专利名称：在制程中测量低介电常数的薄膜性质的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量低介电常数薄膜的介电常数的方法及系统，特别是涉及决定介电常数的各组成的方法及系统。
背景技术：
在半导体工业中，高效能的积体电路需要能降低内连线的电阻电容延迟及金属线间干扰(crosstalk)的材质作为层间和内金属介电层。为了达到上述目的，已经开发了多种低介电常数的材质。层间和内金属介电层材质的介电系数对积体电路装置性能表现非常重要。因此，如何准确测量低介电常数薄膜的介电常数成了一个很重要的课题，特别是测量制程中产品基板(亦即将继续进行后续制程的基板，以在其上形成积体电路或其他半导体装置)上的介电层的介电常数。还有关于要如何测量介电常数而不需为了测量而在基板上形成特定的架构以及如何测量介电常数而不破坏或改变薄膜的架构性质，亦为重要需求之一。
现今测量介电常数的方法包含使用水银探针(probe)。此种测量需要形成特定的金氧半电晶体架构。并且，水银滴会直接接触低介电常数薄膜而造成污染，进而影响后续的制程。此外，表面接触还会引发其他薄膜性质维持的顾虑。另外一种测量介电常数的方法是利用金属/绝缘层/半导体(metal-insulator-semiconductor，MIS)的架构进行测量。但其亦需要形成特定的金氧半电晶体架构。其需要在基板上形成金属电极。还有一种方法是叉合梳齿(interdigitated comb)，此种方法需要在基板上形成叉合梳齿的架构。虽然，叉合梳齿可以提供准确的数据，但却不能即时进行测量。在测量时，因为测量需要作切片和拉斐尔模型，基板需要从生产线中移出。总而言之，道统测量介电常数的缺点包含需要表面直接接触才能进行测量，需要特定架构才能进行测量，不能即时测量，及需要将测试的基板从生产线移出。
介电常数是一种具有频率依存性的材质内部特性。介电常数包含电子的、离子的和偶极偏极化的三个组成。这三个组成受到半导体装置制造时不同的现象和制程所影响。因此，测量或推导这三个组成和测量整体介电常数一样重要。
由此可见，上述现有的测量介电常数的方法在方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决现有的测量介电常数的方法存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般方法又没有适切的方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种非接触的测量技术来测量低介电常数薄膜的整体介电常数和电子的、离子的和偶极偏极化的三个组成的方法，便成为急需解决的问题。
有鉴于上述现有的测量介电常数的方法存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新的在制程中测量低介电常数的方法，能够改进一般现有的测量介电常数的方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有的测量介电常数的方法存在的缺陷，而提供一种决定薄膜介电常数的方法。此种决定薄膜介电常数的方法能测量制程中产品基板上的介电层的介电常数，而不需要将测试的基板从生产线移出。
本发明的另一目的在于，提供一种决定低介电常数薄膜的介电常数的方法。此种决定低介电常数薄膜的介电常数的方法不需直接接触即可进行测量，测量时亦不需特定架构。
本发明的再一目的在于，提供一种决定位在反射层上低介电常数薄膜的介电常数的系统。此种决定位在反射层上低介电常数薄膜的介电常数的系统不需特定结构即可测量，且测量时不会破坏或改变薄膜的架构性质。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种决定薄膜介电常数的方法，该方法包含提供一低介电常数薄膜于一基板的一反射层上；非接触模式决定该低介电常数薄膜的介电常数，其中决定该介电常数的步骤包含测量该介电常数的一电子组成；测量该介电常数的一离子组成；以及测量一整体介电常数；以及从该电子组成、该离子组成和该整体介电常数推导出该介电常数的一偶极组成。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的决定薄膜介电常数的方法，其中测量该介电常数的该电子组成所用的波长范围为可见光区到紫外光区。
前述的决定薄膜介电常数的方法，其中测量该介电常数的该离子组成所用的波长范围为红外光区。
前述的决定薄膜介电常数的方法，其中测量该整体介电常数所用的波长范围为微波光区。
前述的决定薄膜介电常数的方法，在测量该电子组成、测量该离子组成、测量该整体介电常数的该些步骤中，其中至少一个步骤包含测量一个范围内的波长。
前述的决定薄膜介电常数的方法，其中测量该介电常数的该电子组成的该步骤包含测量一反射率及转换该反射率为该电子组成。
前述的决定薄膜介电常数的方法，其中测量该整体介电常数的步骤包含测量一阻抗及转换该阻抗为该整体介电常数。
前述的决定薄膜介电常数的方法，其中，在决定该低介电常数的该步骤及推导出该偶极组成的该步骤后，更包含对该基板进行一制程步骤，之后再决定该介电常数及再推导出该偶极组成；比较该决定推导结果和该再决定再推导结果；根据该比较步骤的结果调整该制程步骤。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种决定低介电常数薄膜的介电常数的方法，该方法包含提供一低介电常数薄膜于一基板的一反射层上；决定一整体介电常数以及该介电常数的一电子组成、一离子组成和一偶极组成，藉由用椭圆仪作第一次测量、用红外光谱仪作第二次测量、用微波光谱仪作第三次测量；以及数学处理该第一次测量、该第二次测量和该第三次测量的结果。
本发明的目的及解决其技术问题另外还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种测量在一反射层上低介电常数薄膜的介电常数的系统，该系统包含一椭圆仪用来测量该低介电常数薄膜的该介电常数的一电子组成和产生一测量电子组成；一红外光谱仪用来测量该低介电常数薄膜的该介电常数的一离子组成和产生一测量离子组成；一微波光谱仪用来测量该低介电常数薄膜的一整体介电常数和产生一测量的整体介电常数；一装置利用该测量的电子组成、该测量的离子组成和该测量的整体介电常数用来推导该介电常数的一偶极组成。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的测量在一反射层上低介电常数薄膜的介电常数的系统，其中一第一光谱仪包含该红外光谱仪和该微波光谱仪。
前述的测量在一反射层上低介电常数薄膜的介电常数的系统，其中所述的椭圆仪、该红外光谱仪和该微波光谱仪为非接触测量工具。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明的主要技术内容如下为了达到上述目的，本发明提供了一种决定薄膜介电常数的方法。此方法中，先是提供低介电常数薄膜于基板的反射层上，再以非接触模式测量低介电常数薄膜的介电常数的电子组成、离子组成以及整体介电常数。最后，从电子组成、离子组成和整体介电常数推导出介电常数的偶极组成。
另外，为了达到上述目的，本发明另提供了一种决定低介电常数薄膜的介电常数的方法。在此方法中，先是于基板的反射层上形成低介电常数薄膜，再由椭圆仪作第一次测量，红外光谱仪作第二次测量，微波光谱仪作第三次测量。之后，以数学处理第一次测量、第二次测量和第三次测量的结果，以此决定薄膜的整体介电常数和介电常数的电子组成、离子组成和偶极组成。
再者，为了达到上述目的，本发明再提供了一种决定位在反射层上低介电常数薄膜的介电常数的系统，此系统包含用来测量低介电常数薄膜的介电常数的电子组成的椭圆仪，用来测量薄膜的介电常数的离子组成的红外光谱仪，用来测量薄膜的整体介电常数的微波光谱仪，以及利用测量的电子组成、离子组成和整体介电常数推导偶极组成的装置。
经由上述可知，本发明涉及一种决定制造基板上低介电常数薄膜的介电系数的方法与系统。此方法包含用椭圆仪测量介电常数的电子组成，用红外光谱仪测量介电常数的离子组成，用微波光谱仪测量整体介电常数，以及推导出介电常数的偶极组成。此测量方法为非接触式，并且装置在测量后还可以继续后续的制程。
借由上述技术方案，本发明在制程中测量低介电常数的薄膜性质至少具有下列优点利用此技术作测量时，测量完的基板可以再进行后续的制程。并且，测量时不需要先制造特定的测量架构。
综上所述，本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在方法上或功能上皆有较大改进，在技术上有较大进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的测量介电常数的方法具有增进的多项功效，从而更加适于实用，并具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
图1是绘示依照本发明较佳实施例中量测的低介电常数薄膜的截面图。
1低介电常数薄膜 3反射层5基板9入射辐射11反射辐射具体实施模式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的在制程中测量低介电常数的薄膜性质其具体实施模式、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
本发明提供决定位于半导体基板上低介电常数薄膜的整体介电常数和介电常数各部分的方法和系统。上述的半导体基板可用各种半导体基板，如硅晶片。由形成半导体积体电路和其他半导体装置的制程步骤来在基板上形成及图案化各种薄膜、装置、架构和搀杂区域(impurity region，i.e.doped region)。在制程步骤的流程中，低介电常数薄膜常作为层间和内金属介电层的介电隔离层。在实施例中，低介电常数薄膜为SiOC和SiOCH。但也可使用其他低介电常数薄膜。本发明以非接触模式测量低介电薄膜的整体介电常数和介电常数的电子组成、离子组成和偶极组成。此非接触测量不会伤害或改变测量的薄膜的架构性质，并且可测量基板上任何一处的低介电常数薄膜，只要此低介电常数薄膜位于基板的反射层上。此测量方法不需要先形成特定的测试架构，可在半导体的制程中即时完成，而不需将基板移出制程环境，并且在测量结束后还可让基板继续进行后续的制程，以完成积体电路或其他的半导体装置。
介电常数是一种具有频率依存性的材质内部特性。介电常数包含电子组成、离子组成和偶极组成。其中，电子的贡献来自于组成固体的原子核外电子云扭曲所产生的偏极性。离子的贡献来自于原子核之间相互运动所产生的偏极性。偶极的贡献来自于当两个具有偶极矩的部分随电场方向排列时。这些贡献可利用不同的技术测量不同区段的波长而得。这些区段包含300到750奈米的紫外光到可见光区段、2到15微米红外光区段及微波区段。电子组成可用光谱椭圆仪测量可见光到紫外光区段得到。离子组成可藉由Kramer-Kronig关系式从红外光吸收光谱计算出来。整体介电常数可藉由测量入射和反射微波讯号的差异得到。微波区段介电常数的测量式如式(1)所示εr(1-15GHz)＝1+Δεe+Δεi+Δεd式(1)其中，介电常数的离子贡献为εi，介电常数的电子贡献为εe，介电常数的偶极贡献为εd。如式(2)所示，物质的介电常数亦可从反射率计算得来εr(λ)＝n2(λ)-k2(λ) 式(2)其中，εr为相对的介电常数，n为反射率的实部，k为反射率的虚部，λ为光源的波长。
假如光源的波长范围在可见光到紫外光，只有电子会对随时间改变的电磁场有回应。因此，在这个光区段的介电常数只和电子偏极性有关。可藉由计算在可见光到紫外光的反射率得到纯电子的贡献。在这个光区段，纯电子的贡献等于反射率的平方值。
介电常数的离子组成(Δεi)可藉由在红外光(＜1300奈米)区段测得的介电常数1+Δεe+Δεi减去在可见光到紫外光(＜700奈米，举例，633奈米)区段测得的介电常数1+Δεe。Kramer-Kronig关系式可用来计算在红外光区的反射率。
如式(3)所示，为原始的Kramer-Kronig关系式ni=1+π2p∫0∞vk(v)v2-vi2dv]]>式(3)其中，ni为在vi时的反射率的实部。p是从零积分到无穷大的主值。因为红外光的吸收光谱所涵盖的区域有限，上述的积分无法从零积分到无限大。
各制程步骤对介电常数各部分的影响，可藉由在进行制程步骤前后分别测量整体介电常数和介电常数各部分的数值，再比较进行前后数值的差异得知。因而，可了解特定制程步骤影响的特定面向，如某部份的介电常数。因为，已知介电常数的各部分来自于不同的现象。因此，可藉此了解制程步骤所造成的特定冲击。
请参阅图1所示，为在基板5上的低介电常数薄膜1的侧视图。特别是，低介电常数薄膜1形成于基板5上的反射层3之上。图1只是用来举例，在反射层3和基板5间还可以有各种不同的薄膜。反射层3的材质可以是铜、铝或是其他半导体装置中可以作为内连线的材质。介电常数测量的位置可以是在基板上任意的位置，如积体电路上隔离的区域。基板5的晶圆可以在测量介电常数后继续进行后续的制程。入射辐射9和反射辐射11可以表示在这发明的实施例中各辐射产生器产生和侦测的各种波长的辐射。本发明分别用椭圆仪测介电常数的电子组成、红外光谱仪测量离子组成、微波光谱测量整体介电常数。再由的前所述的数学式计算出介电常数的偶极组成。
道统的椭圆仪可用来测量介电常数的电子组成。光源区段为可见光到紫外光。利用道统技术测量可见光区到紫外光区的频率或波数。椭圆仪藉由测量低介电常数物质的反射率和依据式(2)计算，得到此物质介电常数的电子组成。
介电常数的离子部份是由红外光谱仪测量在红外光谱区的波数。利用Kramer-Kronig关系式计算红外光区的反射率。从反射率导出介电常数的离子组成。
藉由微波光谱仪对微波范围内的波数作复数个测量，可得到整体的介电常数。非接触微波讯号源搭配合适的侦测器。测量微波区段的频率如4千兆赫，但也可选择性的测量其他频率。在实施例中，可用同样的光谱仪工具作微波和红外光区段的测量。使用微波光谱仪和非接触测量技术测量低介电常数薄膜的介电常数，可参见Talanov，Scanning Near-FieldMicrowave Probe For In-Line Metrology of Low-k Dielectrics，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Dol.812，2004 Materials Research Society pageF5.11.1-F5.11.6。其中描述使用非接触高解析测量技术(微米等级)测量已图案化的晶圆。以下是近场非接触探针测量介电常数的范例。
依据微波技术，当探针尖端靠近测试样品时，边缘电容C1是由尖端几何形状、电容率和尖端到样品间的距离所决定的。如式(4)所示，为尖端的复数反射系数Γ≅exp(-iωZ0C1)]]>式(4)其中，ω为操作频率，Z0为线特征阻抗，并且ωZ0C1＜＜1。为了增加测量的灵敏度，可藉由蚀刻铝线条背部到合适的长度，使得穿透线(transmission line)可形成一个半波长共振器。此共振器的共振频率F约为4千兆赫和无负载品性因子(unloaded quality factor)Q约为100。使用道统的磁圈来耦合微波讯号。此共振器位于金属容器内，在容器的墙上有一个孔供共振器的尖端伸出。探针共振频率F可使用解析度低于100赫的微波反射仪经由实际实验测到的探针反射系数S11的来决定。
如式(5)所示，为探针共振频率F的相对位移对尖端电容Ct改变的关系式下式要标出(5)ΔFF=-Z0Lϵ0μϵeffΔC1]]>式(5)其中，L为共振长度，ε0为真空电容率，μ为真空透磁率，εeff为受穿透线影响的介电常数，Z0为线特征阻抗。根据估计，真空中的尖端电容Ct0约为ε0αt，αt为尖端尺寸，当αt约为1微米，Ct0约为10aF。将一般标准的探针参数(L约为25毫米，Z0约为100Ω，εeff约为2.5)及ΔF约为100赫代入式(5)得到对尖端电容改变的敏感度为3*10-20F＝30zF。
利用微波光谱仪测量整体介电常数、椭圆仪测量介电常数的电子组成与红外光谱仪测量介电常数的离子组成，依据上述式(1)推导出介电常数的偶极组成。可由电脑来执行运算或是由其他装置来处理此计算。
在测量结束后，可继续基板的制程及完成积体电路的装置的制作。此测量方法的优点在于可在制程步骤进行前后测量同一基板的整体介电系数和各部分的数值，经由比较两者数值的差异，得知此处理操作对基板造成的影响，可藉由此比较结果对处理操作作调整。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种决定薄膜介电常数的方法，其特征在于其包含提供一低介电常数薄膜于一基板的一反射层上；非接触模式决定该低介电常数薄膜的介电常数，其中决定该介电常数的步骤包含测量该介电常数的一电子组成；测量该介电常数的一离子组成；以及测量一整体介电常数；以及从该电子组成、该离子组成和该整体介电常数推导出该介电常数的一偶极组成。
2.根据权利要求1所述的决定薄膜介电常数的方法，其特征在于其中测量该介电常数的该电子组成所用的波长范围为可见光区到紫外光区。
3.根据权利要求1所述的决定薄膜介电常数的方法，其特征在于其中测量该介电常数的该离子组成所用的波长范围为红外光区。
4.根据权利要求1所述的决定薄膜介电常数的方法，其特征在于其中测量该整体介电常数所用的波长范围为微波光区。
5.根据权利要求1所述的决定薄膜介电常数的方法，其特征在于在测量该电子组成、测量该离子组成、测量该整体介电常数的该些步骤中，其中至少一个步骤包含测量一个范围内的波长。
6.根据权利要求1所述的决定薄膜介电常数的方法，其特征在于其中测量该介电常数的该电子组成的该步骤包含测量一反射率及转换该反射率为该电子组成。
7.根据权利要求1所述的决定薄膜介电常数的方法，其特征在于其中测量该整体介电常数的步骤包含测量一阻抗及转换该阻抗为该整体介电常数。
8.根据权利要求1所述的决定薄膜介电常数的方法，其特征在于其中在决定该低介电常数的该步骤及推导出该偶极组成的该步骤后，更包含对该基板进行一制程步骤，之后再决定该介电常数及再推导出该偶极组成；比较该决定推导结果和该再决定再推导结果；根据该比较步骤的结果调整该制程步骤。
9.一种决定低介电常数薄膜的介电常数的方法，其特征在于其包含提供一低介电常数薄膜于一基板的一反射层上；决定一整体介电常数以及该介电常数的一电子组成、一离子组成和一偶极组成，藉由用椭圆仪作第一次测量、用红外光谱仪作第二次测量、用微波光谱仪作第三次测量；以及数学处理该第一次测量、该第二次测量和该第三次测量的结果。
10.一种测量在一反射层上低介电常数薄膜的介电常数的系统，其特征在于其包含一椭圆仪，用来测量该低介电常数薄膜的该介电常数的一电子组成和产生一测量电子组成；一红外光谱仪，用来测量该低介电常数薄膜的该介电常数的一离子组成和产生一测量离子组成；一微波光谱仪，用来测量该低介电常数薄膜的一整体介电常数和产生一测量的整体介电常数；一装置，利用该测量的电子组成、该测量的离子组成和该测量的整体介电常数用来推导该介电常数的一偶极组成。
11.根据权利要求10所述的测量在一反射层上低介电常数薄膜的介电常数的系统，其特征在于其中一第一光谱仪包含该红外光谱仪和该微波光谱仪。
12.根据权利要求10所述的测量在一反射层上低介电常数薄膜的介电常数的系统，其特征在于其中所述的椭圆仪、该红外光谱仪和该微波光谱仪为非接触测量工具。
全文摘要
一种决定制造基板上低介电常数薄膜的介电系数的方法与系统。此方法包含用椭圆仪测量介电常数的电子组成，用红外光谱仪测量介电常数的离子组成，用微波光谱仪测量整体介电常数，推导出介电常数的偶极组成。此测量方法为非接触式。该系统包含一椭圆仪用来测量该低介电常数薄膜的该介电常数的一电子组成和产生一测量电子组成；一红外光谱仪用来测量该低介电常数薄膜的该介电常数的一离子组成和产生一测量离子组成；一微波光谱仪用来测量该低介电常数薄膜的一整体介电常数和产生一测量的整体介电常数；一装置利用该测量的电子组成、该测量的离子组成和该测量的整体介电常数用来推导该介电常数的一偶极组成。
文档编号H01L21/02GK1848396SQ20061006651
公开日2006年10月18日 申请日期2006年3月28日 优先权日2005年3月31日
发明者蔡嘉祥, 徐鹏富, 彭宝庆, 徐祖望, 谢志宏, 苏怡年, 陶宏远 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司