低ｋ介电材料的失效分析方法技术

一种低ｋ介电材料的失效分析方法，包括：对低ｋ介电材料采用聚焦离子束定点切削与辅助电子束扫描进行薄膜样品制备；对薄膜样品进行透射电镜成像；根据所述透射电镜成像得到的材料形貌，进行失效判定。本发明专利技术使用特定参数条件的聚焦离子束定点切削与辅助电子束扫描制备低ｋ介电材料的薄膜样品，并通过透射电镜ＴＥＭ成像获得样品形貌，根据样品形貌进行失效判定，因此本发明专利技术流程简单，经济有效易于实现，且判定准确直观。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及失效分析领域，尤其涉及一种。
技术介绍
随着集成电路技术的发展，元器件的尺寸日益微缩，而对响应速度的要求逐渐提 高。在电路运算中，RC乘积值过高是造成电路信号延迟的主要因数。因此，如何降低电路元 器件中的金属互联系统信号延迟(RC delay)是集成电路制造技术的主要课题。在集成电 路的后端制程(back-end of line)中，可以通过降低金属层间介质的介电常数值(k值)， 达到降低寄生电容，提高电路速度的目的。目前被广泛应用的金属层间介质(inter-metal dielectrics ；IMD)的材料，常见 的有二氧化硅(SiO2)、FSG (Fluorinated SiO2)。二氧化硅的介电常数为4. 0，而FSG是指 氟掺杂的二氧化硅，其介电常数约为3. 5，均已难以满足需求。现有的一种新型低k(k值不 大于3. 5)介电材料是应用材料公司所生产的黑钻石(black diamond)，即多孔SiOCH薄膜 层，通过等离子辅助气相沉积PECVD形成于金属互连层上。由于多孔特性低k介电材料的耐热性较差，在沉积过程中，如果PECVD工艺异常， 结合后续的高温退火步骤，会造成低k介电材料中化学结构改变，引起k值发生变化，并导 致芯片电绝缘性能失效。因此需要对低k节点材料层进行失效分析，检测其k值的变化。传统的测量k值方法包括汞蒸汽探针法以及平行板电容法，均能够准确检测材料 中的k值大小，但是在半导体制程中，汞蒸汽探针法仅能应用于刚沉积后并未图形化的当 前介质层，而对已制造完成的半导体器件无法进一步失效分析；平行板电容法仅能应用于 选定的特定测量区域，并与器件其他部分相绝缘，需要使用大量的光罩工艺，制程复杂，成 本过高。使用上述传统k值测量方法，难以经济有效地直接获得低k介电材料的k值，从而 不能准确判断其失效机制。因此迫切需要一种新的，解决上 述问题。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是提供一种，流程简单，经济有 效，能够准确直观地判定材料失效是否发生。为解决上述问题，本专利技术提供了一种低k介电 材料的失效分析方法，具体包括对低k介电材料采用聚焦离子束定点切削与辅助电子束扫描进行薄膜样品制备；对薄膜样品进行透射电镜成像；根据所述透射电镜成像得到的材料形貌，进行失效判定。作为可选方案，所述聚焦离子束定点切削与辅助电子束扫描时，离子束与电子束 的能量为能够破坏未失效的低k介电材料形貌的临界值。作为可选方案，所述失效判定的依据为如果薄膜样品的形貌平整致密，则所述低k介电材料未失效；如果薄膜样品的形貌多孔疏松，则所述低k介电材料失效。作为可选方案，对于特征尺寸不小于65nm的半导体工艺，所述未失效的低k介电 材料的k值不小于3. 0 ；所述聚焦离子束定点切削与辅助电子束扫描的参数包括使用Ga 离子束，加速电压为30kV，离子束电流为IOOpA ；辅助电子束的加速电压为5kV ；所述透射电 镜所使用的电子束加速电压为200kV。作为可选方案，对于特征尺寸小于65nm的半导体工艺，所述未失效的低k介电材 料的k值不小于2. 7 ；所述聚焦离子束定点切削与辅助电子束扫描的参数包括使用Ga离 子束，加速电压为5kV，离子束电流为50pA ；辅助电子束的加速电压为IkV ；所述透射电镜所 使用的电子束加速电压为200kV。作为可选方案，所述薄膜样品的制备过程中，辅助电子束扫描伴随聚焦离子束定 点切削同时进行。作为可选方案，所述聚焦离子束定点切削使用的离子源为Ga离子或者In离子。作为可选方案，所述薄膜样品的厚度不大于lOOnm。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点使用特定参数条件的聚焦离子束定点切 削与辅助电子束扫描制备低k介电材料的薄膜样品，并通过透射电镜TEM成像获得样品形 貌，根据样品形貌进行失效判定，因此本专利技术流程简单，经济有效易于实现，且判定准确直 观。附图说明图1是本专利技术所述失效分析方法的流程示意图；图2是本专利技术所述失效分析方法具体实施例中包含低k介电材料的电路器件的剖 面结构图；图3是本专利技术所述聚焦离子束定点切削与辅助电子束扫描破坏低k介电材料形貌 的示意图；图4是本专利技术所述失效分析方法第一实施例中未失效的低k介电材料的透射电镜 照片；图5是本专利技术所述失效分析方法第一实施例中失效的低k介电材料的透射电镜照 片；图6是本专利技术所述失效分析方法第二实施例中未失效的低k介电材料的透射电镜 照片。具体实施例方式从
技术介绍
说明内容可知，集成电路制造过程中的工艺异常可能引起低k介电材 料(如金属间介质层)的k值发生变化。其主要的失效现象为金属层间介质层的k值降 低，使得其绝缘性能下降，而导致器件电绝缘性能的失效。随着低k介电材料的k值降低，其结构中原子之间的化学键被削弱，比如在黑钻石 (black diamond)材料中，多孔SiOCH薄膜层的Si-C键将趋向于不稳定，其多孔特性将被增 强，结构趋于疏松，与正常未失效的低k介电材料相比，结构更易于被破坏。本专利技术利用上述化学特性，采用特定参数条件的聚焦离子束切削与辅助电子束扫描的双束系统(Dual Beam FIB)进行制样，放大失效后的低k介电材料的多孔特性，得到多 孔特性的增强显示形貌，并与未失效的形貌相比较，从而进行直观的失效判断。本专利技术所述的如图1所示，基本流程包括Si、对低k介电材料采用聚焦离子束定点切削与辅助电子束扫描进行薄膜样品制 备；其中聚焦离子束定点切削与辅助电子束扫描时，离子束与电子束的能量为能够破 坏未失效的低k介电材料形貌的临界值，即未失效的低k介电材料，在制样过程中，其结构 形貌、分子排布等并不会受到聚焦离子束或辅助电子束的影响，而已失效的低k介电材料， 由于k值下降，结构疏松，将会被聚焦离子束以及辅助电子束破坏部分化学结构，从而放大 其多孔特性。所述辅助电子束扫描伴随聚焦离子束定点切削同时进行，即采用聚焦离子束切削 样品的同时，辅助电子束对聚焦离子束的切削位置进行扫描，获取相应位置的形貌信息，保 证聚焦离子束切削位置的准确性，提高制样效率；同时辅助电子束在样品表面扫描时产生 的热效应也能够进一步强化放大低k介电材料样品的多孔特性。可选的，所述离子束可以采用离子源包括Ga离子、In离子等。S2、对薄膜样品进行透射电镜成像；其中，透射电镜通过电子束撞击目标样品的原子并透射样品，根据电子束发生立 体散射信息得到样品形貌的衬度像，因此薄膜样品的厚度不宜过大。此外在薄膜样品制备好后需立即进行透射电镜成像，以防止低k介电材料周围的 互连金属如Cu的扩散而影响成像质量。S3、根据所述透射电镜成像得到的材料形貌，进行失效判定。所述失效判定的依据为如果薄膜样品的形貌平整致密，则所述低k介电材料未 失效；如果薄膜样品的形貌多孔疏松，则所述低k介电材料失效。下面结合具体实施例，对本专利技术所述失效分析方法做进一步介绍。如图2所示，为包含有低k介电材料的电路器件的剖面结构图，更具体的，是采用 低k介电材料的集成电路芯片梳状互连线系统的截面示意图，包括下介电层10、上介电层20以及位于下介电层10与上介电层20之间的梳状金属互 连线30。其中，所述下介电层10以及上介电层20均包括氟硅玻璃层100及其表面的氧氮 化硅盖层101 ；所述梳状金属互连线3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低ｋ介电材料的失效分析方法，其特征在于，包括：对低ｋ介电材料采用聚焦离子束定点切削与辅助电子束扫描进行薄膜样品制备；对薄膜样品进行透射电镜成像；根据所述透射电镜成像得到的材料形貌，进行失效判定。

【技术特征摘要】
一种低k介电材料的失效分析方法，其特征在于，包括对低k介电材料采用聚焦离子束定点切削与辅助电子束扫描进行薄膜样品制备；对薄膜样品进行透射电镜成像；根据所述透射电镜成像得到的材料形貌，进行失效判定。2.如权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，所述聚焦离子束定点切削与辅助 电子束扫描时，离子束与电子束的能量为能够破坏未失效的低k介电材料形貌的临界值。3.如权利要求2所述的失效分析方法，其特征在于，所述失效判定的依据为如果薄膜 样品的形貌平整致密，则所述低k介电材料未失效；如果薄膜样品的形貌多孔疏松，则所述 低k介电材料失效。4.如权利要求2所述的失效分析方法，其特征在于，对于特征尺寸不小于65nm的半导 体工艺，所述未失效的低k介电材料的k值不小于3. 0。5.如权利要求4所述的失效分析方法，其特征在于，所述聚焦离子束定点切削与辅助 电子束扫描的参数包括使用Ga离子束，加速电压为30kV，离子束电流为IOOpA ；辅助电子 束的加速电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫明，芮志贤，段淑卿，王玉科，郭强，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]