金属薄膜的检测方法与流程

本发明涉及半导体工艺领域，尤其是一种金属薄膜的检测方法。

背景技术：

在半导体工艺中，通过金属布线实现器件之间的连接，实现电信号的传递。具体而言，需要通过沉积工艺或者溅射工艺形成金属薄膜，随后刻印图形以形成互连金属线以及填充通孔。

随着半导体器件的高度集成化及高性能化的进展，对金属薄膜的规范性也提出了越来越高的要求，包括金属薄膜的类型、尺寸准确度，以及所述金属薄膜与晶圆之间的对准精度。

例如，如果采用错误的金属类型形成薄膜，将影响导电速率，甚至导致器件失效。

如果金属薄膜的尺寸大于预设规格，沉积在晶圆边缘位置的金属薄膜容易导致后续工艺的缺陷。例如导致金属柱状剥离缺陷(metal pillar peeling defect)，进而发生导电层短路(bridge)现象，降低产品的良率。以钨沉积工艺为例，如果钨薄膜的尺寸大于预设规格，延伸至晶圆的边缘区域，由于晶圆的边缘在纵向上呈圆弧形，处于圆弧斜面区域(bevel area)上的钨薄膜将无法被后续化学机械抛光(CMP)工艺去除。对于铝溅射工艺，当铝薄膜延伸至晶圆的边缘区域，且铝刻蚀工艺未能将圆弧斜面区域上的铝薄膜去除干净时，也存在发生剥离缺陷的风险。而残留的金属薄膜一旦发生剥离(peeling)，将有可能以金属颗粒的形式落到晶圆的功能区域，进而引起短路现象。

如果金属薄膜尺寸小于预设规格，由于边缘图案缺失，也有可能导致在晶圆边缘处的良率降低的问题。

如果金属薄膜与晶圆之间的对准精度不够，发生了整体偏移，也即在中心对称的不同区域，同时发生金属薄膜尺寸大于以及小于预设规格的情况，这将有可能导致上述两种问题同时发生，降低晶圆的良率。

现有技术中通常采用的是延后检测或反馈式纠错的处理方式。具体而言，在对机台进行例行检查时，才会以调整形成金属薄膜的工艺参数，以及对金属薄膜与晶圆的对准精度进行控制，或者在发生低良率(low yield)事件之后，才会查找原因并追溯至产线。在现有的处理方式中，由于反馈周期较长，发生问题时引起的危害较大。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种金属薄膜的检测方法，可以实时辨识金属薄膜的异常情况，有效地避免在半导体衬底上形成的产品的良率降低。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种金属薄膜的检测方法，包括以下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有金属薄膜，所述半导体衬底的表面分中心区域和包围所述中心区域的边缘区域；在所述边缘区域内的多个预设位置，检测光反射率值；根据所述多个预设位置的光反射率值与预设阈值范围的关系，判断所述金属薄膜是否出现异常。

可选的，所述多个预设位置包括：分布于外边缘线以外的第一检测点和分布于内边缘线以内的第二检测点，所述外边缘线是以所述半导体衬底的边缘为基准向内收缩第一距离得到的，所述内边缘线是以所述半导体衬底的边缘为基准向内收缩第二距离得到的，所述第一距离小于所述第二距离。

可选的，根据所述多个预设位置的光反射率值与预设阈值范围的关系，判断所述金属薄膜是否出现异常包括：如果至少一个所述第一检测点的光反射率值在所述预设阈值范围之内，和/或至少一个所述第二检测点的光反射率值超出所述预设阈值范围，则判断所述金属薄膜出现异常。

可选的，判断所述金属薄膜出现异常包括：如果存在至少一个所述第一检测点的光反射率值在所述预设阈值范围之内，并且存在至少一个所述第二检测点的光反射率值超出所述预设阈值范围，则判断所述金属薄膜的图案发生偏移。

可选的，判断所述金属薄膜出现异常包括：如果存在至少一个所述第一检测点的光反射率值在所述预设阈值范围之内，并且全部的所述第二检测点的光反射率值位于所述预设阈值范围之内，则判断所述金属薄膜的尺寸大于预设规格。

可选的，判断所述金属薄膜出现异常包括：如果存在至少一个所述第二检测点的光反射率值超出所述预设阈值范围，并且全部的所述第一检测点的光反射率值超出所述预设阈值范围，则判断所述金属薄膜的尺寸小于预设规格。

可选的，多个所述第一检测点与所述半导体衬底的中心点等距，多个所述第二检测点与所述半导体衬底的中心点等距。

可选的，多个所述第一检测点在以所述半导体衬底的中心点为圆心的同一圆周上呈均匀排列，多个所述第二检测点在以所述半导体衬底的中心点为圆心的同一圆周上呈均匀排列。

可选的，所述金属薄膜的检测方法还包括：对于多个所述第一检测点的光反射率值，选择最接近所述预设阈值范围中心值的所述光反射率值作为第一极值点；对于多个所述第二检测点的光反射率值，选择最远离所述预设阈值范围中心值的所述光反射率值作为第二极值点；记录所述第一极值点和所述第二极值点。

可选的，所述金属薄膜的材料为金属单质或金属化合物。

可选的，所述金属薄膜的形成工艺选自：沉积工艺和溅射工艺。

可选的，所述检测光反射率值包括：采用预设波长的光源检测所述光反射率值，所述预设波长包括100纳米至1000纳米。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明实施例提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有金属薄膜，所述半导体衬底的表面分中心区域和包围所述中心区域的边缘区域；在所述边缘区域内的多个预设位置，检测光反射率值；根据所述多个预设位置的光反射率值与预设阈值范围的关系，判断所述金属薄膜是否出现异常。采用本发明实施例的方案，可以实时辨识金属薄膜的异常情况，有效地避免在半导体衬底上形成的产品的良率降低。

进一步，通过在第一检测点和第二检测点检测光反射率值，本发明实施例可以结合获得的多个光反射率值，进一步判断所述金属薄膜的尺寸错误类型，从而对工艺过程中可能出现的问题类型进行预判，有助于减少排查步骤，提高解决效率。

进一步，本发明实施例可以在检测到金属薄膜的异常情况时，存储所述金属薄膜的异常记录并且发出警示信息，有效地提醒操作者及时处理，减少再次发生同样问题的频率，有效地降低同类型问题导致的损失。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种金属薄膜的检测方法的流程图；

图2是本发明实施例中的一种半导体衬底的俯视示意图；

图3是本发明实施例中的一种半导体衬底的剖面示意图；

图4是本发明实施例中的一种金属薄膜异常情况下的半导体衬底的俯视示意图。

具体实施方式

如前所述，随着半导体器件的高度集成化及高性能化的进展，对金属薄膜的规范性也提出了越来越高的要求，包括金属薄膜的类型、尺寸准确度，以及所述金属薄膜与晶圆之间的对准精度。但是，在现有技术中，并没有实时检测的方法，对所述金属薄膜的规范性进行判断，一旦发生金属薄膜异常问题，往往导致巨大损失。

本发明的发明人经过研究发现，上述问题的关键是，现有技术中通常采用的是延后检测或反馈式纠错的处理方式。具体而言，在对机台进行例行检查时，才会以调整形成金属薄膜的工艺参数，以及对金属薄膜与晶圆的对准精度进行控制，或者在发生低良率(low yield)事件之后，才会查找原因并追溯至产线。在现有的处理方式中，由于反馈周期较长，发生问题时引起的危害较大。

本发明实施例提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有金属薄膜，所述半导体衬底的表面分中心区域和包围所述中心区域的边缘区域；在所述边缘区域内的多个预设位置，检测光反射率值；根据所述多个预设位置的光反射率值与预设阈值范围的关系，判断所述金属薄膜是否出现异常。采用本发明实施例的方案，可以实时辨识金属薄膜的异常情况，有效地避免晶圆的良率降低。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1是本发明实施例中的一种金属薄膜的检测方法的流程图。参照图1，所述金属薄膜的检测方法可以包括步骤S101至步骤S103：

步骤S101：提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有金属薄膜，所述半导体衬底的表面分中心区域和包围所述中心区域的边缘区域。

步骤S102：在所述边缘区域内的多个预设位置，检测光反射率值。

步骤S103：根据所述多个预设位置的光反射率值与预设阈值范围的关系，判断所述金属薄膜是否出现异常。

在步骤S101的具体实施中，提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有金属薄膜，所述半导体衬底的表面分中心区域和包围所述中心区域的边缘区域。

其中，所述半导体衬底的材料可以为硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底。

金属薄膜可以直接或间接地位于半导体衬底上，也即，金属薄膜下方的近邻材料可以是半导体衬底本身，或者也可以是半导体衬底上的其他材料，例如各种介质层(氧化物、氮化物等)。通常而言，金属薄膜通过沉积工艺或溅射工艺形成，位于半导体衬底的中心区域和包围所述中心区域的部分边缘区域。本领域技术人员应当理解的是，在形成所述金属薄膜之前，在所述半导体衬底上还可以经由其它半导体工艺步骤形成一层或多层非金属层或金属层，本发明对此不作限制。

具体地，针对某一具体工艺形成的金属薄膜，可以在边缘区域中设置外边缘线和内边缘线，符合规范的金属薄膜的边缘应当位于所述外边缘线和内边缘线之间。其中，外边缘线距离半导体衬底的中心区域的距离远于内边缘线距离中心区域的距离。具体而言，外边缘线是以所述半导体衬底的边缘为基准向内收缩第一距离得到的，内边缘线是以所述半导体衬底的边缘为基准向内收缩第二距离得到的，所述第一距离小于所述第二距离。

参照图2和图3，图2是本发明实施例中的一种半导体衬底的俯视示意图，图3是本发明实施例中的一种半导体衬底的剖面示意图。在半导体衬底201上，具有金属薄膜202。对于符合规范的金属薄膜202，其边缘应当位于外边缘线211和内边缘线212之间。

具体而言，在所述外边缘线211之外的位置，不应当形成有金属薄膜202。进一步地，如果在所述外边缘线211之外设置第一检测点，并在第一检测点出检测到有金属薄膜202存在，可以判断所述金属薄膜202的尺寸大于预设规格，或金属薄膜202与半导体衬底201之间的对准精度不够，向所述第一检测点的位置方向偏移。

在所述内边缘线212之内的位置，应当完全覆盖有金属薄膜202，不应当检测到近邻材料(例如衬底、介质层等)。进一步地，如果在所述内边缘线212之内设置第二检测点，并在第二检测点检测到的材料并非所述金属薄膜202，可以判断所述金属薄膜202的尺寸小于预设规格，或金属薄膜202与半导体衬底201之间的对准精度不够，向所述第二检测点的位置的相反方向偏移。

继续参照图1，在步骤S102的具体实施中，在所述边缘区域内的多个预设位置，检测光反射率值。

进一步地，在所述外边缘线之外，设置第一检测点对光反射率值进行检测，在所述内边缘线之内，设置第二检测点对光反射率值进行检测。

其中，可以采用具有检测光反射率功能的光学薄膜量测装置，尤其是具有探测材料微结构功能的装置，例如椭偏光谱仪、分光光度计等。本发明对此不作限制。

在步骤S103的具体实施中，根据所述多个预设位置的光反射率值与预设阈值范围的关系，判断所述金属薄膜是否出现异常。

由于所述金属薄膜的光反射率值与近邻材料(例如衬底、介质层等)具有不完全相同的光反射率值范围，可以根据金属薄膜的厚度、成分等因素预设光反射率的阈值范围，并且通过在所述金属薄膜的形成区域内外检测光反射率值，可以判断是否按照预设规格形成了金属薄膜。

具体地，如果至少一个所述第一检测点的光反射率值在所述预设阈值范围之内，或者至少一个所述第二检测点的光反射率值超出所述预设阈值范围，又或者同时存在至少一个所述第一检测点的光反射率值在所述预设阈值范围之内，以及至少一个所述第二检测点的光反射率值超出所述预设阈值范围的情况，则判断所述金属薄膜出现异常。

图4是本发明实施例中的一种金属薄膜异常情况下的俯视示意图。参照图4，在半导体衬底301上，在外边缘线311之外，设置第一检测点321对光反射率值进行检测，在内边缘线312之内，设置第二检测点322对光反射率值进行检测。

当经由第一检测点321检测得到的光反射率在所述金属薄膜303的预设阈值范围内时，可以判断为在外边缘线311之外检测到所述金属薄膜303，则可以判断所述金属薄膜303出现异常，例如尺寸大于预设规格，或金属薄膜303与半导体衬底301之间的对准精度不够，向第一检测点321的位置靠近。

当经由第二检测点322检测得到的光反射率超出所述金属薄膜303的预设阈值范围时，可以判断为在内边缘线312之内未能检测到所述金属薄膜303，则可以判断所述金属薄膜303出现异常，例如尺寸小于预设规格，或金属薄膜303与半导体衬底301之间的对准精度不够，从第二检测点322的位置偏离。

可以理解的是，设置的检测点越多，可以越准确地判断金属薄膜303是否出现异常。

继续参考图1，在步骤S103的具体实施中，通过结合获得的多个光反射率值的数据，可以对所述金属薄膜的异常类型进行预判，例如预判所述金属薄膜是否发生了整体偏移，以及所述金属薄膜的尺寸是否大于或小于预设规格。

进一步地，如果存在至少一个所述第一检测点的光反射率值在所述预设阈值范围之内，并且存在至少一个所述第二检测点的光反射率值超出所述预设阈值范围，则判断所述金属薄膜的图案发生偏移。具体而言，既在外边缘线之外检测到金属薄膜，又在内边缘线之内检测到近邻材料，可以预判为金属薄膜的图案发生偏移。

如果存在至少一个所述第一检测点的光反射率值在所述预设阈值范围之内，并且全部的所述第二检测点的光反射率值位于所述预设阈值范围之内，则判断所述金属薄膜的尺寸大于预设规格。具体而言，仅在外边缘线之外检测到金属薄膜，却未能在内边缘线之内检测到近邻材料，可以预判为金属薄膜的尺寸大于预设规格。

如果存在至少一个所述第二检测点的光反射率值超出所述预设阈值范围，并且全部的所述第一检测点的光反射率值超出所述预设阈值范围，则判断所述金属薄膜的尺寸小于预设规格。具体而言，仅在内边缘线之内检测到近邻材料，却未能在外边缘线之外检测到金属薄膜，可以预判为金属薄膜的尺寸小于预设规格。

进一步地，根据判断得到的所述金属薄膜的尺寸错误类型，本发明实施例可以对工艺过程中可能出现的问题进行预判，以有效提高解决效率。

在现有技术中，在晶圆边缘或侧边形成金属层会导致金属剥离缺陷，在晶圆背面形成金属层会使晶圆应力产生变化，严重时导致破片。

为了防止金属层沉积在晶圆的边缘位置，从而带来后续工艺的缺陷，在实施沉积工艺形成金属薄膜时，通常采用阴影环(shadow ring)在晶圆的边缘进行遮挡，以确保向晶圆表面输入的反应气体仅在所述阴影环范围内发生沉积反应。

由于阴影环与晶圆之间存在距离，为避免在阴影环正下方的晶圆边缘位置形成金属薄膜，在晶背区域内，可以通过向晶圆的正面法线方向输入晶背气体(backside gas)以与正面输入的反应气体对冲，从而有效避免在晶圆侧边和晶背形成金属沉积层。

在此过程中，需要确保所述阴影环的环形中心与所述晶圆的圆心重合，以及所述反应气体和晶背气体的输入压力合适，以确保金属薄膜的尺寸准确度，以及所述金属薄膜与晶圆之间的对准精度。

在具体实施中，当所述异常记录为沉积后所述金属薄膜的图案发生偏移时，可预判为所述阴影环的环形中心与所述晶圆的圆心的对准精度不够，进而优先对所述阴影环设备进行检查。

当所述异常记录为沉积后所述金属薄膜的尺寸大于预设规格时，可预判为所述晶背气体的输入压力不足，进而优先对所述晶背气体的工艺参数，例如输入压力参数进行检查。

当所述异常记录为沉积后所述金属薄膜的尺寸小于预设规格时，可预判为晶面的反应气体浓度或压力不足，进而优先对所述反应气体的工艺参数，例如反应气体的浓度参数或输入压力参数进行检查。

采用本发明实施例，通过在第一检测点和第二检测点检测光反射率值，可以结合获得的多个光反射率值，进一步判断所述金属薄膜的尺寸错误类型。从而对工艺过程中可能出现的问题类型进行预判，有助于减少排查步骤，提高解决效率。

在具体实施中，可以将多个所述第一检测点设置为与所述半导体衬底的中心点等距，以及将多个所述第二检测点设置为与所述半导体衬底的中心点等距。也即在以所述半导体衬底的中心点为圆心、具有不同半径的圆周上，取多个点作为检测点。

由于在常规的沉积工艺或溅射工艺下，形成的金属薄膜通常以半导体衬底的中心点为圆心，且边缘呈现成圆形，所以在以半导体衬底的中心点为圆心的圆周上取检测点，有助于增加判断的准确性。

进一步地，多个所述第一检测点在以所述半导体衬底的中心点为圆心的同一圆周上呈均匀排列，多个所述第二检测点在以所述半导体衬底的中心点为圆心的同一圆周上呈均匀排列。

在具体实施中，采用均匀排列的方式，有助于利于较少的检测点获得更加准确的判断结果，特别是在判断所述金属薄膜的图案发生偏移的过程中。这是因为，如果多个检测点紧密地聚集在一起，将难以指示远离检测点的位置是否存在金属薄膜异常。

作为一个非限制性例子，所述第一检测点和第二检测点可以分别设置为六个均匀排列的检测点。六个检测点的排列方式有助于在避开晶圆的校準缺口的基础上，使检测点在横向和纵向上呈线性对称排列。

在具体实施中，除了存储所述金属薄膜的异常记录，还可以对所述金属薄膜的光反射率值进行记录，通过长期的数据跟踪情况，判断所述金属薄膜的形成工艺的技术能力强度。

具体地，对于多个所述第一检测点的光反射率值，选择最接近所述预设阈值范围中心值的所述光反射率值作为第一极值点。对于多个所述第二检测点的光反射率值，选择最远离所述预设阈值范围中心值的所述光反射率值作为第二极值点。记录所述第一极值点和所述第二极值点。

由于所述第一检测点分布于外边缘线以外，最接近所述预设阈值范围中心值的所述光反射率值即代表在第一检测点中发生异常可能性最大的点；由于所述第二检测点分布于内边缘线以内，最远离所述预设阈值范围中心值的所述光反射率值即代表在第二检测点中发生异常可能性最大的点。

进一步地，仅记录发生异常可能性最大的点有助于简化数据量，在进行长期的数据跟踪工作中，有效提高分析工作的工作效率。

在具体实施中，金属薄膜的材料可以为金属单质或金属化合物。例如所述金属单质可以选自钨、钛、铝、铜、钴、镍、钒、银和金，例如所述金属化合物可以包括氮化钛或镍钒合金。

可以理解的是，金属薄膜的材料与近邻材料(例如衬底、介质层等)的光反射率值差异越大，越有助于对金属材料是否存在异常做出准确判断。本发明实施例对金属薄膜的材料和近邻材料的材料不做具体限制。

在具体实施中，所述金属薄膜的形成工艺可以选自沉积工艺和溅射工艺。优选地，本发明实施例应用于以下工艺中具有更佳效果：钨沉积工艺、铝溅射工艺、钛沉积工艺或氮化钛沉积工艺。

进一步地，所述钨沉积工艺的处理温度可以为350摄氏度至450摄氏度，反应压力可以为90Torr至300Torr，形成的钨薄膜的厚度可以为100纳米至800纳米。本发明对形成所述钨金属薄膜的具体工艺不作任何限制。

所述铝溅射工艺的处理温度可以为250摄氏度至450摄氏度，反应压力可以为小于10mT，形成的铝薄膜的厚度可以为100纳米至6微米。本发明对形成所述铝金属薄膜的具体工艺不作任何限制。

在具体实施中，可以采用预设波长的光源检测所述光反射率值，以确保得到清楚、有效的光反射率值。作为一个非限制性例子，所述预设波长包括100纳米至1000纳米。

在具体实施中，在判断所述金属薄膜出现异常时，存储所述金属薄膜的异常记录和/或发出警示信息。

其中，存储所述金属薄膜的异常记录有助于长期地进行数据跟踪，以有效分析金属薄膜的形成工艺的技术能力强度。具体地，可以通过复用所述光反射率值的测试设备上的存储模块进行存储，或者传输至用户的其它存储设备上进行存储，本发明对此不做限制。

所述发出警示信息可以包括发出报警提示音或者显示报警信息。具体地，报警提示音可以通过复用所述光反射率值的测试设备上的电声装置发出，也可以采用外加的电声装置发出。报警信息可以通过复用所述光反射率值的测试设备上的显示装置进行显示，或者传输至用户的其它显示设备上进行显示，本发明对此不做限制。

本发明实施例可以在检测到金属薄膜的异常情况时，存储所述金属薄膜的异常记录并且发出警示信息，有效地提醒操作者及时处理，减少再次发生同样问题的频率，有效地降低同类型问题导致的损失。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。