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Dokumentenidentifikation DE112005001583T5 16.05.2007
Titel Kupfermetallisierungs-Analysesystem und -verfahren unter Verwendung von Röntgenfluoreszenz
Anmelder Xradia, Inc., Concord, Calif., US
Erfinder Yun, Wenbing, Walnut Creek, Calif., US;
Wang, Yuxin, Arlington Heights, Ill., US;
Feser, Michael, Walnut Creek, Calif., US;
Nill, Kenneth W., Lexington, Mass., US
Vertreter HUBER & SCHÜSSLER, 81825 München
DE-Aktenzeichen 112005001583
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 08.07.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/US2005/024463
WO-Veröffentlichungsnummer 2006010091
WO-Veröffentlichungsdatum 26.01.2006
Date of publication of WO application in German translation 16.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/66(2006.01)A, F, I, 20050708, B, H, DE

Beschreibung[de]
VERWANDTE ANMELDUNGEN

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität unter § 35 USC 119(e) der provisorischen Anmeldung Nr. 60/586,835, eingereicht am 09. Juli 2004, welche hierin durch Bezug vollinhaltlich einbezogen wird.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die leitfähigen Schichten oder Verbindungen in Halbleitervorrichtungen werden üblicherweise aus Aluminium, Gold oder Wolfram gebildet. In letzter Zeit haben sich die Bemühungen jedoch darauf fokussiert, auf Kupfer überzugehen. Kupfer leitet Elektrizität mit ungefähr der Hälfte des Widerstands vor Aluminium. Dies kann direkt in Geschwindigkeitserhöhungen von Mikroprozessoren übersetzt werden, die Kupferleiter anstatt von Aluminium verwenden. Auch ist bei hohen Stromdichten Kupfer weit weniger anfällig gegenüber einer Elektromigration als Aluminium, was die Bewegung individueller Atome durch einen Leiter ist, die durch hohe elektrische Ströme bewirkt wird. Dieser Ablauf kann zur Bildung von Poren führen und letztendlich zu Brüchen in den Leiterspuren.

Eine Hauptherausforderung bei der Verwendung von Kupfer für Verbindungen betrifft seine chemischen Eigenschaften. Es diffundiert einfach in Silizium, wodurch es die elektrischen Eigenschaften von Silizium dergestalt ändert, dass es Transistoren, die im Silizium ausgebildet sind, daran hindert, richtig zu funktionieren.

Das Kupferdiffusionsproblem wird typischerweise durch eine Verwendung von Kombinationen dünner Sperrschichten und Galvanisierung angesprochen, was die Abscheidung dünner Saatschichten benötigt. Während sie dünn sind, müssen diese Schichten auch gleichmäßig und ungebrochen insbesondere in den Bereichen sein, in welchen die Spuren der Verbindungen zu bilden sind.

Ein Standardablauf zum Herstellen der Kupferverbindungen in der Halbleiterindustrie wird oft als der Damaszenerablauf bezeichnet. Er beginnt mit dem Substrat aus Siliziumoxid (SiO2) oder Low-k-Dielektrika, die auf einem Siliziumwafersubstrat abgeschieden worden sind oder darauf aufgewachsen worden sind. Dann werden Gräben für die Verbindungen unter Verwendung eines lithographischen Prozesses hergestellt. In und um die Gräben herum wird dann eine dünne Schicht eines Diffusionssperrmaterials abgeschieden. Typischerweise ist dieses Sperrmaterial Titan (Ti), Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN) oder Tantalsiliziumnitrid (TaSiN), welches mittels CVD abgeschieden worden ist. Die Dicke dieser Sperrschicht beträgt typischerweise zwischen 1 und 5 Nanometern (nm) und dient dazu, das folgend aufgebrachte Kupfer daran zu hindern, in das Substrat zu diffundieren. Um das Kupfer abzuscheiden, wird eine dünne Schicht von Kupfer zunächst auf der Sperrschicht abgeschieden. Diese dünne Schicht wird dazu verwendet, elektrische Verbindungen zur Bildung der Kupferverbindungen durch Galvanisierung zu etablieren. Die Dicke dieser Saatschicht beträgt üblicherweise zwischen 1 und 5 nm.

Die richtige Bildung der Sperr- und der Saatschichten ist im Herstellungsprozess kritisch. Viele übliche Schaltungsausfälle ergeben sich aus Defekten während der Abscheidung dieser zwei Schichten. Beispielsweise kann eine Ungleichförmigkeit in den Sperr- und den Saatschichten dazu führen, dass der Graben sich während des Galvanisierungsablaufs vorzeitig schließt. Dies wird zu einer Verbindungsspur führen, die einen hohen elektrischen Widerstand aufweist. Eine Pore oder eine Lücke in der Sperrschicht kann zu einer Diffusion des Kupfers von der Verbindung in die Substratschichten führen. Dieser Ablauf kann zu einer Leiterbahnunterbrechung führen, wenn das Kupfer verringert oder abgebaut wird, oder zu einem Kurzschluss zu benachbarten Spuren oder Leitungen im Kontext der Verbindung und die Dotierung, und kann daher die elektrischen Eigenschaften des darunterliegenden Siliziums negativ beeinflussen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum Durchführen einer Überprüfungs- und von Messtechnikarbeitsschritten an Metallisierungsabläufen bzw. -prozessen wie an einer BEOL („back-end-of-line")-Metallisierungsdicke und Schrittabdeckung. Bestimmte Beispiele umfassen Messungen der Dicke und Gleichförmigkeit von Sperrschichten, einschließlich beispielsweise von Tantal, und Saatschichten, einschließlich beispielsweise von Kupfer, in Damaszener-, einschließlich Zweifachdamaszener-, Gräben während der Verbindungsherstellungsschritte einer Produktion integrierter Schaltungen. Die Erfindung betrifft auch die Erfassung und Messung einer Porenbildung während und nach der Kupfergalvanisierung. Die Erfindung verwendet eine Röntgenfluoreszenz, um die absolute Dicke und die Dickengleichförmigkeit der Sperrschichten in den Gräben zu messen, als auch der Kupfersaatschichten zum Galvanisieren und der endgültigen Kupferverbindungen.

Allgemein gemäß einem Gesichtspunkt weist die Erfindung ein System zum Analysieren von Gräben bei der Kupferverbindungsherstellung in Halbleitervorrichtungen auf. Das System weist eine Anregungsquelle zum Erzeugen von Anregungsstrahlung auf, um eine Erzeugung von Röntgenfluoreszenzstrahlung von den Materialschichten in oder um die Gräben herum zu induzieren, und einen Detektor zum Erfassen der Fluoreszenzstrahlung.

Allgemein gemäß einem Gesichtspunkt weist die Erfindung ein Verfahren zum Analysieren von Gräben bei der Kupferverbindungsherstellung in Halbleitervorrichtungen auf. Das Verfahren weist ein Erzeugen einer Anregungsstrahlung auf, um eine Röntgenfluoreszenzstrahlung von Materialschichten in oder um die Gräben herum zu induzieren und die Fluoreszenzstrahlung zu erfassen.

Allgemein gemäß einem weiteren Gesichtspunkt weist die Erfindung ein Verfahren zum Analysieren einer Diffusionssperre oder von dielektrischen Zwischenlagen in Halbleitervorrichtungen auf. Dieses Verfahren weist ein Erzeugen von Strahlung auf, um eine Röntgenfluoreszenzstrahlung von der Diffusionssperre oder den dielektrischen Zwischenschichten zu erzeugen, als auch ein Erfassen der Fluoreszenzstrahlung.

Die obigen und weiteren Merkmale der Erfindung, einschließlich verschiedener neuartiger Details im Aufbau und der Kombination von Teilen, und andere Vorteile, werden nun genauer mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen und aufgezeigt in den Ansprüchen beschrieben. Es sollte verständlich sein, dass das bestimmte Verfahren und die bestimmte Vorrichtung, welche die Erfindung verkörpern, nur illustrativ gezeigt sind und nicht als Beschränkung der Erfindung gemeint sind. Die Grundsätze und Merkmale dieser Erfindung können in verschiedenen und vielen Ausführungsformen verwendet werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den beiliegenden Zeichnungen beziehen sich Bezugszeichen durch die unterschiedlichen Ansichten hindurch auf gleiche Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; die Betonung hat vielmehr darauf gelegen, die Grundzüge der Erfindung darzustellen. Zu den Zeichnungen:

1 ist eine schematische Ansicht eines Fluoreszenzanalysesystems zum Untersuchen und zur Messtechnik von Sperrschichten, Saatschichten und endgültigen Kupferverbindungsschichten in einem Damaszenerablauf;

2 ist eine Fresnelzonen-Plattenlinse;

3A und 3B sind schematische Querschnittsansichten, welche die Bildung von Kupferverbindungen unter Verwendung des Damaszenerablaufs darstellen, der bei der Bildung einer Metallisierung, wie beispielsweise als Kupferverbindungen, verwendet wird;

4A und 4B sind Querschnittsansichten der Damaszenergräben, welche Fehler bzw. Defekte in der Schichtabscheidung darstellen;

5 und 6 sind schematische Seitenansichten, welche die Verwendung des Fluoreszenzanalysesystems darstellen, um Gräbenseitenwände zu untersuchen;

7 ist eine schematische Seitenansicht, welche die Verwendung des Fluoreszenzanalysesystems darstellt, um Gräbenböden zu untersuchen;

8 ist eine schematische Seitenansicht, welche die Verwendung des Fluoreszenzanalysesystems darstellt, um Kupferverbindungen auf Poren zu analysieren;

9 ist eine schematische Seitenansicht, die ein Mehrfachdetektor-Fluoreszenzanalysesystem darstellt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf ein Röntgenfluoreszenzmetallisierungsanalysesystem für die Überprüfung und die Messtechnik der Sperr- und Saatschichten für Metallisierungsprozesse, wie beispielsweise während und nach einem Damaszenerprozess. Sie bezieht sich auch auf die Erfassung, Messung und andere Eigenschaften von Porenbildung während und nach der Abscheidung, wie beispielsweise durch Galvanisierung, von Verbindungsstrukturen, wie beispielsweise Verbindungen, die aus Kupfer gebildet werden.

1 zeigt ein Röntgenmetallisierungsanalysesystem 100, das gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung aufgebaut worden ist.

Das System 100 umfasst ein Anregungssystem 102, das eine Anregungsquelle 110 aufweist. Diese Anregungsquelle 110 erzeugt einen Strahlungsstrahl, der dazu verwendet wird, die Röntgenfluoreszenzemissionen von der Probe oder Vorrichtung unter Analyse 10 zu erzeugen.

Typischerweise ist die Anregungsstrahlung 112 entweder eine Röntgenstrahlung oder ein Elektronenstrahl. Die Elektronenquelle umfasst thermoionische Quellen und Feldemissionsquellen. Praktisch fokussierte Elektronenanregungspunktgrößen befinden sich in einem Bereich von 1 Mikrometer (&mgr;m) bis 1 Millimeter (mm). Feinere Strahlgrößen mit 1 &mgr;m bis 1 nm können ebenfalls verwendet werden. Sie werden typischerweise über das Sichtfeld des Röntgenbildgebungssystems abgefahren. Praktische Beispiele von Elektronenquellen umfassen Elektronenkanonen, Rasterelektronenmikroskope und Elektronensonden und Mikrosonden, die in den Oberflächenwissenschaften verwendet werden. Typische Röntgenquellen umfassen Elektronenbeschussquellen (einschließlich von Drehanoden-, Mikrofokus- und Röhrenquellen), Gasentladungsquellen, Laserplasmaquellen und Synchrotronstrahlungsquellen. Typische Ziele bzw. Targets für eine Elektronenbeschussquelle umfassen Wolfram (W), Kupfer (Cu), Chrom (Cr) und Molybdän (Mo).

Die meisten interessierenden Elemente weisen Emissionslinien im Bereich von 0,2 bis 5 Kiloelektronenvolt (KeV) auf. Um eine Fluoreszenzemission effektiv zu induzieren, werden allgemein Elektronen- oder Röntgenstrahlen mit Energien zwischen 2 und 20 KeV benötigt. Beispielsweise ist bei der aktuellen Halbleiterherstellungstechnologie die Analyse von Tantal (Ta) der Sperrschicht und Kupfer (Cu) der Saatschicht kritisch. Deren Emissionswellenlänge beträgt 7,25 Å (1,71 KeV) bzw. 13,3 Å (0,93 KeV).

Allgemeiner gesprochen muss bei Elektronen die Energie oberhalb der Emissionsenergie des interessierenden Elements liegen. Die optimale Energie für eine maximale Fluoreszenzerzeugung beträgt ca. dreimal der Emissionsenergie. Dies gibt die eigentümlichste Emission im Vergleich zur Bremsstrahlungs-Hintergrundemission. Beispielsweise beträgt bei einer Kupfer-L-Linie bei 900 Elektronenvolt (eV) die optimale Anregungsenergie ca. 3 KeV. Diese Energie gibt auch eine gute Durchdringung. Es gibt eine empirische Formel für die ungefähre Sondentiefe: 0,077 × Energie3/2/Dichte [Energie] = KeV und [Dichte] = g/cm3. Daher würde ein Bereich von 1 bis 50 KeV für die meisten Anwendungen praktikabel sein.

Der Anregungsstrahl 112 wird vorzugsweise mit einer Linsenvorrichtung 114 auf die Probe 10 fokussiert, um einen konvergierenden Strahl 116 zu erzeugen.

Falls die Anregungsstrahlung 112 ein Elektronenstrahl ist, ist die Linsenvorrichtung 114 vorzugsweise elektronisch und magnetisch. Beispielsweise werden elektrostatische oder magnetische Optiken häufig dazu verwendet, die Elektronen auf einen schmalen Fleck 12 durch Erzeugen des fokussierten Strahls 16 zu fokussieren, der an der Probe 110 konvergiert.

Für den Fall, bei dem der Anregungsstrahl 112 eine Röntgenstrahlung ist, ist die Linsenvorrichtung dann ein Röntgenkondensor oder Fokussierungslinse, wie beispielsweise eine Zonenplattenlinse, eine (Verbund-)-Brechungslinse oder eine Reflektionslinse (einschließlich kapillarer oder Spiegel-Optiken).

In einem Beispiel ist die Röntgenlinsenvorrichtung 114 ein Kapillarkondensor, wie er in der US-Patentanmeldung Nr. 10/704,381 an Yun et al., eingereicht am 07. November 2003, betitelt „X-Ray Microscope Capillary Condenser System", beschrieben ist, welche Anmeldung hiermit durch Bezug vollinhaltlich einbezogen wird.

Alternativ wird das Röntgentarget der Quelle 110 in die Nähe der Probe 10 gesetzt, um die Notwendigkeit für eine Röntgenlinsenvorrichtung 114 zu beseitigen.

Ob Elektronen- oder Röntgen-Anregungsstrahlen 112 verwendet werden, die Anregungsfleckgröße 12 auf der Probe 10 muss vorzugsweise klein gehalten werden. Allgemein sollte seine Größe auf 1 bis 50 &mgr;m oder kleiner beschränkt werden. Der Strahlfleck beeinträchtigt die spektrale Auflösung. Als eine Daumenregel entspricht die spektrale Bandbreite ungefähr der Größe des Strahls, geteilt durch den Durchmesser der Objektivlinse.

Gemäß einer Anwendung befindet sich der Fleck 12 auf einer dünnen Metallschicht L, wie beispielsweise einer Tantalsperrschicht oder einer Kupfersaatschicht L der Probe 10. Allgemein ist das System 100 am relevantesten für dünne Metallschichten bzw. Metalldünnschichten, die eine Dicke von weniger als 100 nm aufweisen, und üblicherweise weniger als 20 nm, und sogar weniger als 10 nm.

In anderen Beispielen wird eine Röntgenfluoreszenzstrahlung von dielektrischen Zwischenschichten induziert.

Der beleuchtete Fleck 12 erzeugt Röntgenemissionen mit bestimmten Wellenlängen, die für die Elementzusammensetzung der Schicht L eigentümlich sind. Einige wenige Emissionswellenlängen für Elemente von Interesse sind die folgenden:

Die induzierte sekundäre oder Röntgenfluoreszenzemission 120 wird in der bevorzugten Ausführungsform dann auf einen Detektor 130 eines Detektorsystems 104 abgebildet. Eine Röntgenobjektivlinse 122 wird vorzugsweise verwendet, um diese Fluoreszenzemission 120 abzubilden.

In der bevorzugten Ausführungsform stellt die Röntgenstufe des Detektorsystems 104 eine Vergrößerung des Bildes bereit, um eine Auflösung zu verbessern. Insbesondere sind die Abstände zwischen der Probe 10, dem Objektiv 122 und dem Detektor 130 so, dass sich eine Vergrößerung ergibt. Vorzugsweise ist die Vergrößerungsleistung größer als 1,0, oder vorzugsweise größer als 1,5 bis 2, bis hoch zu 500 oder mehr.

Vorzugsweise umfasst der Detektor 130 ein Detektorelement 131, wie beispielsweise einen CCD („Charged Coupled Device"; ladungsgekoppelte Vorrichtung)-Chip oder -Kamera auf. Er weist auch vorzugsweise in einer Ausführungsform eine optische Vergrößerungsstufe 133 auf. Insbesondere werden die Röntgenstrahlen auf einen Szintillator 128 abgebildet, der die Röntgenstrahlen in Licht umwandelt. Der Detektor 130 vergrößert dann das optische Signal weiter, das durch den Szintillator in der optischen Stufe 133 erzeugt worden ist, wie beispielsweise ein Mikroskopobjektiv/Röhrenlinsen-System, welches dann das optische Signal am Detektorelement 131 abbildet.

In einigen Ausführungsformen kann eine rückbeleuchtete CCD-Kamera verwendet werden, um die Röntgenstrahlen direkt zu erfassen. Typische Bildpunktgrößen der CCD-Kamera betragen 5 bis 30 &mgr;m. Die Vergrößerung des Bildgebungssystems ist einfach das Verhältnis von der CCD-Bildpunktgröße zur vorgesehenen Bildpunktgröße der Probe. Beispielsweise wird, um eine Bildgebungsauflösung von 50 nm zu erreichen, eine 25 nm-Probenbildpunktgröße benötigt, um das Nyquist-Prinzip einzuhalten. Falls eine CCD-Kamera mit einer Bildpunktgröße von 13 &mgr;m verwendet wird, wird eine Vergrößerung von mindestens 520 in der Röntgenstufe benötigt. Bei diesem Aufbau beträgt der gesamte optische Pfad ca. 521 mm, falls die Zonenplatte eine Brennpunktweite von 1 mm aufweist.

Alternativ kann eine CCD-Kamera auch zusammen mit einem Szintillatorbildschirm und mit verschiedenen Arten von Optokopplern verwendet werden, einschließlich eines Mikroskopobjektivs und einem faseroptischen Kegel. Dies kann die Vergrößerung an der Röntgenstufe verringern und folglich die Größe des Systems. Falls bei dem gleichen Beispiel wie oben das Mikroskopobjektiv eine Vergrößerung von 20 aufweist, benötigt das Röntgensystem nur eine Vergrößerung von 26, und der Röntgenstrahlpfad kann auf 27 mm verringert werden.

Wenn er dazu verwendet wird, das Gesamtfluoreszenzsignal von einer gleichförmigen Fläche zu sammeln, kann ein Einzelelementdetektor, wie beispielsweise ein Photonenzählermodul oder eine PIN-Diode verwendet werden. Dieses System ist gut geeignet zum Messen der Gleichförmigkeit dünner Filme.

In einem Beispiel ist die optische Stufe aufgebaut wie in der US-Patentanmeldung Nr. 10/704,382 von Yun et al. Offenbart, die am 07. November 2003 eingereicht worden ist, betitelt „Szintillator Optical System and Method of Manufacture", welche hierin durch Bezug vollinhaltlich eingeführt wird.

Ein geeignetes Zonenplattenobjektiv 122 wird einen Durchmesser zwischen 10 &mgr;m und 1 mm aufweisen und eine äußerste Zonenbreite von weniger als 50 nm. Es wird typischerweise hergestellt aus verschiedenen Materialien, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Gold (Au), Kupfer (Cu), Tantal (Ta), Molybdän (Mo) und Nickel (Ni).

Ein mittiger Stoppbereich 132 an der Zonenplatte und eine Lochblende 124 nahe dem Detektor 130 werden hintereinander verwendet, um die gewünschte Wellenlänge auszuwählen. Der mittige Stoppbereich 132 und die Öffnung 126 der Lochblende 124 weisen typischerweise eine ähnliche Größe von 25% bis 75% des Durchmessers der Zonenplatte 122 auf. Der mittige Stoppbereich 132 verbessert ein Signal/Rausch-Verhältnis durch Abblocken von Röntgenstrahlen, die nicht durch die Zonenplatte gebeugt worden sind.

In einigen Fällen wird auch ein Monochromator oder ein Spektralfilter 134 verwendet. Er bzw. es wird zwischen die Probe 10 und den Detektor 30 in den optischen Pfad eingesetzt, um die Energieauflösung weiter zu erhöhen und die Empfindlichkeit in Bezug auf ein bestimmtes Material durch Ausfiltern oder Dämpfen von Röntgenstrahlen zu verbessern, die nicht Röntgenstrahlen mit der gewünschten Energie von dem Element von Interesse sind. Das Filter ist entweder in einer Reflektionsgeometrie oder einer Durchlass- bzw. Transmissionsgeometrie (gezeigt) angeordnet.

Nichtsdestotrotz stellt das System 100 inhärent einige Energieselektivität zur Verfügung. Als ein beugendes optisches Element ist die Zonenplatte 122 stark chromatisch. Folglich trennt die Zonenplatte 122, zusätzlich zum Bilden des Abbilds von der Röntgenemission 120 auf den Detektor 130 für Röntgenstrahlen der gewünschten Energie, auch das Spektrum durch Abbilden von Röntgenstrahlung mit unterschiedlichen Energien auf unterschiedliche Längsabstände. Falls beispielsweise die Probe 10, die Zonenplatte 122 und der Detektor 130 so angeordnet sind, dass sie die Cu-Emisson bei 13,3 Å fokussieren, wird eine Emission aus der gleichen Probenfläche mit anderen Energien außerfokal sein oder mit einer geeigneten Öffnungsstellung zurückgewiesen werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Öffnungseinstellen durch die Lochblendenplatte 124 durchgeführt.

Die Lochblende 124 umfasst eine Lochblendenöffnung 126, die so groß eingestellt ist, dass sie den Durchgang des konvergierenden Strahls 118 erlaubt, der den Röntgenstrahlen der gewünschten Energie entspricht. Insbesondere sind dies diejenigen Energien, die sich aus der Fluoreszenz des Elements von Interesse ergeben. Röntgenstrahlen höherer Energie 115 werden weiterhin durch das Objektiv 122 konvergiert. Das Röntgenobjektiv ist jedoch für diese höherenergetischen Röntgenstrahlen 115 nicht so effektiv. Sie werden daher durch den festen Teil der Lochblendenplatte 124 aufgehalten.

Der Winkel &thgr; zwischen der optischen Achse 30 des Anregungsstrahls 116 und der optischen Achse 32 des Detektorsystems 104 ist vorzugsweise klein. Allgemein liegen praktische Werte für den Winkel &thgr; zwischen 0 und 60 Grad. Jedoch sind in vielen Anwendungen, wie beispielsweise dem Analysieren von Damaszenergräben, kleinere Winkel vonnöten, so dass der Winkel &thgr; weniger als 15 Grad beträgt. Beispielsweise weisen die Gräben hohe Längen- bzw. Seitenverhältnisse auf, und zwar von ca. 10:1 bei einigen Verbindungen auf einem niedrigen Niveau. Dies beschränkt den Bildgebungswinkel auf weniger als 10 Grad oder auf ca. 6 Grad, oder weniger. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die optische Anregungsachse 30 und die optische Detektorachse 32 koaxial und zur Oberfläche der Probe 10 normal angeordnet. Idealerweise sollte zumindest die optische Detektorachse 32 normal zur Oberfläche der Probe 10 stehen, um die Probenfläche im Brennpunkt zu halten, da der interessierende Bereich, wenn er geneigt wird, eine unterschiedliche Brennweite zur Linse aufweisen wird. Daher besteht ein Badarf daran, den Winkelversatz mit einem Instrumentierungsentwurf zu minimieren.

2 zeigt eine beispielhafte Zonenplatten-Objektivlinse 122. Sie ist eine beugende abbildende Optik mit einem Satz konzentrischer Ringe mit der Ring(Zonen-)Breite abnehmend mit Radien, die definiert werden durch r2n = n&lgr;fZ + an2&lgr;2,(1) wobei n der Zonennummernindex ist und fZ die Brennweite ist und a = 0,25 zum Abbilden eines Objekts im Unendlichen oder bei einer großen Vergrößerung verwendet wird.

In einer Version wechseln sich diese Ringe zwischen einem transparenten und einem undurchsichtigen Material ab. Auf diese Art blockieren die undurchsichtigen Ringe Licht, das am Brennpunkt außer Phase in Bezug auf das Licht ankommen würde, welches durch die transparenten Bereiche hindurchläuft. Solche Zonenplatten, Amplitudenzonenplatten genannt, weisen einen theoretischen maximalen Wirkungsgrad von ca. 10% auf.

Statt undurchsichtigen Ringen wird in anderen Versionen ein Phasenverschiebungsmaterial verwendet. Die Materialdicke wird so ausgewählt, dass sie die Phase des Lichts um &pgr; verschiebt. Dies führt zu einer Phasenzonenplatte mit einem theoretischen maximalen Wirkungsgrad von ca. 40%.

Die Amplituden- und die Phasenzonenplatte sind beides aufgrund ihres binären Zonenprofils binäre Zonenplatten. Alternativ kann das rechteckige Profil einer Phasenzonenplatte ersetzt werden durch ein graduelles Profil, das den genauen Phasenfehler an jedem Punkt der Linse verschiebt. Die sich ergebende kontinuierliche Zonenplatte, welche ein extremer Fall einer Fresnel-Linse ist, weist einen theoretischen maximalen Wirkungsgrad von 100% auf.

Zonenplatten verhalten sich wie Linsen mit einer Brennweite von wobei 2R der Durchmesser der Zonenplatte und &Dgr;R die Breite der feinsten äußersten Zone ist. Die mittels des Rayleigh-Kriteriums gemessene Auflösung beträgt 1,22 &Dgr;R, was etwas höher ist als die äußere Zonenbreite. In der Praxis sind Zonenbreiten so klein wie &Dgr;R = 20 nm für eine Röntgenstrahlung mit &lgr; = 2 bis 5 nm hergestellt worden, was eine Auflösung von besser als 25 nm ergibt, während die Zonenbreiten von &Dgr;R = 40 nm für eine Strahlung mit kürzerer Wellenlänge (&lgr; < 0,5 nm) verwendet worden sind. Daher ist das offenbarte System in der Lage, Auflösungen in der Größenordnung von zehn(en) Nanometern zu erreichen.

Der Lochblendendurchmesser einer Zonenplatte kann einfach abgeleitet werden aus der Beugungstheorie zu: NA = &lgr;/2&Dgr;R.(3)

Dies ist üblicherweise eine sehr kleine Zahl. Wenn beispielsweise eine Zonenplatte mit einer äußeren Zonenbreite von 30 nm verwendet wird, beträgt bei einer Bildkupferemission von 1,33 nm Wellenlänge die sich ergebende numerische Apertur 0,022 oder einen vollen Kegelwinkel von 2,5 Grad. Daher ist der durch die Zonenplatten abgebildete Strahl ein scharfer „Strichstrahl". Der wichtige Vorteil dieser Eigenschaft ist, dass er dazu verwendet werden kann, in sehr enge Öffnungen hineinzuspüren, wie beispielsweise bei hohen Gräben mit sehr hohen Längenverhältnissen.

Da eine Zonenplatte mit ihren Beugungseigenschaften fokussiert, hängt der Beugungswinkel und folglich die Fokussierstärke stark von der Wellenlänge ab. Dies bedeutet, dass eine Zonenplatte hochgradig chromatisch ist und die Zahl der Zonen N die benötigte Beleuchtungsmonochromatizität, oder spektrale Bandbreite, bestimmt:

Die chromatische Aberration ist allgemein eine negative Eigenschaft für Anwendungen mit einem breitbandigen Röntgenspektrum. Man kann jedoch auch einen Vorteil aus dieser Eigenschaft ziehen, um eine Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge unabhängig abzubilden. Effektiv kann die Zonenplatte 122 dazu gebracht werden, gleichzeitig eine Bildgebungs- und eine spektrale Filterfunktion durchzuführen. Die simultanen Bildgebungs- und Spektralfilterfähigkeiten machen das System 100 zu einem mächtigen Werkzeug in einer Zahl von Anwendungen, bei denen eine hohe Auflösung und eine elementspezifische Bildgebung gewünscht wird.

In einer ersten Anwendung wird das System 100 dazu verwendet, die absolute Dicke eines dünnen Metallfilms L (zum Beispiel der Sperrschicht oder der Cu-Saatschicht) durch Aufnehmen des Gesamffluoreszenzsignals aus einem Probenbereich zu messen. Diese Anwendung nutzt die Eigenschaft, dass unter einem festen Anregungsstrahl die Fluoreszenzemission aus einem Bereich des Dünnfilms proportional zum Volumen ist. Daher kann die Dicke des Dünnfilms erlangt werden bzw. erfasst werden durch Messen seiner Fluoreszenzemission und Kalibrieren gegen einen Standardfilm mit bekannter Dicke. Hier stellt das Vollfeldbild, das durch die Linse gebildet wird, eine direkte Messung der Dicke jeder Bildpunktfläche dar, und die Dickengleichförmigkeit kann direkt erfasst werden.

Zusätzlich zum Dünnfilm auf einer planaren Struktur kann das hier beschriebene System auch die Messung am Boden des Damaszenergrabens durch Fokussierung in diesen Bereich durchführen. Ferner kann die Seitenwand des Grabens auch durch Neigen des Messsystems ausgemessen werden. Bei diesem Ansatz kann ein Graben mit einem Längenverhältnis (Tiefe-zu-Breite) von 1 bis 10 wirksam ausgemessen werden.

Die 3A und 3B stellen den Damaszenermetallisierungsablauf zum Abscheiden von Kupferverbindungen dar, was eine Anwendung der vorliegenden Erfindung darstellt.

Im besonderen wird, wie in 3A dargestellt, in einem Beispiel eines Damaszenerablaufs eine gemusterte Siliziumoxidschicht 210 auf einem Siliziumwafersubstrat 200 gebildet oder abgeschieden. In einem Beispiel wird die Siliziumoxidschicht 210 auf dem Siliziumsubstrat 200 aufgewachsen. Dann wird in einem Lithographiebemusterungsschritt ein Fotolack abgeschieden und bemustert, um Bereiche des Siliziumoxids 210 für einen gerichteten Ätzprozess freizulegen, um dadurch die Gräben 212 zu bilden.

Wie in 3B dargestellt, wird eine Sperrschicht 214 vorzugsweise als nächstes über der Siliziumoxidschicht 210 in den Gräben 212 abgeschieden. Typischerweise ist dies ein konformer Beschichtungsablauf, um sicherzustellen, dass sowohl die Gräbenböden 225 als auch die Gräbenwände 222 mit der dünnen Sperrschicht 214 beschichtet sind, welche in einem Beispiel Tantal ist.

Nach dem Abscheiden des Tantal werden eine Sperrschicht 214 und eine dünne Kupfersaatschicht 216 abgeschieden. In einem Beispiel ist dies eine konformale Beschichtung, aber in anderen Beispielen wird die Saatschicht vorzugsweise in den Böden 225 der Gräben 212 abgeschieden. Danach wird die endgültige dicke Kupferschicht 218 über dem Substrat gebildet, in einem Beispiel durch Galvanisierung. Die Teile der Kupferschicht, die zwischen den Gräben liegen (siehe Bezugsziffer 224), können in einem Ätz- oder chemisch-mechanischen Polier(CMP)-Schritt entfernt werden.

4A und 4B zeigen, wie Fehler bei der Bildung der Sperr- und Saatschichten 214, 216 zu Fehlern bei der Bildung der Verbindungen oder der integrierten Schaltungen führen können, und dadurch zu einem fehlerhaften Betrieb der auf diese Art gebildeten Halbleitervorrichtungen.

Wie in 4A gezeigt, führen in der Abscheidung ungleichmäßige Gebiete der Saatschicht 216, wie beispielsweise Ungleichmäßigkeiten 230, zu Höckern oder Inkonsistenzen in den Seitenwänden 222 in den Gräben 212. Solche Inkonsistenzen bzw. Fehlstellen können sich auch aus Ungleichmäßigkeiten bei der Bildung der Sperrschicht ergeben.

Wie in 4B gezeigt, führen diese Ungleichmäßigkeiten 230 zur Bildung von Poren 224 während des folgenden Galvanisierungsprozesses, in welchem das Kupfer der Verbindungen in die Gräben 212 galvanisiert wird. Ein Teil davon ergibt sich aus den Eigenschaften des Galvanisierungsprozesses. Häufig werden Ungleichmäßigkeiten 230 vorzugsweise Material im Galvanisierungsprozess aufgrund der Diffusion des Kupfers im Galvanisierungsbad und der komplexen Verteilung der elektrischen Felder in den Gräben 212 aufnehmen. Dies kann zur Bildung von Poren, wie beispielsweise 224, führen, welche während des Betriebs lokale Widerstandserhöhungen der Verbindungen erzeugen. Dies kann zu einer Überhitzung und/oder einem anderen ungeeigneten Betrieb der Halbleitervorrichtung führen.

Eine andere Art von Defekt tritt in Bereichen schlechter Abdeckung in der Sperrschicht 216 auf. Bei dem dargestellten Beispiel existiert eine Lücke 226 in der Abdeckung an der Seitenwand 222. Als ein Ergebnis befindet sich die folgende Kupfersaatschicht 216 in direktem Kontakt 228 mit der Siliziumoxidschicht 210 und möglicherweise dem Siliziumsubstrat 220, und zwar abhängig von dem bestimmten verwendeten Ablauf. Als ein Ergebnis sind die Kupferatome aus der Saatschicht 216 und aus der Verbindungsschicht 218 in der Lage, in die Siliziumoxidschicht 210 und/oder auch in das Substrat 220 zu diffundieren. Dies verändert beispielsweise die Dotierungskonzentration in den im Substrat 200 gebildeten Transistoren, was dazu führen kann, dass diese Transistoren nicht richtig arbeiten.

Wie in 5 gezeigt, kann das Bildgebungssystem dazu verwendet werden, Ungleichmäßigkeiten in der Abscheidung der Sperr- und Saatschichten 214, 216 zu erfassen. In einem gezeigten Beispiel wird das Bildgebungssystem 100 dazu verwendet, die Seitenwände 222 abzubilden, um Ungleichmäßigkeiten 230 zu lokalisieren. Dies wird erreicht durch Drehen des Bildgebungssystems relativ zur Probe. In einem Beispiel ist der Winkel &agr; zwischen der Probe und dem Detektorsystem 104 des Analysesystems fast senkrecht, um die gesamte Seitenwand 222 zu analysieren. Beispielsweise ist der Winkel &agr; größer als 70 Grad, aber kleiner als 85 Grad.

Wie in 6 gezeigt, kann das Bildgebungssystem 100 auch dazu verwendet werden, Lücken 226 in der Sperrschicht 214 aufzufinden. In diesem Beispiel wird der Bildgebungszustand so eingestellt, dass die Emissionslinien des Materials der Sperrschicht 214 abgebildet werden.

Wie in 7 gezeigt, kann das Bildgebungssystem auch dazu verwendet werden, die Böden 220 der Gräben 212 zu erfassen und zu charakterisieren.

Die weitere Anwendung des Analysesystems 100 ist die Erfassung, Messung und Charakterisierung von Poren 224, die in Kupferstrukturen während und nach dem Galvanisierungsprozesses gebildet werden, und zwar durch direktes Abbilden von ihnen in der Schaltungsstruktur. Eine Ausführungsform ist in 8 gezeigt, bei der eine Elektronen- oder Röntgen-Anregungsquelle dazu verwendet wird, eine Fluoreszenzemission von den integrierten Schaltungsstrukturen zu erzeugen. Die Fluoreszenzemission wird durch das Detektorsystem abgebildet. Innerhalb einer dünnen Schicht der Probe von bis zu 1 &mgr;m ist das Fluoreszenzsignal, das durch jeden Bildpunkt des Bildgebungssystems erfasst wird, annähernd proportional zum Volumen des Materials, das die Strahlung mit der bestimmten Wellenlänge ausstrahlt. Daher kann eine Pore in der Schaltungsstruktur als ein lokaler Signalverlust visualisiert werden, und die Größe und die Form der Pore kann aus dem Signalpegel und der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzbilds bestimmt werden.

Eine weitere Ausführungsform ist in 9 gezeigt, bei der zwei Detektorsysteme 104', 104'' unter unterschiedlichen Winkeln angeordnet sind. Die zwei sich ergebenden Bilder können dazu verwendet werden, um die dreidimensionale Position und Form der Pore durch Stereobildgebungsverfahren zu bestimmen. Zusätzliche Detektorsysteme können dazu verwendet werden, die 3D-Bildgüte zu verbessern. Ein extremer Fall ergibt sich, wenn eine große Zahl von Detektoren in einem Tomographiebildgebungs- oder Laminographiebildgebungsaufbau verwendet werden. Alternativ kann, anstelle der Verwendung mehrfacher Detektoren, ein einzelner Detektor auch über eine Zahl von Winkeln sowohl in Polar- als auch Azimut-Richtungen gefahren werden, um die Projektionsdaten zu erlangen. Dieses Verfahren stellt einen Kompromiss zwischen Durchsatz und Kosten bereit.

Während diese Erfindung mit Bezug auf die zugehörigen bevorzugten Ausführungsformen besonders gezeigt und beschrieben worden ist, wird es dem Fachmann verständlich sein, dass verschiedene Änderungen in Form und Details daran durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die angehängten Ansprüche umfasst wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG

Systeme und Verfahren zum Durchführen von Überprüfungs- und von Messtechnikarbeitsschritten an Metallisierungsabläufen, wie beispielsweise an BEOL („back-and-of-line")-Metallisierungsdicken und Schrittabdeckungen werden offenbart. Bestimmte Beispiele umfassen Messungen von Dicke und Gleichförmigkeit von Sperrschichten, beispielsweise Tantal umfassend, und Saatschichten, beispielsweise Kupfer umfassend, in Damaszener-, einschließlich Dual-Damaszener-Gräben, während der Verbindungsherstellungsschritte einer Produktion von integrierten Schaltungen. Die Erfindung betrifft auch die Erfassung und Messung einer Porenbildung während und nach einer Kupfergalvanisierung. Die Erfindung verwendet eine Röntgenfluoreszenz, um die absoluten Dicken und die Dickengleichförmigkeit der Sperrschicht in den Gräben, der Kupfersaatschichten zum Galvanisieren und der endgültigen Kupferverbindungen zu messen.


Anspruch[de]
System zum Analysieren von Gräben bei der Kupferverbindungsherstellung in Halbleitervorrichtungen, wobei das System aufweist:

eine Anregungsquelle (112) zum Erzeugen einer Anregungsstrahlung, um eine Erzeugung einer Röntgenfluoreszenzstrahlung von den Materialschichten in oder um die Gräben zu induzieren;

einen Detektor (130) zum Erfassen der Fluoreszenzstrahlung; und

eine Linse (122) zum Abbilden der Röntgenfluoreszenzstrahlung auf den Detektor.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anregungsquelle eine Elektronenstrahlstrahlung erzeugt, um die Erzeugung der Röntgenfluoreszenzstrahlung zu induzieren. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anregungsquelle eine Elektronenquelle eines Rasterelektronenmikroskops ist. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Linse eine chromatische Linse ist. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Linse eine Zonenplattenlinse ist. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Lochblendenöffnung (124) zum Verbessern einer bevorzugten Bildgebung der sekundären Strahlung. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen mittigen Stoppbereich (132), um Röntgenstrahlungen zu dämpfen, die nicht durch die Linse fokussiert sind. System nach Anspruch 7, bei dem der mittige Stoppbereich sich an der Linse befindet. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Spektralfilter zum Verringern einer Strahlung, die nicht der Röntgenfluoreszenzstrahlung von den Materialschichten entspricht, um sie am Erreichen des Detektors zu hindern. System nach Anspruch 9, bei dem das Spektralfilter eine Mehrschichtoptik ist, die entweder in einer Reflektionsgeometrie oder einer Transmissionsgeometrie arbeitet. System nach Anspruch 9, bei dem das Spektralfilter ein Kristall ist. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Detektor ein zweidimensionales Array von Detektorelementen aufweist, um eine zweidimensionale räumliche Auflösung bereitzustellen. System nach Anspruch 12, bei dem die Detektorelemente ladungsgekoppelte Vorrichtungen sind, die auf eine direkte Erfassung von Röntgenstrahlen hin optimiert sind. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Detektor einen Szintillator und ein optisches Bildgebungssystem zum Abbilden von Licht vom Szintillator auf ein Array von Detektorelementen aufweist. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das System die Dicke und die Dickengleichförmigkeit einer Sperrschicht und/oder der Kupfersaatschicht in einem Damaszenerablauf misst, einschließlich des Bodens und der Seitenwände des Grabens. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das System mehrfache Detektoren aufweist, die unter unterschiedlichen Winkeln angeordnet sind, und Bilder von diesen Detektoren nutzt, um die dreidimensionale Position und Form von Poren in den Materialschichten zu rekonstruieren. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das System mehrere Detektoren aufweist, die unter unterschiedlichen Winkeln angeordnet sind, und Bilder von diesen Detektoren verwendet, um die dreidimensionale Position und Form der Poren mit Laminographie- oder Tomographie-Verfahren zu rekonstruieren. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Winkel &thgr; zwischen einer optischen Achse der Anregungsstrahlung und der Fluoreszenzstrahlung, die vom Detektor erfasst wird, zwischen 0 und 60 Grad liegt. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Winkel &thgr; zwischen einer optischen Achse der Anregungsstrahlung und der Fluoreszenzstrahlung, welche durch den Detektor erfasst wird, weniger als 15 Grad beträgt. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Winkel &thgr; zwischen einer optischen Achse der Anregungsstrahlung und der Fluoreszenzstrahlung, welche durch den Detektor erfasst wird, weniger als 10 Grad beträgt. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Winkel &agr; zwischen einer Oberfläche einer Probe und einer optischen Achse der erfassten Fluoreszenzstrahlung größer als 70 Grad, aber kleiner als 85 Grad ist. Verfahren zum Analysieren von Gräben bei der Kupferverbindungsherstellung in Halbleitervorrichtungen, wobei das Verfahren aufweist:

Erzeugen von Anregungsstrahlung, um eine Röntgenfluoreszenzstrahlung von Materialschichten in oder um die Gräben zu induzieren; und

Erfassen eines Bildes der Fluoreszenzstrahlung mit einem raumauflösenden Detektor.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der Schritt des Erzeugens der Strahlung ein Erzeugen eines Elektronenstrahls aufweist, um eine Erzeugung der Röntgenfluoreszenzstrahlung zu induzieren. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der Schritt des Erfassens der Fluoreszenzstrahlung ein Fokussieren der Fluoreszenzstrahlung aufweist. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem die Fluoreszenzstrahlung mit einer Zonenplattenlinse fokussiert wird. Verfahren nach Anspruch 25, ferner aufweisend ein Filtern einer Strahlung mit einer Lochblendenöffnung. Verfahren nach Anspruch 26, ferner aufweisend ein Blockieren von Röntgenstrahlen, die nicht mittels der Zonenplattenlinse fokussiert werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem der Schritt des Erfassens der Fluoreszenzstrahlung ein Abbilden der Fluoreszenzstrahlung auf ein zweidimensionales Array von Detektorelementen aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, ferner aufweisend ein Bestimmen einer Dicke der Materialschichten. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 29, ferner aufweisend ein Messen der Dicke und der Dickengleichförmigkeit einer Sperrschicht und/oder der Kupfersaatschicht. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 30, bei dem ein Winkel &thgr; zwischen einer optischen Achse der Anregungsstrahlung und der erfassten Fluoreszenzstrahlung weniger als 15 Grad beträgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 30, bei dem ein Winkel &agr; zwischen einer Oberfläche einer Probe und einer optischen Achse der erfassten Fluoreszenzstrahlung größer als 70 Grad, aber kleiner als 85 Grad ist. Verfahren zum Analysieren von Diffusionssperr- oder dielektrischen Zwischenschichten in Halbleitervorrichtungen, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen einer Strahlung, um eine Röntgenfluoreszenzstrahlung von den Diffusionssperr- oder dielektrischen Zwischenschichten zu induzieren; und Erfassen der Fluoreszenzstrahlung.






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