测试样品的表征方法与流程

1.本公开实施例涉及材料测试领域，尤其涉及一种测试样品的表征方法。


背景技术：

2.在微电子电路中，通常需要在半导体结构上形成金属布线，以将互相隔离的元件互连形成所需的电路。为满足互连工艺的要求，一般采用具有较低电阻率的金属互连材料，以实现与半导体结构之间较低阻值的欧姆接触。
3.传统的金属互连材料是铝。随着半导体制造技术的发展，以铝为材料的金属互连结构由于存在信号延迟等方面的局限性，已经逐渐被铜互连结构所取代。但是，金属铜(cu)极易被氧化，形成金属氧化物，导致金属互连结构的电阻增加，器件性能降低。因此，如何更好地表征金属互连结构，分析其组成成分以优化工艺步骤，成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供一种测试样品的表征方法，所述方法包括：
5.确定所述测试样品中的目标区域；其中，所述目标区域包括第一材料层和第二材料层，所述第一材料层包括第一元素，所述第二材料层包括所述第一元素，所述第一材料层和所述第二材料层不同；
6.对所述目标区域进行第一扫描，获得第一扫描图谱；
7.根据所述第一扫描图谱，确定所述第一元素的第一能量区间；
8.根据所述第一能量区间，对所述目标区域进行第二扫描，获得第二扫描图谱；其中，所述第二扫描的能量分辨率的数值小于所述第一扫描的能量分辨率的数值；
9.根据所述第二扫描图谱，确定所述第一材料层中所述第一元素的价态和所述第二材料层中所述第一元素的价态。
10.在一些实施例中，所述第二扫描图谱包括第一电离吸收谱和第二电离吸收谱；
11.所述根据所述第二扫描图谱，确定所述第一材料层中所述第一元素的价态和所述第二材料层中所述第一元素的价态，包括：
12.获取第一元素的单质的标准图谱；
13.在所述第一电离吸收谱与所述标准图谱基本相同时，确定所述第一材料层中所述第一元素的价态为零；
14.根据所述第一电离吸收谱确定第一电离特征峰，根据所述第二电离吸收谱确定第二电离特征峰；
15.获取所述第一电离特征峰位置的能量值和所述第二电离特征峰位置的能量值的差值，以确定所述第二材料层中所述第一元素的价态。
16.在一些实施例中，所述获取所述第一电离特征峰位置的能量值和所述第二电离特征峰位置的能量值的差值，包括：
17.根据所述第二扫描图谱，确定能量差分区间；其中，所述能量差分区间位于所述第
一能量区间内；
18.对所述能量差分区间内的第一电离吸收谱和第二电离吸收谱进行能量差分处理，以确定所述第一电离特征峰位置的能量值和所述第二电离特征峰位置的能量值。
19.在一些实施例中，所述能量差分区间包括：930ev至950ev。
20.在一些实施例中，所述第二材料层还包括与所述第一元素形成离子键的第二元素；所述方法还包括：
21.根据所述第一扫描图谱，确定所述第二元素的第二能量区间；
22.根据所述第二能量区间，对所述目标区域进行第三扫描，获得第三扫描图谱；
23.根据所述第三扫描图谱，确定所述第二材料层中所述第二元素的近边精细结构；
24.根据所述第二元素的近边精细结构，确定所述第二材料层中所述第一元素的价态。
25.在一些实施例中，所述方法还包括：
26.根据所述第一扫描图谱，获取所述目标区域的映射图像；
27.根据所述映射图像，测量所述第二材料层的厚度。
28.在一些实施例中，所述方法还包括：
29.对所述映射图像进行线性扫描，确定所述目标区域中所述第一元素的含量和所述第二元素的含量。
30.在一些实施例中，所述确定所述测试样品中的目标区域，包括：
31.获取所述测试样品在预设能量区间的第四扫描图谱；
32.根据所述第四扫描图谱，测量所述测试样品中多个区域的厚度；
33.获取每个区域的厚度与预设值的比值；
34.在所述比值满足预设范围时，确定所述目标区域。
35.在一些实施例中，所述预设范围包括：0.18至0.32。
36.在一些实施例中，所述第一元素包括：金属元素。
37.在一些实施例中，所述测试样品的厚度包括：30纳米至50纳米。
38.本公开实施例中，通过第一扫描图谱确定第一元素的第一能量区间，并在第一能量区间内进行第二扫描，由于第二扫描的能量分辨率的数值小于第一扫描的能量分辨率的数值，可获得关于第一元素的精细表征图谱，即第二扫描图谱。通过对第一元素的精细表征图谱进行分析，可确定第一材料层中第一元素的价态和第二材料层中第一元素的价态，进而确定目标区域的组成成分，有利于实现测试样品的精确表征。
39.此外，根据目标区域的组成成分，可及时地优化半导体制程的工艺参数，有利于提高半导体器件的性能。
附图说明
40.图1a和图1b是一种金属互连结构的表征图谱；
41.图2是根据本公开实施例示出的一种测试样品的表征方法的流程示意图；
42.图3是根据本公开实施例示出的一种测试样品的表征图谱一；
43.图4是根据本公开实施例示出的一种测试样品的表征图谱二；
44.图5是根据本公开实施例示出的一种测试样品的表征图谱三；
45.图6是根据本公开实施例示出的一种测试样品的拟合图谱；
46.图7是根据本公开实施例示出的一种测试样品的表征图谱四；
47.图8是根据本公开实施例示出的一种测试样品的表征图谱五；
48.图9是根据本公开实施例示出的一种测试样品的表征图谱六；
49.图10是根据本公开实施例示出的一种测试样品的表征图谱七。
具体实施方式
50.下面将结合附图和实施例对本公开的技术方案进一步详细阐述。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方法，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻的理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
51.在下列段落中参照附图以举例方式更具体的描述本公开。根据下面说明和权利要求书，本公开的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本公开实施例的目的。
52.可以理解的是，本公开的“在
……
上”、“在
……
之上”和“在
……
上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在
……
上”不仅表示其“在”某物“上”且其间没有居间特征或层(即直接在某物上)的含义，而且还包括在某物“上”且其间有居间特征或层的含义。
53.在本公开实施例中，术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
54.需要说明的是，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。
55.本公开所提供的系统或方法实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合。
56.在微电子电路中，金属铜(cu)由于电性良好和成本较低而得到广泛应用，例如，用作金属互连结构。然而，金属铜(cu)极易被氧化成氧化铜(cuo)或氧化亚铜(cu2o)，导致金属互连结构的电阻增加、器件性能降低。
57.图1a和图1b是相关技术中一种金属互连结构的表征图谱。图1a为金属互连结构的透射电镜(transmission electron microscope，tem)图谱，图1b为对图1a中虚线框区域扫描获得的元素分布(elemental mapping)图谱，结合图1a和图1b仅能获得金属互连结构中纳米尺度下对应的铜(cu)元素和氧(o)元素的分布，而难以在纳米尺度内区分其化学键型，进而无法区分金属互连结构内部的cu、cuo以及cu2o，导致无法分析金属互连结构的组成成分。
58.有鉴于此，本公开实施例提供一种测试样品的表征方法。
59.图2是根据本公开实施例示出的一种测试样品的表征方法的流程示意图。参照图2所示，该表征方法包括以下步骤：
60.s110：确定测试样品中的目标区域；其中，目标区域包括第一材料层和第二材料层，第一材料层包括第一元素，第二材料层包括第一元素，第一材料层和第二材料层不同；
61.s120：对目标区域进行第一扫描，获得第一扫描图谱；
62.s130：根据第一扫描图谱，确定第一元素的第一能量区间；
63.s140：根据第一能量区间，对目标区域进行第二扫描，获得第二扫描图谱；其中，第二扫描的能量分辨率的数值小于第一扫描的能量分辨率的数值；
64.s150：根据第二扫描图谱，确定第一材料层中第一元素的价态和第二材料层中第一元素的价态。
65.本公开实施例中，通过第一扫描图谱确定第一元素的第一能量区间，并在第一能量区间内进行第二扫描，由于第二扫描的能量分辨率的数值小于第一扫描的能量分辨率的数值，可获得关于第一元素的精细表征图谱，即第二扫描图谱。通过对第一元素的精细表征图谱进行分析，可确定第一材料层中第一元素的价态和第二材料层中第一元素的价态，进而确定目标区域的组成成分，有利于实现测试样品的精确表征。
66.此外，根据目标区域的组成成分，可及时地优化半导体制程的工艺参数，有利于提高半导体器件的性能。
67.图3至图10是执行图2的表征方法的过程中所涉及的图谱。以下结合图2至图10对本公开的表征方法进行详细说明。
68.首先，执行步骤s110：确定测试样品中的目标区域；其中，目标区域包括第一材料层和第二材料层，第一材料层包括第一元素，第二材料层包括第一元素，第一材料层和第二材料层不同。
69.示例性地，测试样品内形成有金属互连结构，测试样品至少包括金属层，测试样品还可包括其它材料层，例如，介质层、隔离层、粘附层等。测试样品可以是完整的半导体器件，也可以是切割后的半导体器件的一部分，还可以是在半导体器件形成过程中的半成品结构。可通过化学减薄、电解双喷、解理、超薄切片、粉碎研磨、聚焦离子束(focused ion beam，fib)、机械减薄和离子减薄等方法制备测试样品。
70.示例性地，目标区域为测试样品中需要进行分析的区域，至少包括第一材料层和第二材料层。在一示例中，测试样品包括金属互连结构，相应地，目标区域至少包括金属层以及金属氧化物层，第一材料层可以是金属层、第二材料层可以是金属氧化物层，或，第一材料层可以是金属氧化物层、第二材料层可以是金属层。
71.可以理解的是，第一材料层和第二材料层均包括金属元素，第一材料层和第二材料层的组成成分不同。可通过测试样品的透射电镜(tem)图谱、能量过滤成像(energy-filter transmission electron microscope tem，eftem)图谱或电子能量损失(electron energy loss spectroscopy，eels)图谱确定测试样品中的目标区域。
72.在一些实施例中，第一元素包括：金属元素。例如，铜、铝、钽、铂、钨等。在本示例中，第一元素为铜。
73.然后，执行步骤s120：对目标区域进行第一扫描，获得第一扫描图谱。
74.示例性地，可通过对目标区域进行采集(即第一扫描)，获得第一扫描图谱。具体地，在确定出测试样品中的目标区域后，利用透射电子显微镜向目标区域的表面投射电子束，电子束与目标区域中的元素相互作用，电子束发生非弹性散射，通过在能量差分谱仪中检测非弹性散射的入射电子，获取目标区域中的元素的电子能量损失(eels)图谱。
75.第一扫描的工作参数包括扫描区间和能量分辨率的数值，第一扫描的扫描区间包
括：200ev至3200ev，第一扫描的能量分辨率的数值包括：1ev/channel至3ev/channel。
76.示例性地，透射电子显微镜可在200ev至3200ev的扫描区间以及能量分辨率的数值为1.5ev/channel的工作参数下，对形成有铜互连结构的测试样品的目标区域进行采集，获得如图3所示的第一扫描图谱，第一扫描图谱中示出了碳(c)的k峰、氮(n)的k峰、氧(o)的k峰、铜(cu)的l峰、钽(ta)的m峰以及硅(si)的k峰，这表明该目标区域中包括：碳元素、氮元素、氧元素、铜元素、钽元素以及硅元素。
77.接下来，执行步骤s130：根据第一扫描图谱，确定第一元素的第一能量区间。
78.示例性地，根据第一扫描图谱可确定目标区域中的各个元素的能量损失(energy loss)区间，并将某一元素的能量损失区间作为该元素的第一能量区间。应当理解的，第一能量区间位于第一扫描的扫描区间内，即第一能量区间内的最小能量值大于或等于第一扫描的扫描区间内的最小能量值，第一能量区间内的最大能量值小于或等于第一扫描的扫描区间内的最大能量值。
79.示例性地，参照图3所示，根据第一扫描图谱可确定碳(c)的k峰的能量损失区间位于250ev至350ev之间，氮(n)的k峰的能量损失区间位于300ev至500ev之间，氧(o)的k峰的能量损失区间位于500ev至600ev之间，铜(cu)的l峰的能量损失区间位于900ev至1100ev之间，钽(ta)的m峰的能量损失区间位于1700ev至1800ev之间，硅(si)的k峰的能量损失区间位于1800ev至1900ev之间。
80.需要指出的是，当需要对目标区域内的某一元素进行精细表征时，可将该元素的能量损失区间作为第一能量区间。本示例中可将铜的l峰的能量损失区间作为第一能量区间，并对目标区域内的铜元素进行精细表征。在其它示例中，可将其它元素的能将损失区间作为第一能量区间，并对目标区域内的其它元素进行精细表征。
81.接下来，执行步骤s140：根据第一能量区间，对目标区域进行第二扫描，获得第二扫描图谱；其中，第二扫描的能量分辨率的数值小于第一扫描的能量分辨率的数值。
82.示例性地，可基于步骤130中确定的第一能量区间对目标区域再次采集(即第二扫描)，获得第二扫描图谱。
83.第二扫描的工作参数包括扫描区间和能量分辨率的数值，第二扫描的扫描区间包括：第一元素的第一能量区间，第二扫描的能量分辨率的数值包括：0.1ev/channel至0.3ev/channel。
84.示例性地，透射电子显微镜可在铜的第一能量区间(即900ev至1100ev的扫描区间)以及能量分辨率的数值为0.15ev/channel的工作参数下，对形成有铜互连结构的测试样品的目标区域再次采集，获得如图4所示的第二扫描图谱，第二扫描图谱中示出了铜的l峰。
85.最后，执行步骤s150：根据第二扫描图谱，确定第一材料层中第一元素的价态和第二材料层中第一元素的价态。
86.在一些实施例中，第二扫描图谱包括第一电离吸收谱和第二电离吸收谱；
87.根据第二扫描图谱，确定第一材料层中第一元素的价态和第二材料层中第一元素的价态，包括：
88.获取第一元素的单质的标准图谱；
89.在第一电离吸收谱与标准图谱基本相同时，确定第一材料层中第一元素的价态为
零；
90.根据第一电离吸收谱确定第一电离特征峰，根据第二电离吸收谱确定第二电离特征峰；
91.获取第一电离特征峰位置的能量值和第二电离特征峰位置的能量值的差值，以确定第二材料层中第一元素的价态。
92.示例性地，可选取第二扫描图谱中特定位置的图谱进行放大，并对放大后的图谱进行分析，特定位置的选取可根据具体元素的内壳层电子被电离的最小能量值(ec)确定，本公开在此不做限制。
93.示例性地，基于图4可确定铜的l峰被电离的最小能量值位于925ev至935ev区间内，为了获得关于铜的l峰的多个价电子轨道的信息，可在图4中选取位于925ev至975ev区间内的图谱进行放大，获得如图5所示的第二扫描图谱的放大图谱。
94.示例性地，第二扫描图谱包括第一电离吸收谱和第二电离吸收谱，第一电离吸收谱和第二电离吸收谱仅是为了区分第二扫描图谱中的电离吸收谱的位置上的不同，而不用于描述特定的先后顺序。
95.可以理解的是，第一电离吸收谱可以是第一材料层的电离吸收谱、第二电离吸收谱可以是第二材料层的电离吸收谱，或，第一电离吸收谱可以是第二材料层的电离吸收谱、第二电离吸收谱可以是第一材料层的电离吸收谱。在图5所示的示例中，第一材料层的电离吸收谱标记为第一电离吸收谱，第二材料层的电离吸收谱标记为第二电离吸收谱。
96.示例性地，参照图5所示，可获取铜单质电子能量损失的标准图谱，将第一电离吸收谱中铜的l3电离峰、峰b、峰c以及铜的l2电离峰与标准图谱中相应位置的电离峰进行比对，在第一电离吸收谱与标准图谱基本相同时，确定第一材料层中铜元素的价态为零，即第一材料层为铜层，第二材料层为铜的氧化物层。
97.在其它实施例中，在第二电离吸收谱与标准图谱基本相同时，确定第二材料层中铜元素的价态为零，即第二材料层为铜层，第一材料层为铜的氧化物层。
98.需要强调的是，这里基本相同表示的是第一电离吸收谱或第二电离吸收谱与标准图谱完全相同，或，第一电离吸收谱或第二电离吸收谱与标准图谱之间的偏差非常小，可忽略不计。
99.示例性地，参照图5所示，在确定第一材料层中铜元素的价态为零后，需进一步确定第二材料层中铜元素的价态，以确定金属互连结构的组成成分。如图5所示，第一电离吸收谱中铜的l3电离峰和第二电离吸收谱中铜的l3电离峰之间存在偏差，根据该偏差可确定第二材料层中铜元素的价态。
100.具体地，获取第一电离吸收谱中铜的l3电离峰(即第一电离特征峰)位置的能量值e1，获取第二电离吸收谱中铜的l3电离峰(即第二电离特征峰)位置的能量值e2，根据e1和e2的差值，确定第二材料层中铜元素的价态。
101.需要强调的是，第一电离特征峰和第二电离特征峰表示的是不同价态的铜元素的内壳层电子被激发后的电离损失峰，这里以铜作为第一元素为示例进行说明。然而，本公开并不限于此，在其它的实施例中，可根据具体元素的内壳层电子被激发后获得的第二扫描图谱确定其电离损失峰的位置，本公开在此不作具体限制。
102.在一些实施例中，获取第一电离特征峰位置的能量值和第二电离特征峰位置的能
量值的差值，包括：
103.根据第二扫描图谱，确定能量差分区间；其中，能量差分区间位于第一能量区间内；
104.对能量差分区间内的第一电离吸收谱和第二电离吸收谱进行能量差分处理，以确定第一电离特征峰位置的能量值和第二电离特征峰位置的能量值。
105.示例性地，基于图4可确定第一电离特征峰和第二电离特征峰均位于930ev至940ev的区间内，可将该区间作为能量差分区间，应当理解的，能量差分区间位于第一能量区间内，即能量差分区间内的最小能量值大于或等于第一能量区间内的最小能量值，能量差分区间内的最大能量值小于或等于第一能量区间内的最大能量值。
106.示例性地，参照图6所示，通过对能量差分区间内的第一电离吸收谱和第二电离吸收谱进行能量差分处理，可看出第二电离特征峰相对第一电离特征峰向高能量位置偏移0.3ev，即电离第二材料层中未知价态的第一元素需要更高的能量，由于cu
+
相较于cu
2+
更稳定，因此，电离cu
+
的内壳层电子需要更高的能量，进而确定第二材料层的铜元素为+1价，即第二材料层为氧化亚铜。
107.本公开实施例中，通过能量差分处理可精确分析第二材料层中第一元素的价态，进而精确确定测试样品的组成成分，有利于提高测试样品的表征精度。
108.在一些实施例中，能量差分区间包括：930ev至950ev。例如，930ev至940ev。
109.在一些实施例中，上述方法还包括：
110.根据第一扫描图谱，获取目标区域的映射图像；
111.根据映射图像，测量第二材料层的厚度。
112.示例性地，根据第一扫描图谱可确定目标区域中的各个元素的第一能量区间，在透射电子显微镜的能量过滤模式和第一能量区间下，将透射电子显微镜所产生的电子束，投射至目标区域的表面，可获得如图7所示的目标区域的映射图像。
113.示例性地，可利用fei软件对图7进行识别边界处理，获得如图8所示的图谱，根据图8可确定测试样品中氧化亚铜的厚度。在一示例中，测得的氧化亚铜的厚度为8.4nm。
114.可以理解的是，根据本公开实施例的表征方法可确定金属互连结构的组成成分中包括氧化亚铜，还可精确表征金属互连结构中氧化亚铜的分布和厚度，根据该精确表征获得的信息可对金属互连结构的制作工艺进行优化调整，减少金属互连结构被氧化的概率。
115.在一些实施例中，第二材料层还包括与第一元素形成离子键的第二元素；上述方法还包括：
116.根据第一扫描图谱，确定第二元素的第二能量区间；
117.根据第二能量区间，对目标区域进行第三扫描，获得第三扫描图谱；
118.根据第三扫描图谱，确定第二材料层中第二元素的近边精细结构；
119.根据第二元素的近边精细结构，确定第二材料层中第一元素的价态。
120.示例性地，参照图3所示，根据第一扫描图谱可确定目标区域还包括与金属元素形成离子键的非金属元素，将非金属元素的能量损失区间作为第二能量区间，对目标区域又一次采集(即第三扫描)，获得第三扫描图谱。
121.第三扫描的工作参数包括扫描区间和能量分辨率的数值，第三扫描的扫描区间包括：第二元素的第二能量区间，第三扫描的能量分辨率的数值包括：0.1ev/channel至
0.3ev/channel。
122.示例性地，透射电子显微镜可在氧的第二能量区间内(例如，520ev至550ev)以及能量分辨率的数值为0.15ev/channel的工作参数下，对形成有铜互连结构的测试样品的目标区域又一次采集，获得如图9所示的第三扫描图谱，根据图9中氧元素的近边精细结构(elnes)，可进一步的确定第二材料层的铜元素为+1价。
123.本公开实施例中，通过获取与第一元素形成离子键的第二元素的电子能量损失的精细图谱，根据该精细图谱中第二元素的近边精细结构，可进一步的确定第二元素与第一元素的键合方式，确定第二材料层中第一元素的价态。
124.在一些实施例中，上述方法还包括：
125.对映射图像进行线性扫描，确定目标区域中第一元素的含量和第二元素的含量。
126.示例性地，可沿图7中箭头所示的方向对映射图像进行线性扫描，获得如图10所示的元素含量分布图谱，虽然图10中仅示出了目标区域中碳元素、氧元素以及铜元素的含量，应当理解的，还可获得目标区域中钽元素、氮元素以及硅元素的含量。在图10所示的示例中，氧元素的含量约为28％，其波动范围为
±
10％。
127.需要指出的是，定量分析(即线性扫描)由于外推窗口，定量模型的选择，及汇聚角和收集半角的校准存在一定的误差，误差范围为
±
10％。该误差范围可以通过优化相机长度，聚光镜的大小，定量模型，以及校准汇聚和收集半角进行进一步缩小。
128.在一些实施例中，上述确定测试样品中的目标区域，包括：
129.获取测试样品在预设能量区间的第四扫描图谱；
130.根据第四扫描图谱，测量测试样品中多个区域的厚度；
131.获取每个区域的厚度与预设值的比值；
132.在比值满足预设范围时，确定目标区域。
133.示例性地，透射电子显微镜可在低能损失区间对测试样品进行采集，获得测试样品的低能损失图谱，根据低能损失图谱测量测试样品中各个区域的介质层(例如，氧化硅)的厚度t，其中包括有金属元素(例如，铜)的目标区域的厚度近视于氧化硅的厚度t，具体可采用log-ratio方法，确定各个区域的厚度t与预设值λ的比值，在某个区域的厚度t与预设值λ的比值满足预设范围时，确定该区域为目标区域。这里，λ为介质材料的平均自由程，可根据测量或查找相关经验值获得。
134.在一些实施例中，预设能量区间包括：0ev至50ev。
135.在一些实施例中，上述预设范围包括：0.18至0.32，即某个区域的厚度t与预设值λ的比值在0.18至0.32的区域作为目标区域。
136.在一些实施例中，测试样品的厚度包括：30纳米至50纳米。
137.需要指出的是，金属互连结构通常位于介质层或绝缘层(例如，二氧化硅)中，绝缘层中氧元素的信号可能会产生干扰，本公开实施例中，通过将测试样品的厚度设置在30纳米至50纳米之间，可排除目标区域外的其它材料层中氧元素的干扰，进而实现测试样品的精确表征。
138.以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。