CN102412191A

CN102412191A - 可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法

Info

Publication number: CN102412191A
Application number: CN2011101237171A
Authority: CN
Inventors: 李磊; 胡友存; 姬峰; 张亮; 陈玉文
Original assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Current assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2031-05-13
Also published as: CN102412191B

Abstract

本发明公开了一种可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其中，包括下列步骤：在按标准大马士革工艺流程沉积完扩散阻挡层和籽晶层的大马士革结构上，再依次沉积扩散阻挡层A和籽晶层A；金属铜填满大马士革结构，填满大马士革结构的金属铜在制样中起到支撑作用，防止样品变形；切割大马士革结构制成样品；使用透射电镜检测阻挡层和籽晶层的厚度及沉积覆盖形貌。本发明利用金属铜填满大马士革结构，可以在透射电镜观测前保护籽晶层免受环境和制样引起的表面损伤，在聚焦式离子束切割过程中金属铜起到支撑作用，可以避免制样引起的大马士革结构的变形，TEM照片能同时并真实地反映籽晶层和阻挡层厚度及沉积覆盖形貌。

Description

可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法

技术领域

本发明一般涉及半导体制造铜互连领域，更确切地说，本发明涉及一种可以同时检测大马士革铜互连工艺中籽晶层和阻挡层的厚度及沉积覆盖形貌的透射电镜样品制备方法。

背景技术

随着CMOS晶体管尺寸不断缩小到次微米级，正如摩尔定律的预测，在高效率、高密度集成电路中的晶体管数量上升到几千万个。这些数量庞大的有源元件的信号集成需要多达八层以上的高密度金属连线，然而这些金属互连线带来的电阻和寄生电容已经成为限制这种高效集成电路速度的主要因素。基于这个因素的推动，半导体工业从原来的金属铝互连线工艺发展成金属铜互连线，同时低介电介质（Low-K）材料替代了二氧化硅成为金属层间的绝缘介质。金属铜减少了金属连线层间的电阻，同时增强了电路稳定性；低介电介质材料则减少了金属连线层之间的寄生电容。

由于对铜的刻蚀非常困难，因此铜互连采用双嵌入式工艺，又称为双大马士革工艺（Dual Damascene）。现有的双大马士革工艺的基本工艺流程为，可同时参看图1和图2所示：（1）首先沉积一层薄的氮化硅（Si₃N₄）层1作为扩散阻挡层和刻蚀终止层；（2）接着在上面沉积一定厚度的低介电介质材料2；（3）然后光刻出微通孔（Via）3；（4）对通孔进行部分刻蚀；（5）之后再光刻出沟槽（Trench）4，其中通孔3、沟槽4的制备流程与顺序根据工艺流程的不同而有所差别，但最终均是预实现第6步前的结果；（6）继续刻蚀出完整的通孔3和沟槽4；（7）接着溅射沉积（PVD）扩散阻挡层（TaN/Ta Barrier Layer）00和铜籽晶层（Seed Layer）01；（8）之后是铜互连线的电镀工艺；（9）最后是退火和化学机械抛光（CMP，Chemical Mechanical Polishing），对铜镀层进行平坦化处理和清洗。这样就形成了金属互连线，其中铜金属的填充工艺是由上述（7）中铜阻挡层/籽晶层的制备和（8）中铜电镀填充共同完成的。

在上述铜金属互连线的制备工艺过程中，以氮化钽/钽（TaN/Ta）为主要原料的扩散阻挡层和铜籽晶层沉积的厚度及覆盖形貌对铜互连电学性能和可靠性来说是至关重要的，随着器件尺寸的缩小，低介电介质材料的引入，扩散阻挡层和籽晶层也变得越来越薄，介电层硬度随之降低，这都加大了检测扩散阻挡层和籽晶层厚度及覆盖形貌的难度。对于低介电介质材料，聚焦式离子束（Focused Ion Beam，FIB）切割会引起大马士革结构（特别是带有通孔的大马士革结构）的严重变形，因此无法准确检测扩散阻挡层和籽晶层厚度及覆盖形貌。通常检测扩散阻挡层和籽晶层厚度及覆盖形貌的方法是在扩散阻挡层00和籽晶层01沉积完成后，再沉积一层保护层02（例如Ta/TaN），如图1所示，然后，制备透射电镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）样品。这样可以在TEM观测前保护籽晶层免受环境和制样引起的表面损伤，但容易造成大马士革结构变形，不能准确检测阻挡层和籽晶层厚度及覆盖形貌。另一种方法是在扩散阻挡层00和籽晶层01沉积后直接金属铜03填满大马士革结构，如图2所示，填充的金属铜03对大马士革结构起支撑作用，可以减弱样品形变，但由于TEM无法区分铜籽晶层和电镀铜的界面位置，因此这种方法无法检测籽晶层的厚度及覆盖形貌，仅适合检测扩散阻挡层。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，可以防止用常规制备方法聚焦式离子束切割所造成的大马士革结构形变（特别是带有通孔的大马士革结构），并且同时可以检测出扩散阻挡层和籽晶层的厚度及覆盖形貌，具体是通过下述技术方案实现的：

一种可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其中，包括下列步骤：

在按标准大马士革工艺流程沉积完扩散阻挡层和籽晶层的大马士革结构上，再依次沉积扩散阻挡层A和籽晶层A；

金属铜填满大马士革结构，填满大马士革结构的金属铜在制样中起到支撑作用，防止样品变形；

切割大马士革结构制成样品；

使用透射电镜检测阻挡层和籽晶层的厚度及沉积覆盖形貌。

上述可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其中，所述扩散阻挡层A为氮化钽单层。

上述可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其中，所述扩散阻挡层A为钽单层。

上述可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其中，所述扩散阻挡层A为钛单层。

上述可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其中，所述扩散阻挡层A为氮化钛单层。

上述可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其中，所述扩散阻挡层A为氮化钽、钽、钛、氮化钛中的任意几项构成的多层。

上述可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其中，所述扩散阻挡层A厚度为1~20纳米。

上述可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其中，所述籽晶层A为铜籽晶层。

上述可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其中，所述籽晶层A厚度为10~100纳米。

上述可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其中，所述切割大马士革结构制成样品采用聚焦离子束切割制备成透射电镜样品或者对于大面积大马士革结构采用手工磨样制备样品。

上述可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其中，所述金属铜填充大马士革结构使用电镀工艺或者使用物理气相沉积技术。

本领域的技术人员阅读以下较佳实施例的详细说明，并参照附图之后，本发明的这些和其他方面的优势无疑将显而易见。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例，然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1是现有技术中用于检测扩散阻挡层和籽晶层厚度及覆盖形貌的方法一完成后的结构示意图；

图2是现有技术中用于检测扩散阻挡层和籽晶层厚度及覆盖形貌的方法二完成后的结构示意图；

图3是本发明可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法的流程示意框图；

图4是本发明可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法完成后的结构示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法具体包括下列步骤：在按标准大马士革工艺流程沉积完扩散阻挡层00和籽晶层01的大马士革结构上，再依次沉积扩散阻挡层A 00’和籽晶层A 01’；然后利用金属铜03填满大马士革结构，填满大马士革结构的金属铜03在制样中起到支撑作用，防止样品变形，金属铜03填充大马士革结构具体可以使用电镀工艺或者使用物理气相沉积技术；接着切割大马士革结构制成样品，具体可以采用聚焦离子束（FIB）切割制备成透射电镜样品或者对于大面积大马士革结构采用手工磨样制备样品；最后使用透射电镜检测阻挡层和籽晶层的厚度及沉积覆盖形貌。

进一步地，扩散阻挡层A 00’可以为氮化钽（TaN），钽（Ta），钛（Ti），氮化钛（TiN）等构成的单层或多层扩散阻挡层结构，厚度依据结构尺寸控制在1~20纳米。

进一步地，籽晶层A 01’为铜籽晶层，厚度依据结构尺寸控制在10~100纳米。

综上所述，本发明利用金属铜填满大马士革结构，可以在透射电镜观测前保护籽晶层免受环境和制样引起的表面损伤，在聚焦式离子束切割过程中金属铜起到支撑作用，可以避免制样引起的大马士革结构的变形，TEM照片能同时并真实地反映籽晶层和阻挡层厚度及沉积覆盖形貌。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，因此，尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正，在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims

1.一种可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

切割大马士革结构制成样品；

使用透射电镜检测阻挡层和籽晶层的厚度及沉积覆盖形貌。

2.根据权利要求1所述的可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述扩散阻挡层A为氮化钽单层。

3.根据权利要求1所述的可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述扩散阻挡层A为钽单层。

4.根据权利要求1所述的可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述扩散阻挡层A为钛单层。

5.根据权利要求1所述的可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述扩散阻挡层A为氮化钛单层。

6.根据权利要求1所述的可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述扩散阻挡层A为氮化钽、钽、钛、氮化钛中的任意几项构成的多层。

7.根据权利要求1~6所述的可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述扩散阻挡层A厚度为1~20纳米。

8.根据权利要求1所述的可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述籽晶层A为铜籽晶层。

9.根据权利要求1或8所述的可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述籽晶层A厚度为10~100纳米。

10.根据权利要求1所述的可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述切割大马士革结构制成样品采用聚焦离子束切割制备成透射电镜样品或者对于大面积大马士革结构采用手工磨样制备样品。

11.根据权利要求1所述的可检测大马士革籽晶层和阻挡层的透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述金属铜填充大马士革结构使用电镀工艺或者使用物理气相沉积技术。