专利名称：基于俄歇的薄膜计量的制作方法
技术领域：
一般地说本发明涉及半导体器件制造和工艺控制，具体地说涉及监测淀积在半导体晶片上的超薄层的厚度和成分。
背景技术：
俄歇电子能谱学(AES)是一种测量材料的化学和组成特性的十分公知的技术。AES的原理和它在各种分析应用中的使用例如描述在Kazmerski的Microanalysis of Solids(Plenum Press，New York，1994)的第4章中，在此以引用参考的形式将其并入在本申请中。
AES基于测量从由高能离子束(通常为电子束)辐射的固体中发射的特征电子(称为俄歇电子)的能量谱。该束使在固体中产生原子核级的离子化。所形成的原子核级的空位立即由来自在无辐射处理的更高的能量级的另一电子填充。通过从更高级到原子核级的电子跃迁所释放的能量传递给在同级的或接近它的另一电子，使所述后一电子(俄歇电子)从原子中逃逸出来。俄歇电子的动能由该原子的功函数和它的能量级的结构确定。
由于俄歇处理的特征，每个元素(除了氢和氦之外)都以唯一的俄歇频谱为特征，具有非常确定的能量峰值。这些频谱在科学文献中都很好地记录了。通过分析在给定的材料中的俄歇频谱中的线的分布和幅值，可以确定该材料的元素组成和它们的相对浓度。基于AES的分析系统在商业上可利用。例如，由Physical Electronics，Inc.(EdenPrairie，Minnesota)生产的“SMART-Tool”使用AES来识别并分析在半导体晶片和磁驱动头上的微观缺陷和污染。
通过入射离子束形成的俄歇电子必须从试样中逃逸出来以便进行检测和分析。然而，在俄歇电子脱离它们的基质原子之后，由于碰撞和其它的现象造成它们快速地损失能量。在半导体和金属中，俄歇电子的平均自由路径通常在大约0.4至5纳米。因此，仅在所研究的材料的非常近的表面所形成的俄歇电子才极可能逃逸并被检测到。结果，AES仅提供了关于该材料的最上表面层的数据。AES的这种特征在表面和薄膜分析应用中无疑是有利的。
发明内容
在半导体器件制造中多种新工艺包含具有1纳米或更小的范围的厚度的超薄表面层的形成。为得到良好的、一致的器件性能，必须测量和精确地控制这种层的厚度和成分。为了使产量最大并校正工艺误差，在已经形成了超薄层之后和在其上淀积下一层之前，在晶片正在处理的同时必须测量厚度和成分。然而，如果晶片在形成下一层之前暴露在环境空气中，超薄层的所希望的特性可能被氧化作用和/或水吸收所破坏。因此晶片不能被返回到制造室中。因此需要一种能够快速地且精确地测量在制造环境中的超薄层的厚度和成分的紧凑工具。
为满足这种需要，本发明的优选实施例提供了一种快速、低廉的俄歇计量室，它能够与在半导体晶片制造过程中使用的组合工具(cluster tool)集成在一起。该室包括在晶片的表面上辐射经选择的小点的电子枪和测量所得到的俄歇电子频谱的分析仪。该频谱包括来自在晶片的表面上的超薄层和来自该超薄层之下的底层两者的原子发射峰值。该峰值的相对强度用于确定超薄层的成分和它的厚度。这种信息可用于检测和校正在原始位置的处理缺陷，而不会因将其暴露在该组合工具之外的环境空气中而毁坏超薄层。
虽然在此所描述的优选实施例具体用于制造在半导体晶片上的微电子器件，但是本发明的原理可以类似地应用于测量在其它类型的基片上形成的超薄层的成分和厚度。
因此根据本发明的优选实施例提供一种分析在试样表面上的底层之上形成的薄膜的设备，该薄膜包括第一元素，同时底层包括第二元素，该设备包括电子枪，其适合于导向电子束以撞击到在其上形成了薄膜的试样的表面上的点上；电子检测器，其适合于接收由第一和第二元素响应撞击的电子束而发射的俄歇电子并输出表示所发射的电子的能量分布的信号；和控制器，其被耦合以接收该信号并分析该能量的分布以确定在薄膜中第一元素的成分和薄膜的厚度。
优选地，控制器适合于在分别对应于由第一和第二元素发射的俄歇电子的能量分布中查找具有相应的幅值的第一和第二峰值，并分析第一和第二峰值的幅值以确定薄膜的成分和厚度。更为优选地，控制器适合于比较第二峰值的幅值和第一峰值的幅值以评估由第二元素发射的俄歇电子的衰减，以便由此确定薄膜的厚度。此外或者可替换地，控制器适合于一个一个地比较第一峰值的幅值以确定薄膜的成分。
根据本发明的优选实施例还提供一种制造微电子器件的组合工具，包括淀积站，其适合于在半导体晶片的表面上的底层之上形成包括第一元素的薄膜，该底层包括第二元素；测试站，包括电子枪，其适合于导向电子束以撞击到在其上形成了薄膜的晶片的表面上的点上；电子检测器，其适合于接收由第一和第二元素响应撞击的电子束而发射的俄歇电子并输出表示所发射的电子的能量分布的信号；和控制器，其被耦合以接收该信号并分析该能量的分布以确定在薄膜中第一元素的成分和薄膜的厚度，以及响应成分和厚度中的至少一个调节淀积站的工作参数。
优选地，该工具包括机器人，其适合于将晶片从淀积站传输到测试站，同时将晶片保持在真空中。
在优选的实施例中，通过淀积站形成的薄膜包括栅极介质层。在另一优选实施例中，淀积站适合于通过原子层淀积形成薄膜。优选地，通过原子层淀积形成的薄膜包括在用于该表面上的金属籽晶的淀积的预加工中形成的导电阻挡层。
优选地，薄膜的厚度小于50纳米，更为优选的是小于5纳米，最为可取的是小于1纳米。
根据本发明的优选实施例附加地提供一种用于产品测试的方法，包括；接收包括在试样的表面上的底层之上形成的薄膜，该薄膜包括第一元素，同时底层包括第二元素；导向电子束以将其撞击到在其上形成了薄膜的试样的表面上的点上；接收由第一和第二元素响应撞击的电子束而发射的俄歇电子；和分析所发射的电子的能量分布以确定在薄膜中的第一元素的成分和薄膜的厚度。
结合附图，通过下文对本发明的优选实施例的详细描述将会更加完整地理解本发明，在附图中
附图1所示为根据本发明的优选实施例用于薄膜层的俄歇分析仪的示意性的部分切除的视图；附图2所示为根据本发明的优选实施例从不同厚度的薄膜层中获得的俄歇频谱的示意图；附图3所示为根据本发明的优选实施例用于薄膜计量的设备的示意性方块图；附图4所示为根据本发明的优选实施例包括薄膜计量站的组合工具的示意性俯视图。
具体实施例方式
附图1所示为根据本发明的优选实施例在薄膜计量室中使用的俄歇分析工具20的示意性部分切除的视图。分析仪20被构造成检测从半导体晶片22中发射的俄歇电子。晶片包括形成在底层24上的超薄膜26。通常，薄膜26的厚度小于50纳米。然而，最有利的是，分析仪20用于小于5纳米厚度的层，甚至用于小于1纳米厚度的层。在下文中将描述在现代半导体器件中使用的这种超薄层的某些实例。
俄歇工具20被构造成为在分析领域中公知的圆柱镜分析仪(CMA)。这种类型的CMA(称为“SUPERCMA”)由StaibInstruments GmbH(Munich，Germany)制造。关于这种CMA的进一步信息在www.staib-instruments.com上可得到，从中选用附图1。可替换的是，可以使用其它类型的电子分析仪用于俄歇分析，比如具有渠道倍增检测器的圆柱部分分析仪Cylindrical Sector Analyzer(CSA)。这种类型的CSA由Focus GmbH(Hünstetten-Grsoth，Germany)制造。
工具20包括同轴电子枪28，该电子枪28朝晶片22的表面上的点导向电子束30。电子束聚焦到在晶片表面上的接近点，优选该点的直径不超过大约10-30微米。束焦点的位置优选足够稳定以使在测量期间它的变化不超过5微米。电子束的接近焦点比较有用，因为它允许在晶片的表面上的精确位置处测量薄膜26，比如作为薄膜26的一部分的特定的栅极的位置。俄歇枪的电子能量优选在1-15keV的范围内，具有窄的能量发散(最优选的是＜1eV)，并且束电流的范围在1nA至1μA。
从晶片22中散射的电子通过减速透镜34收集，该减速透镜34能够使圆柱镜36将电子聚焦在出口缝隙38中。这些电子由在本领域中公知的检测器40(优选电子计数检测器)接收。该检测器提供从晶片22发射的电子的数量的计数作为电子能量的函数。从晶片散射的电子优选在至少0-2500eV的能量范围上收集，能量分辨率为2％或更好，并且具有较高的能量校准稳定性。为较高的信号/噪声比和生产率，工具20优选被设计成在至少30°的角度范围上从晶片捕获电子，并且具有至少5％的收集效率(相对于2π的立体角)。为此，同样理想的是检测器40包括多种平行的采集通道。
附图2所示为从形成在硅基片上的不同的厚度和成分的氮氧化硅层中获得的俄歇频谱的示意图。这些频谱显示了作为电子能量的函数发射的电子的数量N(E)。它们包括对应于氮(N)、氧(O)和硅(Si)的如下的特征俄歇电子发射线的三个峰值·N-KLL线380eV·O-KLL线507eV·Si-KLL线1615eV通常，对于每个元素，俄歇频谱包括对应于不同内能级电子跃迁的多种俄歇线。然而，为了清楚简洁的缘故，对于每个元素仅示出了一条线。分析仪20也收集反向散射的电子，这些电子有助于产生在附图中所示俄歇峰值下的平滑变化的背景。
附图2包括从三种不同的膜中获得的频谱·第一频谱42，在膜26中具有较高的氮/氧比率。
·第二频谱44，具有较低的氮/氧比率。
·第三频谱46，相对于前两个频谱其中的膜26更薄。
将会观察到，对应于薄膜层的成分的N和O峰值的相对幅值反应了在该层中的元素的相对浓度。此外，随着使膜26更厚，从在底层24中的硅发射的俄歇电子的衰减导致Si峰值的幅值降低。优选地，对于要通过分析仪20评估的每种类型的薄膜，使用已知厚度和成分的多种不同的膜进行俄歇频谱的校准测量。基于这些校准测量，基于俄歇频谱中的峰值的幅值可以确定相同类型的其它膜的厚度和成分。这种方法足够精确到给出膜26的厚度的读数为大约0.01纳米的精度。
附图3所示为根据本发明的优选实施例晶片22的俄歇计量的站47的示意性方块图。站47包括室48，室48包含了在测量的过程中在其上放置晶片22的运动台49。如附图1所示的俄歇分析仪20将它的电子束导向到晶片22并接收从晶片发射的俄歇电子和反向散射的电子。
台49定位晶片22以便在晶片上的所需的点正确地定位在电子枪28的电子束中。例如，电子束可以对准其中已经形成了膜26的特定栅极的位置。可替换地，电子束可以导向在晶片22上的特定的测试位置上，优选该位置位于在两个小片之间的位置线上。给定电子束的模式的较大的特征尺寸(30微米)，通常大约±5微米的定位分辨率就足够。为了简单及节省空间，台49优选包括R-θ(平移/旋转)台。可替换地或附加地，该台可以提供X-Y平移，或者分析仪20在晶片22上平移。优选地，台49定位晶片(或分析仪平移)以使几个位置由电子束连续地辐射。在每个位置上测量俄歇频谱以确保在整个晶片上维持膜26的均匀性。
可选择地，站47也包括耦合到晶片22的安培计(未示)，以测量由于通过电子枪28辐射在晶片中产生的样品电流。在监测应用到半导体晶片的制造步骤中，样品电流测量的使用描述在04/02/02申请的申请号为60/354361的题为“Method and apparatus for in-processcontact via etch end-point”的美国临时专利申请中，该申请转让给本申请的受让人，并且以引用参考的方式将其公开的内容并入在本申请中。
分析仪20和台49的位置和操作通过枪/俄歇控制单元52和台控制单元54受主控制器50控制。通常，基于低分辨率的光学显微镜(OM/PAL)56的预对准单元通过OM/PAL控制单元58由控制器50使用，以将电子束与待测试晶片上的点对准。为此，显微镜优选在1×1毫米的视场上具有3-4微米的分辨率。例如Optem(Fairport，NewYork)制造用于这种目的的适合的显微镜。
在操作的过程中，通过真空泵60在室48中保持真空，该真空泵也通过真空控制单元62由控制器50控制和监测。虽然，在本领域中公知的AES系统通常设计成在10-9至10-10乇的超高真空(UHV)中操作，但是本发明人已经发现对于在本专利申请中描述的类型的薄膜测量10-6至10-7乇的真空也能够得到满意的结果，只要在室48中的有机气相水平保持在UHV水平即可。本发明的这种特征允许室47与在组合工具中的其它室集成，如下文所描述。如果要求10-9至10-10乇的真空，则这种集成的实现将会难得多。
机器人64将晶片插入到室42并将它们从室中取出。控制器50通过机器人控制单元66与机器人通信。机器人64优选用于将晶片传递给在组合工具中的其它站和从其它站传递出，如附图4所示。
在定位台49和操作分析仪20之后，控制器50接收由检测器40(附图1)收集的电子计数。控制器分析电子计数相对能量的频谱(如附图2所示)，并比较所测量的峰值幅值以校准数据，从而确定膜26的厚度和成分。在确定某些膜的厚度的过程中控制器50也可以使用反向散射(非俄歇)电子信号，例如Niedrig在“Film-ThicknessDetermination in Electron MicroscopyThe Electron BackscatteringMethod”(出版于Optica Acta 24(6)，p.679(1997))中所描述，在此以引用参考的方式将其并入在本申请中。
如果控制器确定膜厚度或成分在预定的容差范围之外，则优选中断制造过程并通过用户工作站68通知系统操作员。操作员评估测试结果然后调用所需要的校正动作。这个动作例如可以包括如果膜26太薄则继续在当前晶片上淀积处理和/或调节制造参数以校正要在随后的晶片上形成的膜的厚度和成分。
附图4所示为根据本发明的优选实施例在其中集成了测试站47的组合工具70的示意性俯视图。通过如下方式使这个集成是可能的测试站47的较小的尺寸和简单的部件，以及测试站不要求UHV来操作的事实。超薄膜计量的其它方法比如X-射线或光学方法不容易使其装配到组合工具框架中或者如果适合在这个框架中工作也会存在较差的分辨率和/或较低的生产率的缺点。基于椭圆计测量的光学方法可能满足某些目的，但只有在膜26的成分由某一其它的方法精确地确定才行。这种限制的原因在于椭圆计测量对随成分变化的膜的折射率敏感。因此，椭圆计测量法可用于非常薄的膜以仅得出厚度和折射率的乘积。
在附图4所示的实施例中，在已经将底层24淀积在晶片上并已经准备用于在其上的金属加籽晶层之后，机器人64接收晶片22。选择工具70的这个实施例和相应的结构作为实例，但其它的过程和结构也可以类似地实施。由于抽空了工具70的内部，因此机器人能够将晶片22从一个室传递到另一室而不会将晶片暴露在环境空气中。可选择地，首先在清洁站72中清洁晶片，然后将其插入到原子层淀积(ALD)站74。这个步骤的目的是在加金属籽晶之前在底层介质或半导体层24上形成阻挡层，以防止金属随后扩散进入底层。阻挡层通常包括TaN、TiS或SrS或在本领域中公知的其它材料。
在已经将薄膜淀积在晶片22上以用作阻挡层之后，将晶片传递给测试站47。在测试站47中，测量从晶片22中发射的电子的俄歇频谱，并通过控制器50评估结果，如上文所描述，以便确定阻挡层的厚度和成分。TaN阻挡层例如应该具有精确到在大约0.5和3纳米之间的值的厚度。如果膜26的厚度和成分发现在公称值的预定的容差范围(优选在大约±0.05纳米内)内，则认为该阻挡层是可接受的。然后机器人将晶片22移到籽晶站78以在阻挡层上施加铜籽晶。铜籽晶层优选大约5纳米厚。如果需要的话，在测试站47中的俄歇测量也可以在加籽晶步骤之后重复进行，以验证铜籽晶层的厚度。
在另一方面，如果发现阻挡层太薄，则可以指令机器人64将晶片返回到ALD站74以进一步淀积，随后在站47中重新测试。可替换地或附加地，工作站68可用于调节工艺参数以校正任何工艺偏差。
作为另一实例，工具70可以适合于使在晶片22上形成的在CMOS晶体管中的叠加导体和栅极之间生长栅极介质层。通常，栅极介质包括在大约0.5和2纳米厚之间的氮氧化硅的薄层，它由热生长的氧化物的等离子氮化形成。为一致地控制晶体管的电参数，优选使用测试站47监测介质层的厚度，以使层的厚度在规定的大约±0.01纳米内。氮的浓度也要仔细地控制，优选在大约±0.75％的范围内。然后在将晶片取下到环境空气中之前使用工具70的一个站将多晶硅淀积在电介质层上。
除了这些实例之外，在站47中的AES可类似地用于其它类型的层的化学计算分析，以及用于污染等级的测量和控制。站47也可以适合于其它类型的测量，比如如上文所述的接触孔监测的样品电流的测量，以及用于注入剂量的测量的X-射线光谱测定法。其它可能的修改对于本领域的普通技术人员来说是显然的。
虽然在此描述的优选实施例具体针对在半导体晶片22上的微电子器件的制造，但是本发明的原理可以类似地应用于测量形成在其它类型的基片上的超薄层的成分和厚度。因此，应该理解的是上文描述的优选实施例已经通过举例的方式进行描述，并且本发明并不限于在上文所具体地示出并描述的实施例。本发明的范围而是应该包括上文所描述的各种特征组合和子组合以及本领域的普通技术人员在阅读前述的描述后做出的在已有技术中所没有公开的变型和改进。
权利要求
1.一种分析在试样的表面上的底层之上形成的薄膜的设备，所述薄膜包括第一元素，同时底层包括第二元素，所述设备包括电子枪，其适合于导向电子束以撞击到在其上形成有薄膜的试样表面上的点上；电子检测器，其适合于接收由第一和第二元素响应所述撞击的电子束而发射的俄歇电子，并输出表示所发射的电子的能量分布的信号；和控制器，其被耦合以接收所述信号并分析所述能量的分布，以确定在薄膜中第一元素的成分和薄膜的厚度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中控制器适合于在分别对应于由第一和第二元素发射的俄歇电子的能量分布中查找具有相应的幅值的第一和第二峰值，并分析第一和第二峰值的幅值以确定薄膜的成分和厚度。
3.根据权利要求2所述的设备，其中控制器适合于比较第二峰值的幅值和第一峰值的幅值以评估由第二元素发射的俄歇电子的衰减，以便由此确定薄膜的厚度。
4.根据权利要求2所述的设备，其中控制器适合于一个一个地比较第一峰值的幅值以确定薄膜的成分。
5.根据权利要求1所述的设备，其中薄膜的厚度小于50纳米。
6.根据权利要求5所述的设备，其中薄膜的厚度小于5纳米。
7.根据权利要求6所述的设备，其中薄膜的厚度小于1纳米。
8.一种用于制造微电子器件的组合工具，包括淀积站，其适合于在半导体晶片的表面上的底层之上形成包括第一元素的薄膜，所述底层包括第二元素；测试站，包括电子枪，其适合于导向电子束以撞击到在其上形成有薄膜的晶片表面上的点上；电子检测器，其适合于接收由第一和第二元素响应撞击的电子束而发射的俄歇电子，并输出表示所发射的电子的能量分布的信号；和控制器，其被耦合以接收所述信号并分析所述能量的分布，以确定在薄膜中第一元素的成分和薄膜的厚度，以及响应成分和厚度中的至少一个调节淀积站的工作参数。
9.根据权利要求8所述的工具，包括机器人，该机器人适合于将晶片从淀积站传输到测试站，同时所述晶片被保持在真空中。
10.根据权利要求8所述的工具，其中通过淀积站形成的薄膜包括栅极介质层。
11.根据权利要求8所述的工具，其中淀积站适合于通过原子层淀积形成薄膜。
12.根据权利要求11所述的工具，其中通过原子层淀积形成的薄膜包括在准备于所述表面上淀积金属籽晶时所形成的阻挡层。
13.根据权利要求8所述的工具，其中薄膜的厚度小于50纳米。
14.根据权利要求13所述的工具，其中薄膜的厚度小于5纳米。
15.根据权利要求14所述的工具，其中薄膜的厚度小于1纳米。
16.根据权利要求8所述的工具，其中控制器适合于在分别对应于由第一和第二元素发射的俄歇电子的能量分布中查找具有相应的幅值的第一和第二峰值，并分析第一和第二峰值的幅值以确定薄膜的成分和厚度。
17.根据权利要求16所述的工具，其中控制器适合于比较第二峰值的幅值和第一峰值的幅值以评估由第二元素发射的俄歇电子的衰减，以便由此确定薄膜的厚度。
18.根据权利要求16所述的工具，其中控制器适合于一个一个地比较第一峰值的幅值以确定薄膜的成分。
19.一种用于产品测试的方法，包括；接收一试样，该试样包括在所述试样的表面上的底层之上形成的薄膜，所述薄膜包括第一元素，同时底层包括第二元素；导向电子束以使其撞击到在其上形成有薄膜的试样表面上的点上；接收由第一和第二元素响应撞击的电子束而发射的俄歇电子；和分析所发射的电子的能量分布，以确定在薄膜中的第一元素的成分和薄膜的厚度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中试样包括半导体晶片，以及其中接收试样包括在晶片上形成薄膜。
21.根据权利要求20所述的方法，其中形成薄膜包括在淀积室中在晶片上形成薄膜，以及其中接收试样进一步包括从淀积站将晶片传递给测试室，同时将晶片保持在真空中，其中导向电子束和接收俄歇电子的步骤在测试室中执行。
22.根据权利要求20所述的方法，其中形成薄膜包括将栅极介质层淀积在晶片上。
23.根据权利要求20所述的方法，其中形成薄膜包括将原子层淀积应用在晶片上。
24.根据权利要求23所述的方法，其中应用原子层淀积包括在准备于所述表面上淀积金属籽晶时形成阻挡层。
25.根据权利要求20所述的方法，其中薄膜的厚度小于50纳米。
26.根据权利要求25所述的方法，其中薄膜的厚度小于5纳米。
27.根据权利要求26所述的方法，其中薄膜的厚度小于1纳米。
28.根据权利要求19所述的方法，其中分析所述分布包括在分别对应于由第一和第二元素发射的俄歇电子的能量分布中查找具有相应的幅值的第一和第二峰值，并分析第一和第二峰值的幅值以确定薄膜的成分和厚度。
29.根据权利要求28所述的方法，其中分析幅值包括比较第二峰值的幅值和第一峰值的幅值以评估由第二元素发射的俄歇电子的衰减，以便由此确定薄膜的厚度。
30.根据权利要求19所述的方法，其中分析所述分布包括一个一个地比较第一峰值的幅值以确定薄膜的成分。
全文摘要
一种分析在试样的表面上的底层之上形成的薄膜的设备，该薄膜包括第一元素，同时底层包括第二元素。该设备包括导向电子束以撞击到在其上形成了薄膜的试样表面上的点上的电子枪。电子检测器接收由第一和第二元素响应撞击的电子束而发射的俄歇电子并输出表示所发射的电子的能量分布的信号。控制器接收该信号并分析该能量的分布以确定在薄膜中第一元素的成分和薄膜的厚度。
文档编号G01N23/20GK1628246SQ03803199
公开日2005年6月15日 申请日期2003年2月4日 优先权日2002年2月4日
发明者亚历山大·凯蒂塞维奇, 艾维·西蒙 申请人:应用材料有限公司, 应用材料以色列有限公司