CN102384867A - 制备失效分析样品的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备失效分析样品的方法，包括：提供样品，所述样品包括待分析结构，所述样品具有第一表面，所述第一表面暴露出待分析结构；在所述第一表面上形成第一预定厚度的重金属层；在形成第一预定厚度的重金属层后，将所述样品一分为二，选择其中之一作为待分析样品，所述待分析样品具有与所述第一表面相邻的第二表面，所述第二表面暴露出所述待分析结构；在所述待分析样品的第二表面上形成第二预定厚度的重金属层；所述重金属层的材料选自金、铂或者铬。在对该方法制备的样品进行失效分析时，基本能消除引起低介电常数材料、超低介电常数材料引起变形的因素，可以保持样品原状，提供有效的分析数据。

Description

制备失效分析样品的方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域中的样品失效分析，尤其涉及一种制备失效分析样品的方法。
背景技术
在半导体技术领域中，利用半导体工艺制造半导体器件时，由于半导体制造过程中的工艺缺陷，例如工艺中引入的金属微粒，会导致一些半导体器件存在缺陷，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。
在半导体工艺中，互连沟槽以及通孔(不是形成在有源区或者栅极上)或者接触孔(形成在有源区或者栅极上)品质的好坏直接关系到互连线以及栓塞的品质，因此需要对互连沟槽以及通孔进行失效分析。在失效分析前需要首先制备失效分析样品，现有的制备失效分析样品的方法为：提供样品，然后将样品一分为二，暴露出分析区域(通孔或者接触孔或者互连沟槽)，然后对样品进行失效分析。
目前，主要利用扫描电镜对样品进行失效分析，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。随着半导体工艺的发展，半导体器件关键尺寸发展到90nm以后，为了减少RC延迟的效应，低介电常数材料(一般认为，2.7＜k＜3.0)以及超低介电常数(一般认为，k＜2.7)开始被用来作为互连线的介质层。然而，在利用扫描电镜(SEM)分析样品时，由于电子束和样品相互作用引发的物理和化学变化、样品本身的电荷作用(charging effect)、电子束带来的热效应，低介电常数/超低介电常数材料在分析过程容易发生变形，例如凹陷(dishing)、塌陷(cracking)、分层(delamination)以及收缩(shrinkage)等现象，从而导致互连线结构发生严重变化，难以判断互连线结构的原始相貌，无法提供有效的分析数据。图1a为扫描电镜像，表示通孔处的介质层分层(delamination)现象，在图中11处标示介质层的分层位置；图1b为扫描电镜像，表示介质层凹陷(collapse)现象，通孔12顶端的介质层凹陷了h的高度。
现有技术中公开有许多失效分析样品的制备方法，例如2008年4月2日公开的第“CN1001153833A”号的中国专利申请公开的“透射电子显微镜样品的制作方法，然而，均没有解决以上所述的技术问题。
发明内容
本发明解决的问题是利用现有的方法制得的分析样品进行失效分析时，待分析结构在分析过程容易发生变形，无法提供有效的分析数据。
为解决上述问题，本发明提供制备失效分析样品的方法，包括：
提供样品，所述样品包括待分析结构，所述样品具有第一表面，所述第一表面暴露出所述待分析结构；
在所述第一表面上形成第一预定厚度的重金属层；
在形成第一预定厚度的重金属层后，将所述样品一分为二，选择其中之一作为待分析样品，所述待分析样品具有与所述第一表面相邻的第二表面，所述第二表面暴露出所述待分析结构；
在所述待分析样品的第二表面上形成第二预定厚度的重金属层；所述重金属层的材料选自金、铂或者铬。
可选的，所述第一预定厚度为100埃±20埃。
可选的，所述第二预定厚度为15埃±5埃。
可选的，在所述第一表面上形成所述第一预定厚度的重金属层的方法为物理气相沉积。
可选的，所述在所述待分析样品的第二表面上形成第二预定厚度的重金属层的方法为物理气相沉积。。
可选的，所述失效分析样品为扫描电镜失效分析样品。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过在待分析结构的电子轰击面上形成保护层，即第一表面上形成第一预定厚度的重金属，在第二表面上形成第二预定厚度的重金属，所述重金属选自金、铂或者铬，将待分析结构的电子轰击面进行保护，大大减少电子束与样品之间的相互作用，在SEM低电压条件下，重金属与电子束的相互作用区域很小，只有几十纳米，而低介电常数与电子束的相互作用区域则能达到1微米；消除样品表面电荷作用；低介电常数材质较软，而重金属材质硬度较大，可以作为一个支架作用，防止凹陷的产生。这样，在对样品进行失效分析时，基本能消除引起低介电常数材料、超低介电常数材料引起变形的因素，可以保持样品原状，提供有效的分析数据。
附图说明
图1a是扫描电镜像，表示通孔的介质层分层(delamination)现象；
图1b为扫描电镜像，表示介质层凹陷(collapse)现象；
图2为本发明具体实施方式的制备失效分析样品方法的流程图；
图3a为本发明具体实施例的提供的样品的俯视示意图；
图3b为本发明具体实施例的在样品上形成第一预定厚度的重金属层的俯视示意图；
图4a为本发明具体实施例的待分析样品的俯视示意图；
图4b本发明具体实施例的待分析样品的侧视示意图；
图5a为在待分析样品的第二表面上形成第二预定厚度的重金属层的侧视示意图；
图5b为在待分析样品的第二表面上形成第二预定厚度后待分析样品的立体示意图；
图6为对本发明的方法制备的失效分析样品进行失效分析的扫描电镜图像。
具体实施方式
本发明具体实施方式的制备失效分析样品的方法，通过在分析结构的电子轰击面上形成保护层，即第一表面上形成第一预定厚度的重金属，在第二表面上形成第二预定厚度的重金属，所述重金属选自金、铂或者铬，将分析结构的电子轰击面进行保护。
为了使本领域技术人员可以更好的理解本发明，下面结合附图详细说明本发明具体实施方式的制备失效分析样品的方法。
图2为本发明具体实施方式的制备失效分析样品的方法的流程图，参考图2，本发明具体实施方式的制备失效分析样品的方法包括：
步骤S1，提供样品，所述样品包括待分析结构，所述样品具有第一表面，所述第一表面暴露出所述待分析结构；
步骤S2，在所述第一表面上形成第一预定厚度的重金属层；
步骤S3，在形成第一预定厚度的重金属层后，将所述样品一分为二，选择其中之一作为待分析样品，所述待分析样品具有与所述第一表面相邻的第二表面，所述第二表面暴露出所述待分析结构；
步骤S4，在所述待分析样品的第二表面上形成第二预定厚度的重金属层；所述重金属层的材料选自金、铂或者铬。
图3为本发明具体实施例的制备失效分析样品方法的剖面结构示意图，结合参考图2和图3详细说明本发明具体实施例的制备失效分析样品方法。
结合参考图2和图3a，执行步骤S1，提供样品30，所述样品30包括待分析结构60，所述样品30具有第一表面51，所述第一表面51暴露出待分析结构60。图3a为本发明具体实施例的提供的样品的俯视示意图，参考图3a，在该具体实施例中，首先提供样品30，该样品30包括待分析结构60，且所述样品30的第一表面51暴露出待分析结构60。其中，在本发明具体实施例中，该样品为需要进行失效分析的样品，可以根据实际需要进行选定。
结合参考图2和图3b，执行步骤S2，在所述第一表面51上形成第一预定厚度的重金属层53。图3b为本发明具体实施例的在样品上形成第一预定厚度的重金属层的俯视示意图，参考图3b，在提供样品30后，在第一表面51沉积形成第一预定厚度的重金属层53，重金属层53的材料选自金、铂或者铬，在该具体实施例中，重金属层53为铂(Pt)金属层，其厚度范围为100埃±20埃，在该具体实施例中优选100埃，其形成Pt金属层的方法为物理气相沉积方法，用物理气相沉积形成Pt金属层的方法为本领域公知技术，在该具体实施例中，所述待分析样品与靶材之间的距离为25～35mm，优选30mm。
结合参考图2和图4a、图4b，执行步骤S3，在形成第一预定厚度的重金属层53后，将所述样品30一分为二，选择其中之一作为待分析样品50，所述待分析样品50具有与所述第一表面51相邻的第二表面52，所述第二表面52暴露出所述待分析结构60。同时参考图3b，在第一表面51上形成第一预定厚度的重金属层53后，沿A-A切线将所述样品30一分为二，即垂直样品30的第一预定厚度的重金属层53的表面将样品30一分为二，选择其中之一作为待分析样品50，A-A切线穿过所述待分析结构60，在该实施例中，A-A切线将待分析结构60均分。在切面上暴露出待分析结构60，该切面即为第二表面52。需要说明的是，本发明的该具体实施例以及图示只是示意性的示出样品的切割方法，在其他实施例中，也可以沿其他切线将样品一分为二，暴露出待分析结构，例如也可以沿图示中的B-B切线将样品一分为二。
图4a为本发明具体实施例的待分析样品的俯视示意图，图4b本发明具体实施例的待分析样品的侧视示意图，结合参考图4a和图4b，待分析样品50为提供的样品30一分为二之后选择的其中之一，待分析样品50包括待分析结构60，在将样品30一分为二后，相应的待分析结构60也被一分为二。待分析样品50包括第一表面51和第二表面52，第一表面51垂直于第二表面52，且第一表面51和第二表面52均暴露出所述待分析结构60，具体来说，第一表面51(已经被第一预定厚度的重金属层53覆盖)暴露出待分析结构60，第二表面52暴露出待分析结构60，而且，在该具体实施例中，第一表面51上已经形成了第一预定厚度的重金属层53。
结合参考图2和图5a和图5b，执行步骤S4，在所述待分析样品的第二表面上形成第二预定厚度的重金属层54。图5a为在待分析样品的第二表面上形成第二预定厚度的重金属层的侧视示意图，图5b为在待分析样品的第二表面上形成第二预定厚度后待分析样品的立体示意图，参考图5a和图5b，在待分析样品50的第二表面上沉积形成第二预定厚度的重金属层54，重金属层54的材料选自金、铂或者铬，在该具体实施例中，重金属层54为铂(Pt)金属层，其厚度范围为15埃±5埃，在该具体实施例中优选15埃，其形成Pt金属层的方法为物理气相沉积方法，用物理气相沉积形成Pt金属层的方法为本领域公知技术，在该具体实施例中，物理气相沉积过程中，要求尽量使用低电压，低电流，所述待分析样品与靶材之间的距离为25～35mm，优选30mm。而且，需要说明的是，在第二表面上形成第二预定厚度的重金属层时，同时在第一预定厚度的重金属层53上也形成了重金属层55。
需要说明的是，图示中只是示意性的给出第一表面和第二表面沉积重金属层后的结构示意图，并没有严格按照实际结构进行绘制。
完成以上所述步骤后，即完成了失效分析样品的制备，其用来作为扫描电镜失效分析样品。
在本发明的具体实施例中，在第二表面还没有暴露出来时，首先在第一表面上形成第一预定厚度的金属层，然后将样品一分为二，之后在第二表面上形成第二预定厚度的金属层，用该具体实施例的方法制备失效样品时，容易控制第一预定厚度以及第二预定厚度。在本发明的其他实施例中，也可以先将样品一分为二，之后再在第一表面上形成第一预定厚度的重金属层，在第二表面上形成第二预定厚度的重金属层，但是由于，在第一表面上形成第一预定厚度的重金属层时，在第二表面上也会被沉积重金属层，因此第二表面上的第二预定厚度的重金属层的厚度不易控制。
图6为本发明的方法制备的失效分析样品，进行失效分析时的扫描电镜图像，图中所示的为在低k介质层中的通孔13的扫描电镜图像。本发明具体实施例中，第一表面51上的Pt金属层的厚度为100埃，第二表面52上的Pt金属层的厚度为15埃，参考图6，在Pt金属层的保护下，将待分析结构(低k介质层中的通孔13)的电子轰击面进行保护，大大减少电子束与样品之间的相互作用，在SEM低电压条件下，重金属与电子束的相互作用区域很小，只有几十纳米，而低介电常数与电子束的相互作用区域则能达到1微米；消除样品表面电荷作用；低介电常数材质较软，而重金属材质硬度较大，可以作为一个支架作用，防止凹陷的产生。这样，在对样品进行失效分析时，基本能消除引起低介电常数材料、超低介电常数材料引起变形的因素，可以保持样品原状，提供有效的分析数据。样品上表面沉积重金属层后，电子束不直接作用在低介电常数材料、超低介电常数材料上，避免了样品变形。
在本发明具体实施方式中，待分析结构的截面金属层厚度即第二表面的金属层的厚度范围为15埃±5埃，小于这一范围，不能阻止样品在电子束作用下的形变，大于这一范围，金属层太厚会掩盖样品界面的微小结构，引起界面判断误差较大。待分析结构的表面金属层即第一表面的金属层的厚度范围为100埃±20埃，小于这一范围，作为低k或超低k材质结构的支架效果不明显，大于这一范围，金属层太厚，在后续制备低k或超低k材质的截面样品时，金属层容易与低k或超低k材质结构剥离，起不到作用。而且，由于低k或超低k材质的特殊性，在使用金属沉积时，需要采用低能量条件，以免高能量条件对低k或超低k材质造成影响。
需要说明的是，图6为通孔的扫描电镜图，其仅为理解本发明而给出的具体扫描电镜分析示例，用本发明的方法制备的失效分析样品还可以作为其他采用低介电常数材料工艺的扫描电镜分析。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种制备失效分析样品的方法，其特征在于包括：
提供样品，所述样品包括待分析结构，所述样品具有第一表面，所述第一表面暴露出所述待分析结构；
在所述第一表面上形成第一预定厚度的重金属层；
在形成第一预定厚度的重金属层后，将所述样品一分为二，选择其中之一作为待分析样品，所述待分析样品具有与所述第一表面相邻的第二表面，所述第二表面暴露出所述待分析结构；
在所述待分析样品的第二表面上形成第二预定厚度的重金属层；所述重金属层的材料选自金、铂或者铬。
2.如权利要求1所述的制备失效分析样品的方法，其特征在于，所述第一预定厚度为100埃±20埃。
3.如权利要求1所述的制备失效分析样品的方法，其特征在于，所述第二预定厚度为15埃±5埃。
4.如权利要求1所述的制备失效分析样品的方法，其特征在于，在所述第一表面上形成所述第一预定厚度的重金属层的方法为物理气相沉积。
5.如权利要求1所述的制备失效分析样品的方法，其特征在于，所述在所述待分析样品的第二表面上形成第二预定厚度的重金属层的方法为物理气相沉积。
6.如权利要求1所述的制备失效分析样品的方法，其特征在于，所述失效分析样品为扫描电镜失效分析样品。
7.如权利要求1所述的制备失效分析样品的方法，其特征在于，所述待分析结构为低介电常数介质层中的通孔。
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