CN102420151B - 一种用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，包括：将已形成互连结构但尚未进行金属填充的芯片结构制备成透射电镜样品；对该样品进行电子能量损失谱测量，获得碳元素的一维线分布或二维区域分布；将所得数据经过数学运算和拟合，获得与碳元素分布一一对应的薄膜的介电常数参数；用该工艺后获得的碳元素分布或由拟合后获得的薄膜介电常数参数来表征该薄膜在某一工艺的受损情况，经过多次数据积累建立拟合公式和数据库，在不进行电学测试的情况下，预知性地给出最终的薄膜介电常数参数。本发明准确可控，重复性好，制样简单，测试周期短，空间分辨率高，经过拟合计算还可在中途即获得最终薄膜的电学性能参数，具有预先判断能力。

Description

一种用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法

技术领域

本发明一般涉及半导体制造技术领域，更确切地说，本发明涉及一种半导体制造过程中用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法。

背景技术

随着半导体尺寸的不断缩小，信号延迟成为提高集成电路芯片性能的主要障碍，而低介电常数介质材料的引入有效地降低了金属互连导线上的信号延迟，使得芯片性能得到很大提升。目前的低介电常数介质材料一般是非致密的掺杂碳或氮的氧化硅或旋涂有机聚合物，其性能决定了其结构中必然存在大量的疏松或孔洞结构，而且介电常数越小，孔隙率越高，因此结构也就越疏松，更容易被损伤。在芯片的生产过程中，刻蚀和去胶工艺都必然会对其有一定的损伤，这些损伤给后续工艺带来很大困难，也不利于性能的提升。因此，必须尽量减少或消除这类损伤，在此之前，必须了解应如何精确有效地表征这种损伤。由于目前绝大部分低介电常数材料都是含碳的，而刻蚀和灰化过程造成的损伤容易使碳剥离出薄膜，而造成碳含量下降，而且损伤越厉害，损失的碳的含量也就越高。因此，可以用检测碳元素的分布和变化来间接表示损伤的程度。

目前常用的方法有：二次离子质谱法、化学腐蚀量法和介电常数电学测试法。其中：（1）二次离子质谱法是利用二次离子轰击样品表面，将样品表面薄层的物质离子化，再经过质谱仪，利用不同离子的不同荷质比来区分，实现物质分析和一维垂直方向的物质分布分析，该方法具有精度高，重复性好等优点。但是，该方法费用高，样品制备周期长，分析速度慢。二次离子质谱仪属于高能精密分析设备，一般制造企业不可能采购此类设备。此外，由于实际运用中，经常要检测侧壁的损伤，而二次离子质谱对于侧壁检测样品制备比较困难；（2）化学腐蚀量法是一种经验性的表征方法，较为粗略，它是根据介电薄膜受到不同损伤后承受化学腐蚀的速度差异来实现的，受损越严重，腐蚀越快，通过测量被腐蚀的厚度来表征受损程度。该方法的优点是成本低，制样方便快捷，但缺点是重复性差，精度低，可控性差，对于损伤较大的工艺区分度很低，因为腐蚀速度有最大上限；（3）介电常数电学测试法是当芯片完成全部工序后，利用电学测量的方法，测出特定结构中介电薄膜的介电常数，利用介电常数的变化来表示薄膜受损程度，这种方法最为准确有效地表达出薄膜电学性能的变化，也是最适用于横向比较的方法。但是，这种测试方法必须要在芯片测试结构完整后才可以实现，不能在生产程中途进行测试，而且给出的是一个测试结构趋于整体性能的平均值，而不能给出具体受损一维和二维的分布情况。

以上三种方法都有其优缺点，如果能结合各自优势发明一种简单、快速、准确、低费用的表征方法将是非常实用性。因此，如何找到一种方法可以实现快速、廉价、准确可靠地对介质损伤进行表征和评估成为一个重要的课题，也是半导体业界亟待解决的技术难题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，可以简单、迅速、准确、量化地利用碳的含量损失来表征出介电膜的损伤度，可以直接在生产程中途进行测试，为工艺参数的优化和产品性能的监测带来极大的便利，具体是通过下述技术方案实现的：

一种用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其中，包括：

将待测样品制备成透射电镜样品；

对透射电镜样品进行电子能量损失谱测量，获得碳元素分布；

将所得数据经过数学运算和拟合，获得与碳元素分布一一对应的薄膜的介电常数参数；

用该工艺后获得的碳元素分布或由拟合后获得的薄膜介电常数参数来表征该薄膜在某一工艺的受损情况，并且，经过多次数据积累建立拟合公式和数据库，在不进行电学测试的情况下，预知性地给出最终的薄膜介电常数参数。

上述用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其中，所述待测样品为已形成互连结构但尚未进行金属填充的芯片结构。

上述用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其中，所述已形成互连结构但尚未进行金属填充的芯片结构是通过在化学气相沉积的薄膜上进行光刻、刻蚀、去胶、后清洗过程后获得的。

上述用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其中，所述互连结构包括沟形、槽形和孔形。

上述用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其中，所述透射电镜样品厚度为50~200nm。

上述用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其中，所述透射电镜样品长度为2~20μm。

上述用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其中，所述透射电镜样品的制备方法包括采用聚焦离子束进行切割。

上述用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其中，所述透射电镜样品的制备方法还包括离子抛光减薄。

上述用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其中，所述碳元素分布为碳元素的一维线分布或二维区域分布。

本发明准确可控，重复性好，制样简单，测试周期短，空间分辨率高，经过拟合计算还可在中途即获得最终薄膜的电学性能参数，具有预先判断能力。

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是本发明用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法的最佳实施例的流程示意框图；

图2是本发明用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法中采用化学气相沉积等方法制备尚未填充铜的互连沟槽结构流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，在最佳实施例中，流程步骤具体包括：

首先，将已形成互连结构（沟形、槽形、孔形等）但尚未进行金属填充的芯片结构制备成透射电镜样品（TEM样品），制备方法是采用聚焦离子束（FIB）进行切割和离子抛光减薄；

接着，对该样品进行电子能量损失谱（EELS）测量，获得碳元素的一维线分布或二维区域分布；

其后，将所得数据经过数学运算和拟合，获得与碳元素分布一一对应的薄膜的介电常数参数；

用该工艺后获得的碳元素分布或由拟合后获得的薄膜介电常数参数来表征该薄膜在某一工艺的受损情况，并且，经过多次数据积累建立拟合公式和数据库，在不进行电学测试的情况下，预知性地给出最终的薄膜介电常数参数。

本发明可以广泛应用于使用低介电常数薄膜的各种芯片制造过程中介电薄膜损伤的表征，适用于不同的结构，比如沟形、槽形、孔形等，同时适用于各种含碳低介电常数材料（BD，coral等低介电常数材料，多孔超低介电常数材料或旋涂的低介电常数有机聚合物）。现选取最具代表性的金属间介质层沟槽刻蚀工序中低介电常数材料侧壁损伤的表征为具体实施案例，请同时参看图2所示：在40纳米技术节点中，采用二代黑钻石（BDII）作为低介电常数介质材料，是一种相对介电常数为2.55的多孔掺碳氧化硅，该材料主要用于金属层间介质层的填充，为采用半导体业界通用技术大马士革结构，具体实现方法是：

1、在化学气相沉积（CVD）的BDII薄膜1上进行光刻，刻蚀，去胶，后清洗等过程，获得尚未填充铜的互连沟槽结构，如图2所示；

2、采用聚焦离子束（FIB）对待测样品的特定位置进行切割，制备成标准TEM样品，长度约2~20微米，厚度为50~200纳米，制备时间为2~3小时。为了检测沟槽侧壁的损伤情况，所以该样品为垂直于沟槽结构的剖面，其后利用离子抛光等方法对样品进行进一步减薄和去除表面污染处理； 

3、将制备好的样品装入透射电镜，要求该透射电镜具备电子能量损失谱分析功能。利用电子能量损失谱对轻元素的高灵敏度侦测特点，对样品中的碳在垂直于沟槽结构侧壁的方向进行一维线扫描，获得沿该分析线的碳元素的分布；

4、所得的碳元素线分布图进行后续数据处理，如平滑，积分，拟合等等，将碳含量的变化，与低介电常数介质薄膜的受损量一一对应，建立对应的数据库和拟合公式，如可以将同一工艺获得的结构，部分进行电子能量损失谱分析，获得碳损失分布数据，另一部分继续完成后续工序，进行低介电常数薄膜的介电常数电学测量，获得受损薄膜的电学参数数据。最后利用沟槽结构图形密度，尺寸，碳损失的积分量和最终测试获得的电学数据，进行数学计算和拟合，从而建立碳损失和受损薄膜的电学参数的一一对应关系，既以用碳元素分布数据来表征薄膜的受损情况，也可以用拟合所得的薄膜电学参数来表征薄膜在工艺步骤中的受损情况。

本发明通过采用透射电镜中的电子能量损失谱对待测样品的碳含量进行测量，通过碳含量在一维线性的分布或二维区域的分布，得出低介电常数薄膜在工艺过程中的损伤情况，检测方法的检测周期，包括制样和检测，在2~6小时。如果在足够数据的支持下，还可以将碳含量的值与最终电学测量获得的相对介电常数值拟合匹配，从而在不需要经过电学测量即可获得不同工艺下的介电薄膜最终的电学性能表现。本发明方法准确可控，重复性好，制样简单，测试周期短，空间分辨率高，经过拟合计算还可在中途即获得最终薄膜的电学性能参数，具有预先判断能力。

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 (9)

1.一种用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其特征在于，包括：

将工艺过程中的待测样品制备成透射电镜样品；

对透射电镜样品进行电子能量损失谱测量，获得碳元素分布；

利用通过上述工艺过程获得的晶圆结构，继续完成后续的工艺步骤，然后进行低介电常数薄膜的介电常数电学测量，获得受损薄膜的电学参数数据；

将所得数据经过数学运算和拟合，获得与碳元素分布一一对应的薄膜的介电常数参数；

用该工艺后获得的碳元素分布或由拟合后获得的薄膜介电常数参数来表征该薄膜在某一工艺的受损情况，并且，经过多次数据积累建立拟合公式和数据库，在不进行电学测试的情况下，预知性地给出最终的薄膜介电常数参数。

2.根据权利要求1所述的用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其特征在于，所述待测样品为已形成互连结构但尚未进行金属填充的芯片结构。

3.根据权利要求2所述的用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其特征在于，所述已形成互连结构但尚未进行金属填充的芯片结构是通过在化学气相沉积的薄膜上进行光刻、刻蚀、去胶、后清洗过程后获得的。

4.根据权利要求2所述的用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其特征在于，所述互连结构包括沟形、槽形和孔形。

5.根据权利要求4所述的用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其特征在于，所述透射电镜样品厚度为50～200nm。

6.根据权利要求4所述的用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其特征在于，所述透射电镜样品长度为2～20μm。

7.根据权利要求1所述的用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其特征在于，所述透射电镜样品的制备方法包括采用聚焦离子束进行切割。

8.根据权利要求7所述的用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其特征在于，所述透射电镜样品的制备方法还包括离子抛光减薄。

9.根据权利要求1所述的用于表征低介电常数介质材料损伤的检测方法，其特征在于，所述碳元素分布为碳元素的一维线分布或二维区域分布。