CN103700603B - 一种钨接触栓塞高阻的检测方法 - Google Patents

一种钨接触栓塞高阻的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钨接触栓塞高阻的检测方法。包括以下步骤：将半导体样品研磨至钨栓塞接触层；在所述半导体样品的待观测区域形成两个用于确定失效地址的位置标记，并在靠近失效地址处形成停止标记；研磨半导体样品的横截面直至停止标记；将半导体样品在沸腾的双氧水中浸煮，直到去除金属钨，露出硅钴化物层；制备平面TEM样品；采用STEM观测平面TEM样品。本发明的技术方案先移出金属钨，然后通过STEM模式观测硅钴化物的生长形貌和质量，从而可以快速找到钨接触栓塞高阻的原因，指明工艺的改进方向，对改善钨接触栓塞高阻的形成具有非常重要的作用。

Description

一种钨接触栓塞高阻的检测方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种钨接触栓塞高阻的检测方法。
背景技术
随着半导体技术的发展，大规模集成电路芯片的集成度已经高达几亿乃至几十亿个器件的规模。器件是通过金属硅化物、钨栓塞与上面的多层金属进行外连。在浮栅型或非闪存产品相邻两个比特问题的物理失效分析中，钨接触栓塞的异常是最容易被怀疑的对象。而漏电或者高阻是造成钨接触栓塞异常最常见的原因，通常采用测量比特单元电流来进行电性失效分析，从而判断原因到底是漏电还是高阻。现有半导体制造工艺中，高阻主要有两种形成原因：一是由于钨接触栓塞的顶部或底部断开而导致的高阻，这种情况下观察X和Y方向的横截面TEM样品很容易就可以找到原因；另一种是由于蚀刻过多和硅钴化物生长不好，造成钨栓塞直接站到硅基体上从而形成接触高阻，这种情况下，则很难判断到底是蚀刻工艺的问题还是硅钴化物生长质量的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钨接触栓塞高阻的检测方法，解决了现有技术中对于蚀刻相关的钨接触栓塞高阻难以判断具体形成原因的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种钨接触栓塞高阻的检测方法，包括以下步骤：
a)采用机械研磨方法将半导体样品研磨至钨栓塞接触层，并将所述钨栓塞接触层的表面处理干净；
b)采用聚焦离子束，在所述半导体样品的待观测区域形成两个用于确定失效地址的位置标记，在靠近所述失效地址处形成停止标记；
c)研磨所述半导体样品的横截面直至所述停止标记；
d)将所述半导体样品在沸腾的双氧水中浸煮，直到去除金属钨，露出所述金属钨下方的硅钴化物层；
e)采用聚焦离子束，根据所述位置标记对所述待观测区域进行切割，制备平面TEM样品；
f)将所述平面TEM样品放到TEM机台上，采用STEM模式观测所述平面TEM样品。
本发明的有益效果是：本发明的技术方案先移出金属钨，然后通过平面TEM技术来检查硅钴化物的生长形貌和质量，且最终的观察方式采用扫描透射电子显微镜(STEM)模式，使硅钴化物的对比度非常清楚，从而快速找到钨接触栓塞高阻的根本原因，并可以指明工艺的改进方向，对改善钨接触栓塞高阻的形成具有非常重要的作用。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述步骤a中，在去离子水中采用超声波清洗的方法处理所述钨栓塞接触层的表面。
进一步，所述步骤b中，在所述半导体样品的待观测区域形成所述位置标记所用的聚焦离子束的束流范围是90～100pA，所述位置标记长为20nm，宽为500nm；形成所述停止标记所用的聚焦离子束的束流范围是0.90～0.95nA，所述停止标记长为2um，宽为4um。
进一步，所述停止标记距离所述失效地址的水平距离或垂直距离为2um。
进一步，所述步骤e中，制备所述平面TEM样品包括以下步骤：
1)在所述待观测区域处上方的横截面上采用离子束诱导方法沉积金属铂层，所述金属铂层的厚度为0.2～0.25um；
2)采用束流范围为6～7nA的聚焦离子束，对所述半导体样品的待观测区域的背面进行切割以分离出所述待观测区域的样品，形成平面TEM样品，所述切割宽度以不超过所述金属铂层为界；
3)采用束流范围为2.5～3.2nA的聚焦离子束，对所述平面TEM样品进行加工，使所述平面TEM样品的厚度减薄为1.5～2um；
4)采用束流范围为2.5～3.2nA的聚焦离子束，对所述平面TEM样品的底部和侧面进行U型切断；
5)采用束流范围为0.9～1.1nA的聚焦离子束，对所述平面TEM样品进行细挖，消除步骤1～4中大电流加工留下的粗糙面和溅射物，并背减至所述平面TEM样品厚度为1.2～1.5um；
6)采用束流范围为0.2～0.3nA的聚焦离子束，对所述平面TEM样品的正面和背面进行加工，使所述平面TEM样品正面停留在所述平面TEM样品的遂穿氧化层，所述平面TEM样品厚度为0.15～0.25um。
进一步，所述步骤f中，在200KV的TEM机台上，采用160K以上的的放大倍数，用STEM模式观察制备好的平面TEM样品。
采用上述进一步方案的有益效果是：本技术方案采用聚焦离子束对半导体样品的待观察区域进行切割，形成平面TEM样品，并对所述平面TEM样品进行研磨和减薄，使其满足TEM检测设备对TEM样品的厚度要求；同时采用STEM模式进行观察，得到的成像结果能够清晰反映样品的结构，从而进行失效判断；本技术方案操作方法简单，平面TEM样品制备效率高，对TEM样品进行失效分析效果好，准确率高。
附图说明
图1为本发明一种钨接触栓塞高阻检测方法的流程图；
图2为本发明制备平面TEM样品的流程图；
图3a～3f为本发明一种钨接触栓塞高阻检测方法各步骤的效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在半导体制造业中，有各种各样的检测设备，如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)等，TEM机台上还可以加装扫描透射电子显微镜(STEM)附件。STEM综合利用了扫描和普通透射电子分析的原理，对样品进行表面扫描并穿透样品成像，非常适用于检测组成半导体器件的薄膜的形貌、尺寸及特性。STEM的工作原理是将需检测的样品以切割、研磨、离子减薄等方式减薄到大约0.2um左右，然后放入TEM机台的样品室，以高压加速的电子束照射样品，将样品形貌放大、投影屏幕上，照相，然后进行后期的STEM数据分析。STEM的一个突出优点是具有较高的分辨率，可观测极薄薄膜的形貌和尺寸，从而进行TEM测试以分析所制作的半导体器件是否失效。无论是采用TEM方式，还是STEM方式，均需要制作TEM透射样品，而且TEM样品的厚度对成像效果及分析失效分析的结果均有较大影响，实际工艺中，只有垂直于检测面的方向上的TEM样品的厚度越薄，最后成像才能越清晰、越能反映样品的结构。所以要想提升分析结果(图像)的质量，就要在TEM制样过程中，尽量减薄样品的总体厚度。
本发明中，所述半导体器件通过钨栓塞来实现与上层金属层的电连接，所述钨栓塞接触层下方生长有一层硅钴化物薄膜。由于硅钴化物的形成是平面生长方式，因此整个轮廓可以用平面TEM观察，但是在TEM或STEM模式下，硅钴化物和金属钨的对比度很相似，因此，硅钴化物的对比度会被金属钨掩盖掉。只有金属钨被去除掉，硅钴化物的轮廓才可以在STEM模式下清晰的展现出来，从而进行失效分析，判断钨接触栓塞高阻的具体形成原因。本发明在高温条件下采用沸腾的双氧水与金属钨发生反应，不仅可以去除金属钨，而且硅钴化物也不会受到影响，从而可以制备TEM样品观测硅钴化物的生长状态。反应化学式如下：
W+4H2O2(沸腾)＝3H2+H2WO4
如图1所示，为本发明钨接触栓塞高阻检测方法的流程图，本实施例包括以下步骤：
201采用机械研磨方法将半导体样品研磨至钨栓塞接触层，并在去离子水中采用超声波清洗的方法将所述钨栓塞接触层1的表面处理干净，具体效果如图3a所示。
202采用束流为93pA的聚焦离子束(FIB)，在所述半导体样品的待观测区域形成两个用于确定失效地址的位置标记2，所述待观测区域具有待检测的钨栓塞接触孔；本实施例中，所述位置标记2为条带状，所述位置标记2的长为20nm，宽为500nm，两个位置标记2交叉的区域即为待观测区域，如图3b所示。另外，在靠近所述失效地址处形成停止标记3，所述停止标记3长为2um，宽为4um，这样可以保证样品在后续的横截面研磨中可用光学显微镜时时观察研磨程度。所述停止标记采用束流为0.92nA的聚焦离子束(FIB)，本实施例中所述停止标记3距离所述失效地址的垂直距离为2um。在另一实施例中，所述停止标记3距离所述失效地址的水平距离为2um时，可以实现同样的效果。而在其他优选实施例中，形成位置标记2的FIB束流范围可以为90～100pA，形成停止标记3的FIB束流范围可以为0.90～0.95nA。
203研磨所述半导体样品的横截面直至所述停止标记3，如图3c所示。研磨过程中，可以通过光学显微镜观察，避免研磨不足或者研磨过度。
204将所述半导体样品在温度为150℃的沸腾的双氧水中浸煮3分钟，直到去除金属钨，露出所述金属钨下方的硅钴化物层，如图3d所示；
205采用聚焦离子束，根据所述位置标记2对所述待观测区域进行切割，制备平面TEM样品，如图3e所示；
206将所述平面TEM样品放到200KV的TEM机台上，以160K以上的的放大倍数，用STEM观察制备好的平面TEM样品，如图3f所示。
图2为本实施例步骤205中制备所述平面TEM样品的流程图，包括以下步骤：
401在所述待观测区域处上方的横截面上采用离子束诱导方法沉积金属铂层4，所述金属铂层的厚度为0.2～0.25um；
402采用束流范围为6～7nA的聚焦离子束，对所述半导体样品的待观测区域的背面进行切割以分离出所述待观测区域的样品，形成TEM样品，所述切割宽度以不超过所述金属铂层为界；
403采用束流范围为2.5～3.2nA的聚焦离子束，对所述TEM样品进行加工，使所述TEM样品的厚度减薄为1.5～2um；
404采用束流范围为2.5～3.2nA的聚焦离子束，对所述TEM样品的底部和侧面进行U型切断；
405采用束流范围为0.9～1.1nA的聚焦离子束，对所述TEM样品进行细挖，消除前述大电流加工留下的粗糙面和溅射物，并背减至所述TEM样品厚度为1.2～1.5um；
406采用束流范围为0.2～0.3nA的聚焦离子束，对所述TEM样品的正面和背面进行加工，使所述TEM样品正面停留在所述TEM样品的遂穿氧化层，所述TEM样品厚度为0.15～0.25um，此时所述TEM样品背减到所述金属铂层刚被切完。
本技术方案采用聚焦离子束对半导体样品的待观察区域进行切割，形成平面TEM样品，并对所述平面TEM样品进行研磨和减薄，使其满足TEM检测设备对TEM样品的厚度要求；同时采用STEM模式进行观察，得到的成像结果能够清晰反映样品的结构，从而进行失效判断；本技术方案操作方法简单，平面TEM样品制备效率高，对TEM样品进行失效分析效果好，准确率高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钨接触栓塞高阻的检测方法，包括以下步骤：
a）采用机械研磨方法将半导体样品研磨至钨栓塞接触层，并将所述钨栓塞接触层的表面处理干净；
b）采用聚焦离子束，在所述半导体样品的待观测区域形成两个用于确定失效地址的位置标记，并在靠近所述失效地址处形成停止标记；
c）研磨所述半导体样品的横截面直至所述停止标记；
d）将所述半导体样品在沸腾的双氧水中浸煮，直到去除金属钨，露出所述金属钨下方的硅钴化物层；
e）采用聚焦离子束，根据所述位置标记对所述待观测区域进行切割，制备平面TEM样品；
f）将所述平面TEM样品放到TEM机台上，采用STEM模式观测所述平面TEM样品。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤a中，在去离子水中采用超声波清洗的方法处理所述钨栓塞接触层的表面。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤b中，在所述半导体样品的待观测区域形成所述位置标记所用的聚焦离子束的束流范围是90～100pA，所述位置标记长为20nm，宽为500nm；形成所述停止标记所用的聚焦离子束的束流范围是0.90～0.95nA，所述停止标记长为2um，宽为4um。
4.根据权利要求1～3任一所述的检测方法，其特征在于：所述停止标记距离所述失效地址的水平距离或垂直距离为2um。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述步骤e中，制备所述平面TEM样品包括以下步骤：
1）在所述待观测区域处上方的横截面上采用离子束诱导方法沉积金属铂层，所述金属铂层的厚度为0.2～0.25um；
2）采用束流范围为6～7nA的聚焦离子束，对所述半导体样品的待观测区域的背面进行切割以分离出所述待观测区域的样品，形成平面TEM样品，所述切割宽度以不超过所述金属铂层为界；
3）采用束流范围为2.5～3.2nA的聚焦离子束，对所述平面TEM样品进行加工，使所述平面TEM样品的厚度减薄为1.5～2um；
4）采用束流范围为2.5～3.2nA的聚焦离子束，对所述平面TEM样品的底部和侧面进行U型切断；
5）采用束流范围为0.9～1.1nA的聚焦离子束，对所述平面TEM样品进行细挖，消除步骤1～4中大电流加工留下的粗糙面和溅射物，并背减至所述平面TEM样品厚度为1.2～1.5um；
6）采用束流范围为0.2～0.3nA的聚焦离子束，对所述平面TEM样品的正面和背面进行加工，使所述平面TEM样品正面停留在所述平面TEM样品的遂穿氧化层，所述平面TEM样品厚度为0.15～0.25um。
6.根据权利要求1～3所述的检测方法，其特征在于：所述步骤f中，在200KV的TEM机台上，采用160K以上的的放大倍数，用STEM模式观察制备好的平面TEM样品。
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