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低k介電材料的失效分析方法

文檔序號:6148922閱讀:384來源:國知局
專利名稱:低k介電材料的失效分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及失效分析領(lǐng)域,尤其涉及一種低k介電材料的失效分析方法。
背景技術(shù)
隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,元器件的尺寸日益微縮,而對響應(yīng)速度的要求逐漸提 高。在電路運(yùn)算中,RC乘積值過高是造成電路信號延遲的主要因數(shù)。因此,如何降低電路元 器件中的金屬互聯(lián)系統(tǒng)信號延遲(RC delay)是集成電路制造技術(shù)的主要課題。在集成電 路的后端制程(back-end of line)中,可以通過降低金屬層間介質(zhì)的介電常數(shù)值(k值), 達(dá)到降低寄生電容,提高電路速度的目的。目前被廣泛應(yīng)用的金屬層間介質(zhì)(inter-metal dielectrics ;IMD)的材料,常見 的有二氧化硅(SiO2)、FSG (Fluorinated SiO2)。二氧化硅的介電常數(shù)為4. 0,而FSG是指 氟摻雜的二氧化硅,其介電常數(shù)約為3. 5,均已難以滿足需求。現(xiàn)有的一種新型低k(k值不 大于3. 5)介電材料是應(yīng)用材料公司所生產(chǎn)的黑鉆石(black diamond),即多孔SiOCH薄膜 層,通過等離子輔助氣相沉積PECVD形成于金屬互連層上。由于多孔特性低k介電材料的耐熱性較差,在沉積過程中,如果PECVD工藝異常, 結(jié)合后續(xù)的高溫退火步驟,會造成低k介電材料中化學(xué)結(jié)構(gòu)改變,引起k值發(fā)生變化,并導(dǎo) 致芯片電絕緣性能失效。因此需要對低k節(jié)點(diǎn)材料層進(jìn)行失效分析,檢測其k值的變化。傳統(tǒng)的測量k值方法包括汞蒸汽探針法以及平行板電容法,均能夠準(zhǔn)確檢測材料 中的k值大小,但是在半導(dǎo)體制程中,汞蒸汽探針法僅能應(yīng)用于剛沉積后并未圖形化的當(dāng) 前介質(zhì)層,而對已制造完成的半導(dǎo)體器件無法進(jìn)一步失效分析;平行板電容法僅能應(yīng)用于 選定的特定測量區(qū)域,并與器件其他部分相絕緣,需要使用大量的光罩工藝,制程復(fù)雜,成 本過高。使用上述傳統(tǒng)k值測量方法,難以經(jīng)濟(jì)有效地直接獲得低k介電材料的k值,從而 不能準(zhǔn)確判斷其失效機(jī)制。因此迫切需要一種新的低k介電材料的失效分析方法,解決上 述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種低k介電材料的失效分析方法,流程簡單,經(jīng)濟(jì)有 效,能夠準(zhǔn)確直觀地判定材料失效是否發(fā)生。為解決上述問題,本發(fā)明提供了一種低k介電 材料的失效分析方法,具體包括對低k介電材料采用聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描進(jìn)行薄膜樣品制備;對薄膜樣品進(jìn)行透射電鏡成像;根據(jù)所述透射電鏡成像得到的材料形貌,進(jìn)行失效判定。作為可選方案,所述聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描時(shí),離子束與電子束 的能量為能夠破壞未失效的低k介電材料形貌的臨界值。作為可選方案,所述失效判定的依據(jù)為如果薄膜樣品的形貌平整致密,則所述低k介電材料未失效;如果薄膜樣品的形貌多孔疏松,則所述低k介電材料失效。作為可選方案,對于特征尺寸不小于65nm的半導(dǎo)體工藝,所述未失效的低k介電 材料的k值不小于3. 0 ;所述聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描的參數(shù)包括使用Ga 離子束,加速電壓為30kV,離子束電流為IOOpA ;輔助電子束的加速電壓為5kV ;所述透射電 鏡所使用的電子束加速電壓為200kV。作為可選方案,對于特征尺寸小于65nm的半導(dǎo)體工藝,所述未失效的低k介電材 料的k值不小于2. 7 ;所述聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描的參數(shù)包括使用Ga離 子束,加速電壓為5kV,離子束電流為50pA ;輔助電子束的加速電壓為IkV ;所述透射電鏡所 使用的電子束加速電壓為200kV。作為可選方案,所述薄膜樣品的制備過程中,輔助電子束掃描伴隨聚焦離子束定 點(diǎn)切削同時(shí)進(jìn)行。作為可選方案,所述聚焦離子束定點(diǎn)切削使用的離子源為Ga離子或者In離子。作為可選方案,所述薄膜樣品的厚度不大于lOOnm。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)使用特定參數(shù)條件的聚焦離子束定點(diǎn)切 削與輔助電子束掃描制備低k介電材料的薄膜樣品,并通過透射電鏡TEM成像獲得樣品形 貌,根據(jù)樣品形貌進(jìn)行失效判定,因此本發(fā)明流程簡單,經(jīng)濟(jì)有效易于實(shí)現(xiàn),且判定準(zhǔn)確直 觀。


圖1是本發(fā)明所述失效分析方法的流程示意圖;圖2是本發(fā)明所述失效分析方法具體實(shí)施例中包含低k介電材料的電路器件的剖 面結(jié)構(gòu)圖;圖3是本發(fā)明所述聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描破壞低k介電材料形貌 的示意圖;圖4是本發(fā)明所述失效分析方法第一實(shí)施例中未失效的低k介電材料的透射電鏡 照片;圖5是本發(fā)明所述失效分析方法第一實(shí)施例中失效的低k介電材料的透射電鏡照 片;圖6是本發(fā)明所述失效分析方法第二實(shí)施例中未失效的低k介電材料的透射電鏡 照片。
具體實(shí)施例方式從背景技術(shù)說明內(nèi)容可知,集成電路制造過程中的工藝異??赡芤鸬蚹介電材 料(如金屬間介質(zhì)層)的k值發(fā)生變化。其主要的失效現(xiàn)象為金屬層間介質(zhì)層的k值降 低,使得其絕緣性能下降,而導(dǎo)致器件電絕緣性能的失效。隨著低k介電材料的k值降低,其結(jié)構(gòu)中原子之間的化學(xué)鍵被削弱,比如在黑鉆石 (black diamond)材料中,多孔SiOCH薄膜層的Si-C鍵將趨向于不穩(wěn)定,其多孔特性將被增 強(qiáng),結(jié)構(gòu)趨于疏松,與正常未失效的低k介電材料相比,結(jié)構(gòu)更易于被破壞。本發(fā)明利用上述化學(xué)特性,采用特定參數(shù)條件的聚焦離子束切削與輔助電子束掃描的雙束系統(tǒng)(Dual Beam FIB)進(jìn)行制樣,放大失效后的低k介電材料的多孔特性,得到多 孔特性的增強(qiáng)顯示形貌,并與未失效的形貌相比較,從而進(jìn)行直觀的失效判斷。本發(fā)明所述的低k介電材料的失效分析方法如圖1所示,基本流程包括Si、對低k介電材料采用聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描進(jìn)行薄膜樣品制 備;其中聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描時(shí),離子束與電子束的能量為能夠破 壞未失效的低k介電材料形貌的臨界值,即未失效的低k介電材料,在制樣過程中,其結(jié)構(gòu) 形貌、分子排布等并不會受到聚焦離子束或輔助電子束的影響,而已失效的低k介電材料, 由于k值下降,結(jié)構(gòu)疏松,將會被聚焦離子束以及輔助電子束破壞部分化學(xué)結(jié)構(gòu),從而放大 其多孔特性。所述輔助電子束掃描伴隨聚焦離子束定點(diǎn)切削同時(shí)進(jìn)行,即采用聚焦離子束切削 樣品的同時(shí),輔助電子束對聚焦離子束的切削位置進(jìn)行掃描,獲取相應(yīng)位置的形貌信息,保 證聚焦離子束切削位置的準(zhǔn)確性,提高制樣效率;同時(shí)輔助電子束在樣品表面掃描時(shí)產(chǎn)生 的熱效應(yīng)也能夠進(jìn)一步強(qiáng)化放大低k介電材料樣品的多孔特性。可選的,所述離子束可以采用離子源包括Ga離子、In離子等。S2、對薄膜樣品進(jìn)行透射電鏡成像;其中,透射電鏡通過電子束撞擊目標(biāo)樣品的原子并透射樣品,根據(jù)電子束發(fā)生立 體散射信息得到樣品形貌的襯度像,因此薄膜樣品的厚度不宜過大。此外在薄膜樣品制備好后需立即進(jìn)行透射電鏡成像,以防止低k介電材料周圍的 互連金屬如Cu的擴(kuò)散而影響成像質(zhì)量。S3、根據(jù)所述透射電鏡成像得到的材料形貌,進(jìn)行失效判定。所述失效判定的依據(jù)為如果薄膜樣品的形貌平整致密,則所述低k介電材料未 失效;如果薄膜樣品的形貌多孔疏松,則所述低k介電材料失效。下面結(jié)合具體實(shí)施例,對本發(fā)明所述失效分析方法做進(jìn)一步介紹。如圖2所示,為包含有低k介電材料的電路器件的剖面結(jié)構(gòu)圖,更具體的,是采用 低k介電材料的集成電路芯片梳狀互連線系統(tǒng)的截面示意圖,包括下介電層10、上介電層20以及位于下介電層10與上介電層20之間的梳狀金屬互 連線30。其中,所述下介電層10以及上介電層20均包括氟硅玻璃層100及其表面的氧氮 化硅蓋層101 ;所述梳狀金屬互連線30之間填充低k介質(zhì)形成金屬間介質(zhì)層40。本發(fā)明所述低k介電材料的失效分析方法所需檢測的對象,即金屬間介質(zhì)層40, 本實(shí)施例中,所述金屬間介質(zhì)層40選用的材料為黑鉆石,即多孔特性SiOCH薄膜材料。首先,根據(jù)所需進(jìn)行失效分析的低k介電材料的材質(zhì)以及介電常數(shù)失效臨界值等 確定工藝參數(shù)。通常在透射電鏡成像中,制備的薄膜樣品厚度不大于lOOnm,制樣區(qū)域?yàn)檫呴L 5um 6um的方片區(qū)域。正常的采用低k介電材料的金屬間介質(zhì)層40中,k值大小取決于 工藝制程的需要,比如90nm至65nm工藝中,正常的金屬間介質(zhì)層40的k值標(biāo)準(zhǔn)約為3. 0, 而進(jìn)入亞65nm工藝后,正常的金屬間介質(zhì)層40的k值標(biāo)準(zhǔn)降低為2. 7。因此判定金屬間介 質(zhì)層40失效與否,需要預(yù)先確定介電常數(shù)的失效臨界值。
所述介電常數(shù)失效臨界值被確定后,則未失效時(shí)金屬間介質(zhì)層40的化學(xué)性質(zhì)也 是固定的,可以通過實(shí)驗(yàn)獲取破壞未失效金屬間介質(zhì)層40的材質(zhì)形貌所需要離子能量的 臨界值,并進(jìn)一步確定聚焦離子束定點(diǎn)切削以及輔助電子束掃描制樣的參數(shù)條件。對于不同k值的金屬間介質(zhì)層40,其材質(zhì)以及結(jié)構(gòu)疏密度存在差異,因此采用聚 焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描制樣時(shí),所需離子束加速電壓、離子束電流與電子束 加速電壓也不相同。總體上k值較高、結(jié)構(gòu)較致密的介電材質(zhì),需要的上述參數(shù)值較高;而 k值較低、結(jié)構(gòu)較疏松的介電材質(zhì),對上述參數(shù)值的要求也較低。為了具有足夠的能量并穩(wěn)定的離子源,聚焦離子束所使用的離子源可以為Ga離 子、In離子。本實(shí)施例中,采用Ga離子作為離子源。其次,采用上述確定的工藝參數(shù),使用聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描制 備薄膜樣品,且所述輔助電子束掃描伴隨聚焦離子束定點(diǎn)切削同時(shí)進(jìn)行,以提高制樣效率。由于聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描時(shí),離子束與電子束的能量為破壞未 失效金屬間介質(zhì)層40的材質(zhì)形貌所需要的臨界值,因此對于未失效的薄膜樣品,在薄膜樣 品制備過程中,其結(jié)構(gòu)形貌并不會發(fā)生變化,與未失效時(shí)的形貌特征一致;而對于已失效的 薄膜樣品,如圖3所示,由于k值下降,金屬間介質(zhì)層40的材質(zhì)疏松,SiOCH分子中Si-C的化 學(xué)鍵較薄弱,經(jīng)過聚焦離子束定點(diǎn)切削以及輔助電子束掃描后,部分分子結(jié)構(gòu)被破壞,金屬 間介質(zhì)層40的多孔特性將被放大,結(jié)構(gòu)形貌將發(fā)生變化,而與未失效時(shí)的形貌特征相異。然后,使用透射電鏡對薄膜樣品進(jìn)行成像。由于集成電路元器件在顯微成像時(shí)對透射電鏡分辨率要求較高,透射電鏡以場發(fā) 射方式產(chǎn)生電子束時(shí)需要較高的加速電壓,獲取薄膜樣品各處的形貌信息,將樣品上所有 位置的形貌信息整合,即可以得到完整的金屬間介質(zhì)層40的薄膜樣品形貌照片。最后,根據(jù)所得到的薄膜樣品形貌照片,進(jìn)行失效機(jī)制判定。其中判定依據(jù)為如 果薄膜樣品的形貌平整致密,與未失效時(shí)的形貌特征一致,則所述金屬間介質(zhì)層40未失 效;如果薄膜樣品的形貌多孔疏松,與未失效時(shí)的形貌特征相異,則所述金屬間介質(zhì)層40 已失效。進(jìn)一步的,為了更加直觀有效地進(jìn)行比對判斷,還可以先使用已知未失效的金屬間 介質(zhì)層40制作薄膜樣品,并通過透射電鏡成像,以其形貌照片作為對比標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上述實(shí)施例,本發(fā)明還提供了在不同特征尺寸的工藝制程中,對金屬間介質(zhì) 層40的進(jìn)行失效分析時(shí),所采用的工藝參數(shù)以及相應(yīng)的透射電鏡成像結(jié)果,具體如下實(shí)施例一在90nm至65nm工藝制程中,所述金屬間介質(zhì)層40未失效時(shí),k值不小于3.0。本 實(shí)施例中,經(jīng)過臨界條件實(shí)驗(yàn),選擇采用的聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描制樣的 參數(shù)為采用Ga離子源,加速電壓為30kV,離子束電流為IOOpA ;輔助電子束的掃描加速電 壓為5kV。而透射電鏡所使用的電子束加速電壓為200kV。如圖4所示,為未失效的金屬間介質(zhì)層40的透射電鏡照片,其k值略大于3. 0,經(jīng) 過聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描制樣并透射電鏡成像后可見,介質(zhì)結(jié)構(gòu)依然平整 致密(虛線框所示),未受到破壞。如圖5所示,為失效的金屬間介質(zhì)層40的透射電鏡照片,其k值已低于3. 0,因此 經(jīng)過聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描制樣并透射電鏡成像后可見,介質(zhì)結(jié)構(gòu)呈多孔 疏松狀(虛線框所示),其多孔特性已被定點(diǎn)離子束增強(qiáng)放大,而直觀地顯示出來。
實(shí)施例二在亞65nm工藝制程中,所述金屬間介質(zhì)層40未失效時(shí),k值不小于2. 7。本實(shí)施例 中,經(jīng)過臨界條件實(shí)驗(yàn),選擇采用的聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描制樣的參數(shù)為 采用Ga離子源,加速電壓為5kV,離子束電流為50pA ;輔助電子束的掃描加速電壓為lkV。 而透射電鏡所使用的電子束加速電壓為200kV。如圖6所示,為未失效的金屬間介質(zhì)層40的透射電鏡照片,其k值略大于2. 7,經(jīng) 過聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描制樣并透射電鏡成像后可見,介質(zhì)結(jié)構(gòu)依然平整 致密(虛線框所示),未受到破壞。根據(jù)上述具體實(shí)施例所展示的結(jié)果,可知本發(fā)明所述低k介電材料的失效分析方 法,流程簡單,利用現(xiàn)有的透射電鏡TEM設(shè)備,直觀地實(shí)現(xiàn)了對低k介電材料的失效分析,具 有良好的效果。本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開如上,但其并不是用來限定權(quán)利要求,任何本領(lǐng)域 技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi),都可以做出可能的變動和修改,因此本發(fā)明的 保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種低k介電材料的失效分析方法,其特征在于,包括對低k介電材料采用聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描進(jìn)行薄膜樣品制備;對薄膜樣品進(jìn)行透射電鏡成像;根據(jù)所述透射電鏡成像得到的材料形貌,進(jìn)行失效判定。
2.如權(quán)利要求1所述的失效分析方法,其特征在于,所述聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助 電子束掃描時(shí),離子束與電子束的能量為能夠破壞未失效的低k介電材料形貌的臨界值。
3.如權(quán)利要求2所述的失效分析方法,其特征在于,所述失效判定的依據(jù)為如果薄膜 樣品的形貌平整致密,則所述低k介電材料未失效;如果薄膜樣品的形貌多孔疏松,則所述 低k介電材料失效。
4.如權(quán)利要求2所述的失效分析方法,其特征在于,對于特征尺寸不小于65nm的半導(dǎo) 體工藝,所述未失效的低k介電材料的k值不小于3. 0。
5.如權(quán)利要求4所述的失效分析方法,其特征在于,所述聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助 電子束掃描的參數(shù)包括使用Ga離子束,加速電壓為30kV,離子束電流為IOOpA ;輔助電子 束的加速電壓為5kV。
6.如權(quán)利要求5所述的失效分析方法,其特征在于,所述透射電鏡所使用的電子束加 速電壓為200kV。
7.如權(quán)利要求2所述的失效分析方法,其特征在于,對于特征尺寸小于65nm的半導(dǎo)體 工藝,所述未失效的低k介電材料的k值不小于2. 7。
8.如權(quán)利要求7所述的失效分析方法,其特征在于,所述聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助 電子束掃描的參數(shù)包括使用Ga離子束,加速電壓為5kV,離子束電流為50pA ;輔助電子束 的加速電壓為lkV。
9.如權(quán)利要求8所述的失效分析方法,其特征在于,所述透射電鏡所使用的電子束加 速電壓為200kV。
10.如權(quán)利要求1所述的失效分析方法,其特征在于,所述薄膜樣品制備過程中,輔助 電子束掃描伴隨聚焦離子束定點(diǎn)切削同時(shí)進(jìn)行。
11.如權(quán)利要求1所述的失效分析方法,其特征在于,所述聚焦離子束定點(diǎn)切削使用的 離子源為Ga離子或者In離子。
12.如權(quán)利要求1所述的失效分析方法,其特征在于,所述薄膜樣品的厚度不大于 IOOnm0
全文摘要
一種低k介電材料的失效分析方法,包括對低k介電材料采用聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描進(jìn)行薄膜樣品制備;對薄膜樣品進(jìn)行透射電鏡成像;根據(jù)所述透射電鏡成像得到的材料形貌,進(jìn)行失效判定。本發(fā)明使用特定參數(shù)條件的聚焦離子束定點(diǎn)切削與輔助電子束掃描制備低k介電材料的薄膜樣品,并通過透射電鏡TEM成像獲得樣品形貌,根據(jù)樣品形貌進(jìn)行失效判定,因此本發(fā)明流程簡單,經(jīng)濟(jì)有效易于實(shí)現(xiàn),且判定準(zhǔn)確直觀。
文檔編號G01N23/04GK101988909SQ20091005601
公開日2011年3月23日 申請日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
發(fā)明者楊衛(wèi)明, 段淑卿, 王玉科, 芮志賢, 郭強(qiáng) 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司
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