[发明专利]一种检测CMP引起的碟陷和侵蚀的测试结构及方法

说明书

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，说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技术具有研磨性物质的机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过程中，由于研磨中不同的材料的消耗速率皆不相同，因此有可能会产生缺陷。

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0.13μm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SiO₂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，这种检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。

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测试结构的电学特性，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检测，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。