纳米标记；之后采集散斑或单向光栅的图像，作为裂纹刻蚀前的微纳米标记图像；

3)通过聚焦离子束系统中的聚焦离子束在微纳米金属互连线上的微纳米标记区域刻蚀一条垂直于轴向的贯穿裂纹，以释放微纳米金属互连线内部的轴向残余应力，再采集裂纹刻蚀后微纳米金属互连线上的微纳米标记图像；

4)在微纳米金属互连线的裂纹附近选择一个计算区域，使计算区域的一条边为裂纹的边缘，用数字图像相关法分析微纳米金属互连线上裂纹刻蚀前、后的微纳米标记图像，并计算微纳米金属互连线在裂纹附近由于轴向残余应力释放而产生的变形，即为微纳米金属互连线的残余变形。

本发明的技术特征还在于：在所选择的微纳米金属互连线上用聚焦离子束制作微纳米标记、刻蚀裂纹、采集图像均在聚焦离子束系统中原位进行；若微纳米标记为散斑，聚焦离子束的辐照遍数为4～8；若微纳米标记为单向光栅，单向光栅的主方向与微纳米金属互连线的轴向平行，单向光栅的频率为1000l/mm～10000l/mm。

在微纳米金属互连线上刻蚀的裂纹深度与微纳米金属互连线的厚度相等，裂纹宽度为30nm～50nm。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点及突出性效果：利用聚焦离子束辐照法制作散斑，工艺简单便捷；利用聚焦离子束刻蚀裂纹，裂纹的长宽深可精确控制，空间定位准确；测量过程中的微纳米标记制作、裂纹刻蚀、图像采集均在聚焦离子束系统中原位进行，操作简单；采用数字图像相关软件处理采集的微纳米标记图像，将裂纹边缘作为计算区域的一条边，数据处理方便，测量精度高；该方法非接触、对于长度和宽度从纳米量级到毫米量级的微纳米金属互连线均适用，当微纳米金属互连线的长度和宽度改变时，只需调整聚焦离子束系统的放大倍数及刻蚀参数即可。

附图说明

图1为微纳米金属互连线试样及测试平台的结构示意图。

图2为裂纹刻蚀后微纳米金属互连线的俯视示意图。

图3为在20μm宽300nm厚的铜互连线上用聚焦离子束辐照法制作的散斑图像。

图4为在20μm宽300nm厚的铜互连线上用聚焦离子束刻蚀一条垂直于轴向的贯穿裂纹后的散斑图像。

其中：1-聚焦离子束系统；2-基底；3-微纳米金属互连线；4-散斑；4’-变形后的散斑；5-计算区域；6-刻蚀的裂纹。

具体实施方式

现结合图1、图2、图3、图4及实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。在阐述具体实施方式前首先简要介绍本发明中用到的数字图像相关法的测量原理。

数字图像相关法通过处理变形前后的两幅数字图像计算全场变形，这两幅图像需要具有灰度变化，变形前的数字图像简称参考图像，变形后的数字图像简称变形图像。设(x，y)为参考图像中一点的坐标，以该点为中心取一个像素大小为(2M+1)×(2M+1)的正方形子区，其中M为一正整数，选择合适的相关函数，在变形图像中搜索与参考图像中的正方形子区最相似的区域，判断标准是相关系数为最大值或最小值，如取最大值还是最小值根据使用的相关函数确定。在变形图像中寻找到最相近的正方形子区后，该子区的中心点坐标(x′，y′)即为参考图像中坐标为(x，y)的点变形后的坐标，根据(x′，y′)与(x，y)的坐标差即可确定参考图像中点(x，y)发生的位移。

上面提到的相关函数一般选择标准化协方差互相关函数：

$C_{f,g}=\frac{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[f(x,y)-f_m]\×[g(x^{\′},y^{\′})-g_m]}{\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[f(x,y)-f_m]}^2}\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[g(x^{\′},y^{\′})-g_m]}^2}}---\left(1\right)$

其中f(x，y)是参考图像中点(x，y)的灰度，g(x′，y′)是变形图像中对应点(x′，y′)的灰度，

分别为参考图像和变形图像中正方形子区的灰度平均值。变形前后图像子区的相似程度通过相关系数的大小进行评价，当相关系数最大时表明变形前后的图像子区最相似。

相关函数可用最小二乘回归分析拟合为一平面，这样可获得如下形式的连续位移场：

U＝Ax+By+C，V＝Ix+Jy+K                (2)

其中U和V分别为点(x，y)在X方向和Y方向的位移；A，B，C，I，J，K为线性系数。

当应变较小时，由于应变和位移之间存在倒数关系，在全场位移数据经Savitzky-Golay滤波后，通过对x和y求一阶倒数可求得X方向和Y方向的应变场，应变的表达式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_X=\∂U/\∂x=A,$ ${\mathrm{\ϵ}}_Y=\∂V/\∂y=J$

根据公式(2)和(3)便可求得计算区域的位移场和应变场，实际计算中位移场的精度为0.1像素。

微纳米金属互连线试样及测试平台的结构示意图如图1所示，使用本发明提出的方法时，把沉积在基底2上的微纳米金属互连线试样放置于聚焦离子束系统1的平台上，选择一根微纳米金属互连线3的一个区域作为研究对象；在微纳米金属互连线3表面通过聚焦离子束系统1中的聚焦离子束辐照制作散斑4或利用聚焦离子束刻蚀单向光栅，将散斑4或单向光栅作为微纳米金属互连线上的微纳米标记，若微纳米标记为散斑，聚焦离子束的辐照遍数为4～8，至散斑4清晰可见时停止辐照，若微纳米标记为单向光栅，单向光栅的主方向与微纳米金属互连线3的轴向平行，单向光栅的频率为1000line/mm～10000line/mm，制作好后采集散斑4或单向光栅的图像，作为裂纹刻蚀前的微纳米标记图像；通过聚焦离子束系统1中的聚焦离子束在微纳米金属互连线3上的微纳米标记区域刻蚀一条垂直于轴向的贯穿裂纹6，使裂纹6的深度与微纳米金属互连线3的厚度相等，使裂纹6的宽度为30nm～50nm，裂纹6可以释放微纳米金属互连线3内部的轴向残余应力，从而会使微纳米金属互连线3发生变形，引起微标记发生变化，如变形后的散斑4’，采集裂纹6刻蚀后微纳米金属互连线3上的微标记图像。

在微纳米金属互连线3的裂纹6附近选择一个计算区域5，使计算区域5的一条边为裂纹6的边缘，为了避免微纳米金属互连线3边界不规则对计算带来的影响，计算区域5的边缘要与微纳米金属互连线3的边界保持一定距离，保证计算区域为平整区域；用数字图像相关法分析微纳米金属互连线3上裂纹6刻蚀前、后的微纳米标记图像，如散斑4和4’，并计算微纳米金属互连线3在裂纹6附近由于轴向残余应力释放而产生的变形，即为微纳米金属互连线3的残余变形。由于在微纳米金属互连线3由裂纹6释放的轴向残余变形关于裂纹6是对称的，所以计算区域5选择在裂纹6的任一边均可，或者在裂纹6的两边选择两个对称的区域，可分别获得微纳米金属互连线3在裂纹6两侧的残余变形。

实施例1

本实施例采用散斑作为微标记，欲测量铜互连线由于残余应力释放引起的残余变形，铜互连线沉积在硅基底上，铜互连线的宽度和厚度分别为20μm和300nm，相邻两根铜互连线的中心间距为40μm，铜互连线的长度为3mm。把沉积在硅基底上的铜互连线试样放置于聚焦离子束系统的平台上，选择一根铜互连线的一个区域作为研究对象。

用聚焦离子束系统中的离子束辐照铜互连线，至散斑清晰可见时停止辐照，采集此时铜互连线上的散斑图像，作为轴向残余应力释放前的微标记图像，散斑区域的大小为20μm×21μm，如图3所示。通过聚焦离子束系统中的离子束在散斑所在的区域刻蚀一条裂纹，使裂纹的深度为300nm，与铜互连线的厚度相等，裂纹的长度为20μm，与铜互连线的宽度相等，裂纹的宽度为50nm，裂纹的长度方向与铜互连线的轴向垂直，如图4所示。这条垂直于轴向的贯穿裂纹可以释放铜互连线内部的轴向残余应力，从而会使铜互连线发生变形，引起散斑发生变化，再采集此时铜互连线上的散斑图像，为轴向残余应力释放后的微标记图像。

在铜互连线上选择一个计算区域如图4中的虚线框所示，大小为18μm×9μm，计算区域的一条边为裂纹的边缘，用数字图像相关法分析裂纹刻蚀前后的散斑图像，根据公式(2)和(3)计算铜互连线在裂纹附近由于轴向残余应力释放而产生的位移和应变，即为铜互连线的残余变形。由于铜互连线的残余变形应该关于裂纹对称，所以计算区域也可选在裂纹另一侧与虚线框对称的区域，或者在这两个对称的区域都进行计算，可分别获得铜互连线在裂纹两侧的残余变形。

Claims (3)

1.一种测量微纳米金属互连线残余变形的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)把沉积在基底上的微纳米金属互连线试样放置于聚焦离子束系统的平台上，选择一根微纳米金属互连线的一个区域作为研究对象；

2)在微纳米金属互连线表面通过聚焦离子束辐照制作散斑或利用聚焦离子束刻蚀单向光栅，将散斑或单向光栅作为微纳米金属互连线上的微纳米标记；之后采集散斑或单向光栅的图像，作为裂纹刻蚀前的微纳米标记图像；

3)通过聚焦离子束系统中的聚焦离子束在微纳米金属互连线上的微纳米标记区域刻蚀一条垂直于轴向的贯穿裂纹，以释放微纳米金属互连线内部的轴向残余应力，再采集裂纹刻蚀后微纳米金属互连线上的微纳米标记图像；

4)在微纳米金属互连线的裂纹附近选择一个计算区域，使计算区域的一条边为裂纹的边缘，用数字图像相关法分析微纳米金属互连线上裂纹刻蚀前、后的微纳米标记图像，并计算微纳米金属互连线在裂纹附近由于轴向残余应力释放而产生的变形，即为微纳米金属互连线的残余变形。

2.按照权利要求1所述的一种测量微纳米金属互连线残余变形的方法，其特征在于：在所选择的微纳米金属互连线上用聚焦离子束制作微纳米标记、刻蚀裂纹、采集图像均在聚焦离子束系统中原位进行；若微纳米标记为散斑，聚焦离子束的辐照遍数为4～8；若微纳米标记为单向光栅，单向光栅的主方向与微纳米金属互连线的轴向平行，单向光栅的频率为1000line/mm～10000line/mm。

3.按照权利要求1或2所述的测量微纳米金属互连线残余变形的方法，其特征在于：在微纳米金属互连线上刻蚀的裂纹深度与微纳米金属互连线的厚度相等，裂纹宽度为30nm～50nm。

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