专利名称：一种检测cmp引起的碟陷和侵蚀的测试结构及方法
技术领域：
本发明涉及半导体制程，特别是涉及一种检测化学机械研磨 (Chemical Mechanical Polishing,缩写为CMP, i兌明书其他部分使用 缩写CMP代指化学机械研磨)造成的金属区碟陷(dishing)和介质 区侵蚀(erosion)的测试结构及方法。
背景技术：
CMP技f艮有研磨性,.赞的，械式研磨与酸碱溶液的化学式研 磨两种作用，通过CMP可以使晶圆表面达到全面性的平坦化，以利 于后续薄膜沉积的进行。
CMP技术是现有半导体制程中必不可少的步骤。但是，在CMP
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产生缺陷。
随着晶体管数量的增加，互连导线越来越细，铝阻碍电子运动的 作用愈来愈明显。由于铜的导电性要好于铝，可以使电子信号的传输
速度更快，所以铜金属互连和双镶嵌工艺通常用于0.13[im及以下的 工艺制程。铜布线工艺不同于铝布线工艺，需要使用电镀的方法进行 铜布线。经过铜电镀之后，晶圆表面上会留下许多包括刻痕、凹陷、 残留颗粒等状况，所以必须用CMP的方式来使晶圆表面平坦化，因 此，分析铜工艺布线中的CMP效果更具代表性和重要性。
在铜布线后的CMP主要会出现两种缺陷其中一种缺陷称为碟 形缺陷，简称碟陷，即铜线内出现凹陷；另一类缺陷是侵蚀，指在高 图形密度区抛光后Si02介质层被抛掉了一部分。两种缺陷都会导致 铜导线厚度不同，导致电阻不稳定，影响器件性能。再者，因为较大 的碟陷常常导致铜残留和由于CMP累积效应而产生金属桥接问题，所以还直接影响产品合格率。
目前人们通过扫描电子显微镜(SEM )、穿透式电子显微镜(TEM ) 或其他扫描方式来检测碟陷和侵蚀。但是，这种;^测往往只能检测一 个区域，并且需要对芯片进行磨片。这种检测方式需要的时间长，不 能进行随时检测，而且测量数据会受到其他因素的干扰，导致测试数 据有所偏差。
发明内容
本发明提出了一种测试结构及其测试方法，能够有效、准确、快 捷地检测CMP造成的金属区碟陷和介质区侵蚀，特别是在铜布线工 艺中，检测CMP造成的铜碟陷和侵蚀。所述测试结构可以设计在整 个芯片的剩余区域，与芯片制造一同完成。
根据本发明的第 一 方面，提供了 一种用于半导体制程中检测化学 机械研磨造成的金属区碟陷和介质区侵蚀的测试结构，包括
第一金属探测垫组，包括一个或相互电连接的多个金属探测塾； 第二金属一冢测垫组，包括一个或相互电连接的多个金属纟果测垫；
一个或多个金属块堆叠单元，所述金属块堆叠单元包括一层金属 层上的金属块或连续几个金属层上的金属块；
第一金属测试线组，包括一条或多条金属测试线，所述金属测试 线一端与所述第一金属探测垫组电连接， 一端空置；第二金属测试线 组，包括一条或多条金属测试线，所述金属测试线一端与所述第二金 属探测垫组电连接， 一端空置；
所述金属测试线组分布于所述金属块堆叠单元上方的相邻金属 层；所述金属测试线之间互相平行。
根据本发明的第二方面，提供了 一种用于半导体制程中检测化学 机械研磨造成的金属区碟陷和介质区侵蚀的测试方法，测试步骤包 括
a. 制造本发明第一方面提供的测试结构；
b. 通过所述测试结构来观测所述金属区碟陷和介质区侵蚀；其中，在所述步骤中可以使用探针接触所述第一、第二金属探测 组来测量所述观"试结构的电学特性，也可以使用探针扫描或电子扫描 对所述测试结构进行扫描观测。
与现有测试手段相比，本发明具有以下几个优势
首先，已有的测试CMP造成的金属碟陷和侵蚀的方法， 一般都 是在具体芯片生产过程中，遇到失效芯片后，对芯片失效部分进行分
析与扫描;f全测，这样必须先确定失效部位，然后对芯片失效部位磨片 之后，让失效部分完全暴露出来，才能使用SEM等扫描设备检测失 效，即可以检测所述金属碟陷和侵蚀现象。这种方法费时费力。本发 明引入了用于测试所述金属碟陷和侵蚀的测试结构，并且可以配合使 用电学特性测试的方法得到测试数据，之后利用所述测试数据来衡量 所述金属碟陷和侵蚀所造成损害的程度。通过引入所述测试结构，允 许使用探针接触所述第 一 、第二金属探测组来测量所述测试结构的电 学特性，不需要对芯片失效部位进行磨片处理，这样大大缩短了测试 时间， -使测试过程也大为简化。
其次，现有的测试手段，测试结果依赖其他相对参考量的选取，
所以会出现测试结果不稳定，从而导致测试结果不准确。本发明的优 势在于提供了 一种以电学测试数据来衡量所述金属碟陷和侵蚀所造 成损害的程度，不需要其他对比参考量，所以测试结果相对准确很多。 同时，可以通过现有的扫描方式对所述测试结构进行扫描测试。如果 有需要，可以对同一测试结构分别进行电学和扫描测试，然后对两种 测试结果进行综合分析，从而得到更加准确的测试结论。
第三，由于引入了所述测试结构，所以可以达到随时检测的目的。 CMP造成的金属碟陷和侵蚀的程度对于整个工艺来说非常重要，所 以对于一个正在使用的工艺，也需要周期性地做此方面的检测，但是 原有的方法难以实现这 一 目标。测试结构的引入完全解决了这个问
可以在芯片制造之后进行检测，达到了随时监控与检测的目的。
第四，现有测试手段只能通过观察失效部分，来检测和评定所述
6金属碟陷和侵蚀的程度，这样难以在 一次测试中观察和才企测到多种由 于CMP造成的金属碟陷和侵蚀的情况。所述测试结构的引入，可以 在硅片上的剩余区域布置各种测试结构，对应于不同金属碟陷和侵蚀 的机制，通过一次正常芯片流片的过程，得到所有需要的测试数据。 这一点在对一个新工艺进行评定，或者在开发新型化学研磨试剂和手 段的时候非常有用，即可以节约成本又可提升研发速度。
图1是检测CMP造成的金属区碟陷和介质区侵蚀的测试结构的 俯视示意图2是检测CMP造成的金属区碟陷和介质区侵蚀的测试结构的
侧视截面示意图3是检测CMP造成的金属区碟陷的具体测试结构俯视图； 图4是主要用于检测CMP造成的介质区侵蚀的具体测试机构俯视图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进4亍详细描述。 本发明的第 一方面提供一种用于半导体制程中检测化学机械研 磨造成的金属区碟陷和介质区侵蚀的测试结构，其结构包括包括第 一金属探测垫组，包括一个或相互电连接的多个金属探测垫；第二金 属探测垫组，包括一个或相互电连接的多个金属4笨测垫； 一个或多个 金属块堆叠单元，所述金属块堆叠单元包括一层金属层上的金属块或 连续几个金属层上的金属块；第一金属测试线组，包括一条或多条金 属测试线，所述金属测试线一端与所述第一金属探测垫组电连接，一 端空置；第二金属测试线组，包括一条或多条金属测试线，所述金属 测试线一端与所述第二金属探测垫组电连接， 一端空置。
所述金属测试线组分布于所述金属块堆叠单元上方的相邻金属 层；所述金属测试线之间互相平行。
7本发明的第二方面提供 一 种用于半导体制程中检测化学机械研
磨造成的金属区碟陷和介质区侵蚀的测试方法，包括如下步骤a.制 造权利要求1至7中任一项所述的测试结构；b.通过所述测试结构 来观测所述金属区碟陷和介质区侵蚀。
参考图1和图2，根据本发明的第一方面，在测试结构设计上需 要注意几个关键问题
第一，第一金属探测垫组lla和第二金属探测垫组llb是为了在 电学特性测试的时候，与外部的测试系统进行电连接，提供测试通路， 在复杂的测试结构中可以包括2个以上的金属探测垫组。在使用电学 方式对所述测试结构进行测试的时候，为了测试方便， 一般情况下， 所述第一金属探测垫组lla的一个金属探测垫21a和所述第二金属探 测垫组1 lb的 一个金属探测垫21b会布置于所在芯片的最上层金属层 中，其面积分别大于测试设备所允许的最小可测面积。
第二，金属块堆叠单元12a (或12b,或12c)用于产生CMP造 成的金属区碟陷和介质区侵蚀。在所述金属块堆叠单元中的最下层的 金属块22a(或22b，或22c )可以根据测试目的设置于所在工艺的任 一个金属层中，用于产生所述金属区碟陷和介质区侵蚀。在大多数情 况下，所述最下层的金属块22a位于第一层金属层，因为大多数时候 最关心的问题是在一个工艺中，第一层金属层的碟陷和侵蚀，通过 多层金属层的积累，对上层某金属层的金属导线的影响。在所述最下 层的金属块22a上方可以布置一个或连续多个金属块，分别位于所述 最下层的金属块所在金属层上方的一个或连续多个金属层中，以起到 积累所述碟陷和侵蚀的作用。所有这些 一 个或连续多个金属块组成了 一个所述金属块堆叠单元12a,参考图2所示。每个金属块的宽度al (或a2，或a3),大于等于0.1微米，如果宽度过小，将不会产生有 效的金属碟陷现象。在多个金属块存在的情况下，所述金属块互相重 叠，相互之间不需要电连接。
第三，在所述测试结构中，可以包括一个或多个所述金属块堆叠 单元，参考图l和图2的12a, 12b和12c, —般情况下，在同一个测
8试机构中，多个所述金属块堆叠单元的纵向结构需要一致，即它们各 自的最上层金属层为同一金属层，它们各自的最下层金属层也为同一 金属层，这是为了明确测试目的，属于不同金属块堆叠单元的金属块
的宽度可以不同。相邻所述金属块堆叠单元之间的距离b2、 b3以及 所述金属块堆叠单元与所述金属探测垫组之间的萍离bl、 b4均大于 等于所在工艺的特征尺寸且小于等于30微米。在同一个测试结构下 布置多个所述金属块堆叠单元是因为在同 一金属层中的两个金属块 之间产生的由于CMP造成的侵蚀现象比较明显，但是如果相隔距离 过大就不会产生有效的所述侵蚀现象，具体间隔距离根据具体测试目 的确定。
第四，金属测试线13应该为两两对应平4亍分布，也就是说一 条第 一金属测试线组中的金属测试线要与 一条或者两条第二金属 测试线组中的金属测试线相互对应平行，反之亦然。这是因为发 生CMP所引起的金属碟陷和侵蚀的区域，通过积累的方式会使其 上层的相邻金属线之间产生桥接的现象，即短路现象。在做电学 特性测试的时候只要测量所述第一金属探测垫组lla和第二金属 探测垫组lib之间是否短路，就可以判定所述第一、第二金属测 试线组之间是否短路，从而判定是否出现了超过工艺标准的由于 CMP所引起的金属碟陷和侵蚀。这种短路也是可以通过现有的扫 描测试方法检测。根据不同的测试目的，设定所述金属测试线的 宽度d和相邻所述金属测试线的间距c。所述金属测试线的数目， 可根据测试要求和剩余区域的大小来决定。 一般情况下，同一所述测试结构只在同一金属层布置所述第一、 第二金属测试线组，以明确测试目的。所述金属测试线组通过金属块 堆叠单元12a、 12b、 12c的中心区域，以及跨过相邻所述金属块堆叠 单元的相邻区域。这些区域都是CMP造成的金属区碟陷和介质区侵 蚀主要出现的区域。
第五，在硅片上，根据剩余面积的大小，可以布置多个所述测试 结构，用于不同的测试目的。多个所述测试机构有时可以相互合并，如两个测试结构共同使用 一 组金属探测垫组，即所述两个测试结构只 包含三个金属探测垫组，此类结构不再累述。
所述测试结构可以用于铝布线工艺或铜布线工艺，以及所述测试 结构可以适用的其他任何金属，因为金属在进行CMP产生缺陷的方 式是相似的。 .
在本实施例中，采用0.13pm铜布线工艺，此测试结构用来测试 第一层金属层上的金属块经过CMP所产生的铜金属区碟陷对第四层 金属层上的铜布线产生的影响程度。
从图3中可以看到，第一铜金属探测垫组31a和第二铜金属探测 垫组31b中的所有铜金属探测垫宽度xl和长度yl均为70pm。在芯 片中的每一个金属层都布置相同大小的、相互重叠的、相互电连接的 所述铜金属探测垫。
此测试结构只包含一个铜金属块堆叠单元32,所述铜金属块堆 叠单元32包括从第一层金属层到第三层金属层中的三个连续的、相 互重叠的铜金属块，每个铜金属块的宽度m均为40pm，长度n均为 70(im,与同层铜金属探测垫的距离ebl和eb2均为19.5|im。
在第四层金属层上铺设了两个铜金属测试线组，每组各3条铜金 属测试线，线宽edl均为0.2pm,相邻金属测试线间距ecl均为0.2|im。 每个铜金属测试线组与所在层对应的铜金属探测垫相电连接。
根据不同测试目的，可以对所述测试结构稍作修改，如想要检测 第一层金属层的铜金属区碟陷对第五层金属层上的铜布线产生的影 响程度，可以在第四层金属层上继续铺设铜金属块，将测试铜金属线 组布置在第五层金属层上，以此类推。当然，铜金属块堆叠单元的最 下层也可以不从第一层金属层开始。
当所述测试结构生成之后，对其进行探针电学测试。两个探针分 别与芯片中最上层金属层的两个铜金属探测垫电连接，然后緩慢从O 伏到20伏增加(起始电压与终止电压可根据具体要求进行设定)所
10述两个探针之间的电压差，同时观察流过探针的电流值。如果所述电 流值一开始就很大，说明铜金属区碟陷影响严重；如果所述电流值始
终很小或为零，说明铜金属区碟陷影响非常小，或没有影响；如果当
所述电压差加大到一定数值的时候，所述电流值开始明显变化，可以 对铜金属区碟陷的影响程度进行评估。
在做好所述探针电学测试之后，还可以结合现有的扫描测试，对 铜金属区碟陷做进一 步检测。
[实施例2j
在本实施例中，采用0.13pm铜布线工艺，主要用于^r测第一层 金属层上CMP造成的介质区侵蚀对第五层金属层上的铜布线产生的 影响程度。
从图4中可以看到，第一铜金属探测垫组41a和第二铜金属探测 垫组41b中的所有铜金属探测垫宽度x2和长度y2均为70nm。在芯 片中的每一个金属层都布置相同大小的、相互重叠的、相互电连接的 所述铜金属纟笨测垫。
此测试结构包含4个铜金属块堆叠单元42a、 42b、 42c和42d, 每个铜金属块堆叠单元均包括从第一层金属层到第四层金属层中的 四个连续的、相互重叠的铜金属块，所述4个铜金属块堆叠单元中的 金属块长度nl为70(im，宽度ml、 m2、 m3、 m4分别为12jam、 15|im、 20|im、 30fim。所述铜金属块堆叠单元42a与所述铜金属块堆叠单元 42b的距离eb4为l(im,所述铜金属块堆叠单元42b与所述铜金属块 堆叠单元42c的距离eb5为2pm,所述铜金属块堆叠单元42c与所述 铜金属块堆叠单元42d的距离eb6为5pm,所述铜金属块堆叠单元 42a与所述第一铜金属4采测垫组41a的距离eb3为17.5fim，所述铜金 属块堆叠单元42d与所述第二铜金属探测垫组41b的距离eb7为 17.5|im。
在第五层金属层上铺设了两个铜金属测试线组，每组各3条铜金 属测试线，线宽ed2均为0.2pim，相邻金属测试线间距ec2均为0.2jam。
ii每个铜金属测试线组与所在层对应的铜金属探测垫相电连接。铜金属 测试线跨过相邻铜金属堆叠单元的相邻区域，从而达到测试介质区侵 蚀的目的。
同理，根据不同测试目的，可以对所述测试结构稍作修改，如想 要检测第一层金属层的介质区侵蚀对第六层金属层上的铜布线产生 的影响程度，可以在第五层金属层上继续铺设铜金属块，将测试铜金 属线组布置在第六层金属层上，以此类推。当然，铜金属块堆叠单元 的最下层也可以不从第一层金属层开始。
当所述测试结构生成之后，对其进行探针电学测试。两个探针分 别与芯片中最上层金属层的两个铜金属探测垫电连接，然后緩慢从0 伏到20伏增加所述两个探针之间的电压差，同时观察流过探针的电
流值。如果所述电流值一开始就很大，说明介质区侵蚀影响严重；如 果所述电流值始终很小或为零，说明介质区侵蚀影响非常小，或没有 影响；如果当所述电压差加大到一定数值的时候，所述电流值开始明 显变化，可以对介质区侵蚀的影响程度进行评估。当然，如果出现短 路现象，也可能是由于铜金属区碟陷产生，这一问题可以通过扫描检 测辅助判定，或者在剩余区域允许的情况下布置专门测试对应铜金属 区碟陷的测试结构，然后综合判定。
权利要求
1. 一种用于半导体制程中检测化学机械研磨造成的金属区碟陷和介质区侵蚀的测试结构，其特征在于，包括第一金属探测垫组，包括一个或相互电连接的多个金属探测垫；第二金属探测垫组，包括一个或相互电连接的多个金属探测垫；一个或多个金属块堆叠单元，所述金属块堆叠单元包括一层金属层上的金属块或连续几个金属层上的金属块；第一金属测试线组，包括一条或多条金属测试线，所述金属测试线一端与所述第一金属探测垫组电连接，一端空置；第二金属测试线组，包括一条或多条金属测试线，所述金属测试线一端与所述第二金属探测垫组电连接，一端空置；所述金属测试线组分布于所述金属块堆叠单元上方的相邻金属层；所述金属测试线之间互相平行。
2. 根据权利要求1所述的测试结构，其特征在于，其为铜或铝。， i曰.丄。私-七 1 A: n 三士 AA 、:m、1 一、》々4- 甘么t ^工 反工rHl
3.<formula>formula see original document page 2</formula>一个所述金属块堆叠单元的不同金属层上的所述金属块相互重叠，且互不电连接，其每一金属块的宽度大于等于0.1微米。
4. 根据权利要求1或2所述的测试结构，其特征在于，所述金 属测试线组通过所述金属块堆叠单元的中心区域，以及跨过相邻所述 金属块堆叠单元的相邻区域；其中，所述金属测试线的宽度大于等于所在工艺的特征尺寸且小 于等于IO微米；所述金属测试线间的间距大于等于所在工艺的特征 尺寸且小于等于30微米。
5. 根据权利要求3所述的测试结构，其特征在于，相邻所述金 属块堆叠单元之间的距离以及所述金属块堆叠单元与所述金属探测 垫组之间的距离均大于等于所在工艺的特征尺寸且小于等于30微 米。
6. 根据权利要求1或2中任一项所述的测试结构，其特征在于，所述第 一金属探测垫组的 一个金属探测垫和所述第二金属探测垫组 的 一 个金属探测垫位于所在芯片的最上层金属层中。
7. 根据权利要求6所述的测试结构，其特征在于，位于芯片最上层金属层中的所述金属探测垫的面积大于测试设备所允许的最小 可测面积、。
8. —种用于半导体制程中检测化学机械研磨造成的金属区碟陷 和介质区侵蚀的测试方法，其特征在于，包括如下步骤a. 制造权利要求1至7中任一项所述的测试结构；b. 通过所述测试结构来观测所述金属区碟陷和介质区侵蚀。
9、 根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述步骤b 包括使用探针接触所述第 一 、第二金属探测组来观'J量所述测试结构的 电学特性。
10、 根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述步骤b 包括使用探针扫描或电子扫描对所述观'J试结构进行扫描观观'J 。
全文摘要
一种检测CMP引起的碟陷和侵蚀的测试结构及方法，涉及半导体制程领域。所述检测结构包括第一和第二金属探测垫组，一个或多个金属块堆叠单元，第一和第二金属测试线组。所述测试结构设置在硅片上剩余区域，本发明通过电学特性测试方法对所述测试结构进行测试，从而达到检测碟陷和侵蚀的目的，具有快速、便捷、准确等优点。
文档编号H01L21/66GK101499458SQ20081003346
公开日2009年8月5日 申请日期2008年2月2日 优先权日2008年2月2日
发明者勇 刘, 曾坤赐, 王奇峰, 波 窦 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司