CN102346152B

CN102346152B - 样品失效分析方法

Info

Publication number: CN102346152B
Application number: CN 201010245311
Authority: CN
Inventors: 陈险峰
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: CN102346152A

Abstract

一种样品失效分析方法，包括：获取样品的二次电子图像；从所述二次电子图像中选出作为参照的基准子图形，以及待分析子图形；沿同一方向扫描基准子图形和待分析子图形的灰度，获取基准子图形和待分析子图形的二次电子强度曲线；比较基准子图形的二次电子强度曲线和待分析子图形的二次电子强度曲线，确定待分析子图形是否存在缺陷。用二次电子强度曲线表征二次电子图像，即使有微小的缺陷，也可以通过二次电子强度表示出来；而且由于二次电子强度曲线对灰度变化比较敏感，即使金属互连线以及栓塞由于使用低介电常数金属而导致二次电子图像的分辨率降低，也可以用二次电子强度曲线将二次电子图像表示出来，二次电子强度曲线不会受分辨率变化的影响。

Description

样品失效分析方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域中检测样品失效的方法，尤其涉及一种样品失效分析方法。

背景技术

在半导体技术领域中，利用半导体制程工艺制造半导体器件时，由于半导体制程工艺中会引入一些金属微粒或者由于制程缺陷，会导致一些半导体存在缺陷，因此需要对半导体器件进行失效分析，以确定制造的半导体器件是否为合格产品。其中，在失效分析中，对金属互连线以及栓塞的失效分析非常重要。

现有技术中利用扫描电镜对样品的金属互连线以及栓塞进行失效分析，其基本原理为：样品在扫描电镜发射的电子的激发下产生二次电子，利用图像显示和记录系统显示和记录样品的二次电子图像，二次电子图像可以反映样品的形貌。利用扫描电镜对样品的金属互连线以及栓塞进行失效分析的具体步骤为：将测试样品置于机台上，且使所述扫描电镜的电子枪出射的电子束经扫描电镜的扫描系统后入射至测试样品；利用信号收集系统收集所述测试样品经电子激发后产生的二次电子；根据收集到的二次电子，利用图像显示和记录系统显示和记录所述样品的二次电子图像；对二次电子图像进行分析，根据二次电子图像的形貌找出存在缺陷的地方，从而可以分析出金属互连线或栓塞的缺陷。

现有技术中通常是由检测人员观察二次电子图像，以分析金属互连线或栓塞的缺陷。然而，由于二次电子图像为灰阶图像，而人们肉眼对灰阶图像不太敏感，因此很难通过灰阶图像发现有微小缺陷的地方。

并且，随着半导体器件越来越向小的方向发展，为了减小电阻电容延迟效应(RC)，半导体器件中的金属互连线以及栓塞中使用的金属越来越向低介电常数方向发展，二次电子成像过程中，如果样品表面有不导电的介电材质，入射电子的一部分会堆积在样品的表面，形成噪声，降低二次电子图像的信噪比，从而也使二次电子的图像分辨率降低。现有技术中有许多关于金属互连线失效的检测方法，例如申请号为200710040250.8的中国专利申请公开的互连线失效检测的方法，然而均没有解决以上所述的现有技术的缺点。

发明内容

本发明解决的问题是人们肉眼对灰阶图像不敏感，因此不能通过灰阶图像发现有微小缺陷的地方；以及由于金属互连线以及栓塞使用低介电常数金属导致二次电子图像的分辨率降低，从而影响金属互连线以及栓塞的失效检测。

为解决上述问题，本发明提供一种样品失效分析方法，包括：

获取样品的二次电子图像；

从所述二次电子图像中选出作为参照的基准子图形，以及待分析子图形；

沿同一方向扫描基准子图形和待分析子图形，获取基准子图形和待分析子图形的二次电子强度曲线；

比较基准子图形的二次电子强度曲线和待分析子图形的二次电子强度曲线，确定待分析子图形是否存在缺陷。

可选的，所述获取样品的二次电子图像包括：

提供测试样品；

使电子束入射至测试样品；

收集所述测试样品经电子激发后产生的二次电子，显示和记录所述样品的二次电子图像。

可选的，所述电子束入射至测试样品包括：使扫描电镜的电子枪出射的电子束经扫描电镜的扫描系统后入射至测试样品。

可选的，所述使扫描电镜的电子枪出射的电子束经扫描电镜的扫描系统后入射至测试样品包括：

对所述电子枪施加3～10KV的电压，电子枪出射的电子束电流为10～20uA。

可选的，还包括：所述使所述扫描电镜的电子枪出射的电子束经扫描电镜的扫描系统后入射至测试样品包括：

对所述电子枪施加15KV以上的电压，电子枪出射的电子束电流为10uA以上。

可选的，所述使电子束入射至测试样品包括：

使电子束垂直入射至测试样品。

可选的，所述收集所述测试样品经电子激发后产生的二次电子包括：

在与测试样品表面呈30°～50°的方向收集二次电子。

可选的，所述二次电子图像为金属互连层的二次电子图像。

可选的，所述比较基准子图形的二次电子强度曲线和待分析子图形的二次电子强度曲线，确定待分析子图形是否存在缺陷包括：

如果待分析子图形的二次电子强度曲线的波峰和波谷的强度差小于基准子图形的二次电子强度曲线的波峰和波谷的强度差，可以判定待分析子图形存在金属互连线粘连现象。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过将二次电子图像的灰阶转换为二次电子强度曲线，用二次电子强度曲线表示二次电子图像，即使有微小的缺陷，也可以通过二次电子强度曲线表示出来；而且由于肉眼可以识别二次电子强度曲线的差异，也就是说，肉眼对二次电子强度曲线变化比灰度变化敏感，即使金属互连线以及栓塞由于使用低介电常数金属而导致二次电子图像的分辨率降低，也可以用二次电子强度曲线表示出来，不受灰阶图像分辨率降低的影响。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的样品失效分析方法的流程示意图；

图2为本发明具体实施例的获取二次电子图像的流程示意图；

图3为本发明具体实施例的金属互连层的二次电子图像的扫描电镜图像。

具体实施方式

本发明具体实施方式的样品失效分析方法，通过将二次电子图像的灰阶转换为强度，用二次电子强度曲线表示二次电子图像，即使有微小的缺陷，也可以通过二次电子强度曲线表示出来；而且由于肉眼对二次电子强度曲线变化比灰度变化敏感些，即使金属互连线以及栓塞由于使用低介电常数金属而导致二次电子图像的分辨率降低，也可以用二次电子强度曲线将二次电子图像表示出来。强度曲线不会受灰阶图像分辨率降低的影响。

为了使本领域技术人员可以更好的理解本发明的实质，使本发明更加清楚，下面结合附图详细说明本发明具体实施方式的利用扫描电镜进行样品失效分析的方法。

图1为本发明具体实施方式的样品失效分析方法的流程图，参考图1，本发明具体实施方式的样品失效分析方法包括：

步骤S1，获取二次电子图像；

步骤S2，从所述二次电子图像中选出作为参照的基准子图形，以及待分析子图形；

步骤S3，沿同一方向扫描基准子图形和待分析子图形，获取基准子图形和待分析子图形的二次电子强度曲线；

步骤S4，比较基准子图形的二次电子强度曲线和待分析子图形的二次电子强度曲线，确定待分析子图形是否存在缺陷。

图2为具体实施例的获取二次电子图像的流程示意图，参考图2，所述步骤S1，获取二次电子图像包括：

步骤S11，提供测试样品；

步骤S12，使电子束入射至测试样品；

步骤S13，收集所述测试样品经电子激发后产生的二次电子，显示和记录所述样品的二次电子图像。

本发明一具体实施例的样品失效分析方法是利用扫描电镜进行样品失效分析，现有技术中扫描电镜包括电子光学系统，扫描系统，信号收集系统，图像显示和记录系统。电子光学系统由电子枪、聚光镜、物镜和样品室等部件组成，它的作用是将电子枪发射的电子束聚焦成亮度高、直径小的入射电子束来轰击样品，使样品产生各种物理信号，例如电子信号，该电子信号包括二次电子、背射电子、透射电子、吸收电子等。扫描系统是扫描电镜的特殊部件，它由扫描发生器和扫描线圈组成，它的作用是：1)使入射电子束在样品表面扫描，并使阴极射线显像管电子束在荧光屏上作同步扫描，2)改变入射电子束在样品表面的扫描振幅，从而改变扫描像的放大倍数。信号收集系统包括电子收集器，例如二次电子侦测器，常见的电子收集器是由闪烁体、光导管和光电倍增管等组成的部件，其作用是将电子信号收集起来，然后成比例地转换成光信号，经放大后转换成电信号输出，这种电信号就用来作为扫描像的调制信号。图像显示和记录系统是将信号收集器输出的电信号呈比例地转换为阴极射线显像管电子束强度的变化，这样就在荧光屏上得到一幅与样品扫描点产生的某一种物理讯号成正比例的亮度变化的扫描像，或者用照相的方式记录下来。本发明进行样品失效分析中使用的图像为扫描电镜的二次电子图像，二次电子侦察器收集样品在入射电子束激发下产生的二次电子，由图像显示和记录系统显示和记录二次电子图像。下面详细说明本发明具体实施例的样品失效分析方法。

步骤S1中获取二次电子图像通过以下步骤S11、S12以及S13实现。步

骤S11，提供测试样品：本发明中的测试样品为半导体器件，该半导体器件形成有金属互连层以及栓塞，如果栓塞以及金属互连层有缺陷将会影响半导体器件的性能，本发明中主要分析半导体器件中金属互连层以及栓塞是否有缺陷。利用扫描电镜获取二次电子图像时，在该步骤中为将测试样品置于扫描电镜的机台上。

步骤S12，使电子束入射至测试样品：在将样品置于机台上之后，使电子束入射至测试样品，测试样品在入射电子束的轰击下，产生二次电子、俄歇电子、背射电子、透射电子以及吸收电子。在本发明具体实施例中，使电子束入射至测试样品的角度为90度，即要使电子束垂直入射至测试样品，这样可以使电子束可以以最短的路径射入样品中，减少电子束的能量损失。在利用扫描电镜具体实施例中，在步骤S11中将样品置于机台上后，使扫描电镜的电子枪出射电子束，对电子枪施加的电压为3～10KV，使电子束的电流为10～20uA，在此电压和电流范围内，可以对样品的金属互连层中存在的缺陷进行分析。在一具体实施例中，对电子枪施加的电压为8KV，电子束的电流为10uA。从电子枪出射的电子束经扫描电镜的扫描系统后入射至测试样品，扫描系统使入射电子束在样品表面扫描，可以使入射电子束垂直入射至整个样品。

步骤S13，收集所述测试样品经电子激发后产生的二次电子，记录和显示所述样品的二次电子图像，具体为：在步骤S12中利用电子枪产生的电子束入射至测试样品后，测试样品在入射电子束的轰击下产生以上所述的各种电子后，收集测试样品经电子激发后产生的二次电子。本发明具体实施例中，利用信号收集系统的电子收集器，例如二次电子侦察器，收集二次电子信号，然后成比例地将二次电子信号转换成光信号，经放大后转换成电信号输出，这种电信号就用来作为扫描像的调制信号。在收集二次电子信号时，由于二次电子向各个方向发射，此时在电子收集器前施加偏压使二次电子向一个方向偏转，可以在某一方向收集二次电子信号，在本发明的具体实施例中，在与测试样品表面呈30°～50°的方向收集二次电子。优选的，在与测试样品表面呈35°的方向收集二次电子。

接着，根据收集到的所述二次电子，记录所述样品的二次电子图像。利用信号收集系统收集到二次电子信号后，利用图像显示和记录系统显示和记录所述样品的二次电子图像，在本发明的具体实施例中利用照相的方式记录二次电子图像。图3为一具体实施例的扫描电镜的二次电子图像，此二次电子图像为对电子枪施加的电压为8KV，电子束的电流为10uA，在与测试样品表面呈35°的方向收集二次电子信号时的二次电子图像。参考图3，扫描电镜的二次电子图像表征了样品形貌，黑色部分为绝缘材料二氧化硅，比黑色颜色浅的灰色部分为金属互连线，各个亮点为栓塞。由于二次电子图像是灰阶图像，人们的肉眼对灰阶不太敏感，所以很难分辨出一些细微的缺陷，并且由于金属互连层中绝缘材料互连线使用低k(介电常数)金属，导致二次电子图像处于高电荷累积模式下，使二次电子图像的分辨率降低，这进一步导致了通过二次电子图像将很难发现细微的缺陷。

在获得二次电子图像后，执行步骤S2，从所述二次电子图像中选出作为参照的基准子图形，以及待分析子图形；然后执行步骤S3，利用图像显示和记录系统沿同一方向扫描基准图形和待分析子图形，并记录基准子图形和待分析子图形的二次电子强度曲线；之后执行步骤S4，比较基准子图形的二次电子强度曲线和待分析子图形的二次电子强度曲线，根据比较结果确定待分析子图形是否存在缺陷。

比较二次电子图像中基准子图形的二次电子强度曲线和待分析子图形的二次电子强度曲线，可以分析金属互连层以及栓塞的缺陷。这是因为，金属相对非金属而言，在同样的入射电子束激发的条件下，金属的二次电子产额更高些。所以，对任何半导体芯片的金属互连层都可以用二次电子强度曲线表征。对于目前半导体业界广泛使用的铝或铜金属互连都是适应的。参考图3，详细说明以上步骤S2，步骤S3以及步骤S4。为了便于比较，图4中包括两张相同的扫描电镜图像，即图像10和20，其是收集测试样品的金属互连层表面经电子激发后产生的二次电子，而得到的二次电子图像。从图像10选取待分析子图形，从图像20中选取作为参照的基准子图形，此基准子图形为不存在缺陷的子图形，图3所示的扫描电镜图像中，从图像20中选取子图形21为基准子图形，其中的金属互连线形貌清晰且符合实际的形貌，不存在互连线粘连以及断开等现象；找出扫描电镜图像中形貌纹路不清晰的子图形，作为待分析的子图形，其不清楚的子图形可能是由于分辨率低造成的不清晰，也可能是由于金属互连线粘连造成的不清晰，以及其他原因造成的不清晰，图像10中待分析的子图形为子图形22，子图形22表现出模糊的一片灰色，其可能存在缺陷，但是由于图像的分辨率不高，不能确定其是否存在缺陷。

利用扫描电镜的图像显示和记录系统中的图像分析软件沿同一方向扫描选取的基准子图形21和待分析子图形22，将基准子图形21和待分析子图形22的灰阶图像转换成二次电子强度曲线。图3中的曲线表示沿同一方向扫描图像20的基准子图形21和图像10的待分析子图形22的二次电子强度曲线，其中在图像10侧的强度曲线为沿图中箭头23方向扫描待分析子图形22时形成的二次电子强度曲线，在图像20侧的强度曲线为沿图中箭头24方向扫描基准子图形21时形成的二次电子强度曲线。

在获得了二次电子强度曲线后，比较基准子图形的二次电子强度曲线和待分析子图形的二次电子强度曲线，根据比较结果确定待分析子图形是否存在缺陷。图3中，在图像10侧被方框所标识的曲线部分为待分析子图形的二次电子强度曲线，在图像20侧被方框所标识的曲线部分为基准子图形的二次电子强度曲线，根据二次电子强度曲线可以很明显的辨别灰阶的强度变化，比较待分析子图形的二次电子强度曲线和基准子图形的二次电子强度曲线，可以看出，基准子图形的二次电子强度曲线有明显的波峰和波谷，而与基准子图形的二次电子强度曲线相比，待分析子图形的二次电子强度曲线中没有明显的波峰和波谷(波峰对应栓塞以及金属互连线，波谷对应介质层)，即，待分析子图形的二次电子强度曲线的波峰和波谷的强度差小于基准子图形的二次电子强度曲线的波峰和波谷的强度差，可以判定待分析子图形存在金属互连线粘连现象。

通过将二次电子图像的灰阶转换为二次电子强度，用二次电子强度曲线表示二次电子图像，即使有微小的缺陷，也可以通过曲线变化表示出来；即使金属互连线以及栓塞由于使用低介电常数金属而导致二次电子图像的分辨率降低，也可以用二次电子强度曲线将二次电子图像表示出来。以上所述为分析金属互连层的缺陷的具体实施例，如果对所述电子枪施加加速电压15KV以上，电子枪出射的电子束电流为10uA以上则可以分析样品表面至8000埃深度的缺陷。其中，施加的电压需要根据实际深度确定，测不同深度的缺陷需要对电子枪施加不同的电压。

以上所述仅为本发明的具体实施例，为了使本领域技术人员更好的理解本发明的精神，然而本发明的保护范围并不以该具体实施例的具体描述为限定范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明精神的范围内，可以对本发明的具体实施例做修改，而不脱离本发明的保护范围。

Claims

1.一种样品失效分析方法，其特征在于包括：

获取样品的二次电子图像，所述二次电子图像为金属互连层的二次电子图像；

沿同一方向扫描基准子图形和待分析子图形，获取所述基准子图形和待分析子图形的二次电子强度曲线；

比较基准子图形的二次电子强度曲线和待分析子图形的二次电子强度曲线，确定待分析子图形是否存在缺陷；所述比较基准子图形的二次电子强度曲线和待分析子图形的二次电子强度曲线，确定待分析子图形是否存在缺陷包括：如果待分析子图形的二次电子强度曲线的波峰和波谷的强度差小于基准子图形的二次电子强度曲线的波峰和波谷的强度差，判定待分析子图形存在金属互连线粘连现象。

2.如权利要求1所述的样品失效分析方法，其特征在于，所述获取样品的二次电子图像包括：

提供测试样品；

使电子束入射至测试样品；

收集所述测试样品经入射电子激发后产生的二次电子，显示和记录所述样品的二次电子图像。

3.如权利要求2所述的样品失效分析方法，其特征在于，所述使电子束入射至测试样品包括：使扫描电镜的电子枪出射的电子束经扫描电镜的扫描系统后入射至测试样品。

4.如权利要求3所述的样品失效分析方法，其特征在于，所述使扫描电镜的电子枪出射的电子束经扫描电镜的扫描系统后入射至测试样品包括：

5.如权利要求3所述的样品失效分析方法，其特征在于，所述使扫描电镜的电子枪出射的电子束经扫描电镜的扫描系统后入射至测试样品包括：

6.如权利要求2～5任一项所述的样品失效分析方法，其特征在于，所述使电子束入射至测试样品包括：

使电子束垂直入射至测试样品。

7.如权利要求6所述的样品失效分析方法，其特征在于，所述收集所述测试样品经电子激发后产生的二次电子包括：

在与测试样品表面呈30°～50°的方向收集二次电子。