一种嵌入式金属膜膜厚测量装置及测量方法

一种嵌入式金属膜膜厚测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种嵌入式金属膜厚测量装置及方法，该装置包括样品承载移动平台、入射臂、对称设置于样品承载移动平台上方的第一出射臂光束处理组件；入射臂用于向需检测样品中的金属膜或金属膜节点侧墙发出光源；第一出射臂用于接收平行于入射光的折射光，光束处理组件接收并处理第一出射臂发送的折射光信息，获得到达第一临界状态时间T1和到达第二临界状态时间T2，并根据入射光角度、T1、T2、第一介质层材料的折射率和移动平台的速度得到金属膜或金属膜节点的厚度。因此，本发明在保证测量金属膜膜厚结果的精准性前提下，避免了金属膜的损伤，且测试成本相对较低，十分便于与非金属测量设备相集成。
【专利说明】一种嵌入式金属膜膜厚测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路制造量测【技术领域】，更具体地说，涉及一种嵌入式金属膜厚测量装置和测量方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体集成电路制造工艺的不断进步，当半导体器件尺寸缩小至深亚微米时，金属互连中的电阻(R)和电容(C)易产生寄生效应，导致金属互连线传递的时间延迟(RC time delay)。
[0003]在超大规模集成电路集成工艺中，为克服金属互连中电阻(R)和电容(C)的寄生效应，互连线材料的选择从采用铝金属已经向采用铜金属材料方向转移。然而，铝工艺和铜工艺由于材料选择之间的差异，即铝工艺中的非破坏性测量金属膜是通过测量二氧化硅介质层厚度来确定铝线金属膜的厚度，而铜工艺中，需直接测量铜线金属膜厚度，这为非破坏性测量金属膜领域带来了新的挑战。
[0004]目前，后段工艺(Back-end-of-line,简称BE0L)的铜互连通常米用铜大马士革技术。一般来说，铜大马士革技术通过制作基底，并于基底中形成凹槽(金属线槽)，再通过淀积，电镀等方式于线槽及基底上覆盖阻挡层和铜层，最后，通过化学机械抛光工艺(Chemical Mechanical Polishing,简称CMP)去除多余的铜层,保留在线槽内的铜层即获得所期望的铜互连线。
[0005]目前，测量铜互连线层金属膜厚度的传统方法是四点探针法。请参阅图1，图1为现有技术中测量测样本为已经制备好的铜互连线和铜互连线节点(PAD)的测量结构示意图。如左图所示，通过排列在一条直线上的四个外部探针压入到金属膜中，电流从一个外部探针进入，并通过相对的外部探针返回。量测出中间的两个探针之间的电压并根据电阻率换算计算出金属膜的厚度。如右图所示，通过排列在一节点四角上的四个外部探针压入到金属膜中，电流从一个外部探针进入，并通过相对的外部探针返回。量测出中间的两个探针之间的电压并根据电阻率换算计算出金属膜的厚度。上述测量为接触式测量方法，该方法无可避免会对金属膜产生刮痕，并导致少量颗粒的形成。
[0006]因此，如何在嵌入式金属的大马士革结构中精确测量出金属的厚度，避免表面损伤，是目前业界需要解决的问题。

【发明内容】

[0007]本发明的目的在于提供一种嵌入式金属膜厚测量装置及其方法，其基于光学反射原理和数学计算技术，即非接触式测量技术，实现无创伤精确测量嵌入式金属膜的膜厚。
[0008]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0009]一种嵌入式金属膜厚测量装置，用于测量嵌设在半导体衬底样品第一介质层中的金属膜线或金属膜节点的厚度，其中，所述第一介质层下面具有第二介质层，其包括样品承载移动平台、入射臂、具有光电探测器的第一出射臂和光束处理组件；样品承载移动平台沿着X或Y方向携带样品进行平行移动；入射臂设置于所述样品承载移动平台上方，用于向需检测样品中的金属膜或金属膜节点侧墙发出光源；其中，光源发出与第一介质层表面呈一锐角的入射光；第一出射臂用于接收平行于入射光的折射光；光束处理组件用于接收并处理所述第一出射臂发送的折射光信息，获得到达第一临界状态时间Tl和到达第二临界状态时间T2，并根据入射光角度、Tl、T2、第一介质层材料的折射率和移动平台的速度得到金属膜或金属膜节点的厚度，其中，第一临界状态时间Tl为第一出射臂检测到折射光的时间，第二临界状态时间T2为第一出射臂检测到折射光消失的时间。
[0010]优选地，所述样品承载移动平台包括移动螺杆、电机和真空吸附装置。
[0011]优选地，所述侧墙的平面与样品承载移动平台的移动方向相垂直。
[0012]优选地，所述金属膜线或金属膜节点材料的透光性大于50%。
[0013]优选地，所述金属膜线或金属膜节点材料为铜、铝或钨。
[0014]优选地，所述光源为UV氙灯或卤素光源。
[0015]优选地，所述第一介质层材料的透光性大于50%。
[0016]优选地，所述入射角为20度到70度范围中选取。
[0017]优选地,所述样品承载移动平台的移动速度选自lnm/step到3nm/step之间的一个值。
[0018]为实现上述目的，本发明还提供一种嵌入式金属膜厚测量方法，包括如下步骤:
[0019]步骤Sll:将嵌设有金属膜线或金属膜节点的样品装载在所述样品承载移动平台上；
[0020]步骤S12:设置于所述样品承载移动平台斜前上方的入射臂向需检测样品中的金属膜或金属膜节点侧墙发出光源；其中，光源发出与第一介质层表面呈一锐角的入射光；
[0021]步骤S13:向靠近入射臂设置方向移动所述样品承载移动平台；当第一出射臂检测到光束时，计时Tl，表明样品移动到临界位置A ;
[0022]步骤S14:继续以相同速度和方向移动样品平台，当第一出射臂检测到光束消失时，计时T2，表明样品移动到临界位置B ；
[0023]步骤S15:光束处理组件接收并处理所述第一出射臂发送的折射光信息，获得到达第一临界状态时间Tl和到达第二临界状态时间T2，并根据入射光角度、Tl、T2、第一介质层材料的折射率和移动平台的速度得到金属膜或金属膜节点的厚度。
[0024]从上述技术方案可以看出，本发明提供的非接触式的测试方法，在保证测量金属膜膜厚结果的精准性前提下，避免了金属膜的损伤，且测试成本相对较低，十分便于与非金属测量设备相集成。
【专利附图】

【附图说明】
[0025]图1为现有技术中测量测样本为制备好的铜互连线和节点(PAD)的测量结构示意图
[0026]图2为本发明嵌入式金属膜厚测量装置一较佳实施例的测量结构示意图
[0027]图3为本发明嵌入式金属膜厚测量方法一较佳实施例流程示意图
[0028]图4为本发明实施例中入射光在第一介质中传播的示意图
[0029]图5为发明实施例中样品承载移动平台位于临界状态A时入射光、折射光和反射光的传播路线示意图
[0030]图6为发明实施例中样品承载移动平台超过临界状态A时入射光在金属侧面反射后的传播路线示意图
[0031]图7为发明实施例中样品承载移动平台位于临界状态B时入射光、折射光和反射光的传播路线示意图
[0032]图8为发明实施例中样品承载移动平台位于临界状态A到B之间的入射光、折射光和反射光的传播路线示意图
[0033]图9为发明实施例中样品承载移动平台承载样品移动距离和金属薄膜厚度的关系图
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图2和9，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0035]需要说明的是，本发明嵌入式金属膜厚测量装置为非接触式测量，其基于光学反射原理和数学计算技术，用于测量嵌设在半导体衬底样品第一介质层中的金属膜线或金属膜节点的厚度。金属膜应用常见在基于大马士革工艺而形成的结构中。这种工艺和结构目前是大部分半导体集成芯片互连线制作的基础。其结构通常为将金属材料镶嵌在主要以二氧化硅为材料的介质中。
[0036]请参阅图2，图2为本发明嵌入式金属膜厚测量装置一较佳实施例的测量结构示意图。如图所示，本发明实施例中的被测试半导体衬底样品，包括第一介质层和其下面的第二介质层2，金属膜线或金属膜节点嵌设在第一介质层中。第一介质层材料的透光性通常大于50%，例如，二氧化硅；金属膜线或金属膜节点材料可以选自铜、铝或钨等透光性大于50%的材料，较佳地，可以是铜线。在本实施例中，测量装置包括样品承载移动平台、入射臂、具有光电探测器的第一出射臂和第二出射臂和光束处理组件(图未示)。
[0037]样品承载移动平台可以沿着X或Y方向携带样品以一定的速度进行平行移动，为保证测试精度，移动速度可以选自lnm/step到3nm/step之间的一个值。在本实施例中，样品承载移动平台可以包括移动螺杆、驱动平台移动的电机和握住样品的真空吸附装置。当然，其它现有技术中可以将样品固定在平台上的任何技术，均可以用于该发明，在此不再赘述。
[0038]入射臂设置于样品承载移动平台上方，用于向需检测样品中的金属膜或金属膜节点侧墙发出光线；其中，光源发出与第一介质层表面呈一锐角α的入射光；较佳地，在本实施例中，入射角可以从20度到70度范围中选取，光源可以为UV氙灯或卤素光源。需检测样品中的金属膜或金属膜节点侧墙的平面与样品承载移动平台的移动方向最好相垂直，也就是说，如果样品承载移动平台沿着X方向携带样品以一定的速度，从右到左进行平行移动的话，金属膜或金属膜节点侧墙的平面一定是以Y方向延伸的。
[0039]在本实施例中，第一出射臂和第二出射臂对称设置于样品承载移动平台左上方，第一出射臂用于接收平行于入射光的折射光，第二出射臂用于接收垂直于入射光的反射光；光束处理组件用于接收并处理第一出射臂和第二出射臂发送的折射光和/或反射光的信息，获得到达第一临界状态时间Tl和到达第二临界状态时间Τ2，并根据入射光角度、Tl、Τ2和移动平台的速度得到金属膜或金属膜节点的厚度，其中，第一临界状态时间Tl为第一出射臂检测到折射光的时间，第二临界状态时间T2为第一出射臂检测到折射光消失的时间。
[0040]下面通过图3至图9对本发明的嵌入式金属膜厚测量方法和原理进行详细说明。请参阅图3，图3为本发明嵌入式金属膜厚测量方法一较佳实施例流程示意图。如图所示，在本实施例中，该方法具体可以包括如下步骤:
[0041]步骤Sll:将嵌设有金属膜线或金属膜节点的样品装载在样品承载移动平台上。需要说明的是，如图4-图9中所示的金属部分均为需测量金属线的剖面，实施例中所测试的线长为金属线的左侧墙。
[0042]步骤S12:设置于所述样品承载移动平台斜前上方的入射臂向需检测样品中的金属膜或金属膜节点侧墙发出光源；其中，光源发出与第一介质层表面呈一锐角的入射光。
[0043]具体地，请参阅图4，图4为本发明实施例中入射光在第一介质中传播的示意图。如图所示，入射臂的光源发射出量测光束入射光1，当入射光I以一定的角度α入射到样品中的第一介质层的界面时，一部分发生反射(即反射光I);另一部分由于折射现象，光束会改变角度，以β角度在第一介质层(例如，二氧化硅)内部进行传播(折射光I)。
[0044]当折射部分的光束到达第一介质层底部的第二介质层时，又分为两部分，一部分反射回到第一介质层内部(反射光2，反射角度β )，另一部分继续进入第二介质层折射。此时，反射部分的光束到达第一介质层层顶部时继续分为达第一介质层的反射光和进入空气中的折射光2 (折射角度为α)。该折射光2由第二出射臂中的光电探测器进行探测。
[0045]步骤S13:向靠近入射臂设置方向移动所述样品承载移动平台；当第一出射臂检测到光束时，计时Tl，表明样品移动到临界位置Α。请参阅图5，图5为发明实施例中样品承载移动平台位于临界状态A时入射光、折射光和反射光的传播路线示意图。如图所示，随着样品往入射光方向移动，在临界时间Tl时,反射光2会在第一介质层顶部碰到金属材料(第一介质层和嵌入金属的侧壁接触面)，进而在金属材料表面形成第三次反射，反射光3到达第一介质层顶部后继续形成折射3，该折射光3由第一出射臂中的光电探测器进行探测。
[0046]步骤S14:继续以相同速度和方向继续往入射光方向移动样品平台，请参阅图6，图6为发明实施例中样品承载移动平台超过临界状态A时入射光在金属侧面反射后的传播路线示意图。如图所示，反射光2继续在金属的Y面上往下移动，该折射光3继续可以由第一出射臂中的光电探测器探测出来。当第一出射臂检测到折射光3的光束消失时，计时Τ2，表明样品移动到临界位置B ;请参阅图7，图7为发明实施例中样品承载移动平台位于临界状态B时入射光、折射光和反射光的传播路线示意图。如图7所示,到达临界时间Τ2时(反射光2到达金属最底部)，反射光2进入金属的底部，即反射光3和折射光3都将消失。
[0047]步骤S15:光束处理组件接收并处理所述第一出射臂发送的折射光信息，获得到达第一临界状态时间Tl和到达第二临界状态时间Τ2，并根据入射光角度、Tl、Τ2、第一介质层材料的折射率和移动平台的速度得到金属膜或金属膜节点的厚度。
[0048]也就是说，在本实施例中，第一出射臂所检测到的折射光3从无到有意味着光到达临界状态Α，检测到的折射光3从有到无则意味着光到达临界状态B。而此时，光从临界状态A到临界状态B的时间里对应于金属薄膜的厚度商的移动距离，如图8所示。
[0049]本领域技术人员清楚，根据临界状态A到临界状态B之间的移动时间Τ2-Τ1与已知的样品移动的速度V、光束入射角度α和折射率η，就能计算得出反射光在金属Y面上移动的距离，也就是金属膜的膜厚，如图9所示。即根据三角函数可知:
[0050]Y=Xctg β = (Τ2-Τ1) *V
[0051]其中:T1为具有金属反射信号开始时间(临界状态A到达时间)，可以由第一出射臂检出；
[0052]T2为金属反射信号消失开始时间(临界状态B到达时间)，可以由第一出射臂检出；
[0053]V为样品移动速度；
[0054]β为折射角，与第一介质层膜折射率η和光源入射角α相关，
[0055]β =arcsin (sin a /n)
[0056]X 为样品移动距离，SP:X=(T2-T1)*V
[0057]综上所述，本发明所采用的测量转折测量方法，其利用光学的反射和折射原理，通过采集到折射光信号的产生和消失，结合将样品的移动距离，来计算金属薄膜的厚度。因此，本发明在避免表面损伤的情况下，可以精确测量大马士革嵌入式金属结构中的金属薄
膜厚度。
[0058]以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种嵌入式金属膜厚测量装置，用于测量嵌设在衬底样品第一介质层中的金属膜线或金属膜节点的厚度，其中，所述第一介质层下面具有第二介质层，其特征在于，包括: 样品承载移动平台，沿着X或Y方向携带样品进行平行移动； 入射臂，设置于所述样品承载移动平台上方，用于向需检测样品中的金属膜或金属膜节点侧墙发出光源；其中，光源发出与第一介质层表面呈一锐角的入射光； 具有光电探测器的第一出射臂，用于接收平行于入射光的折射光； 光束处理组件，用于接收并处理所述第一出射臂发送的折射光信息，获得到达第一临界状态时间Tl和到达第二临界状态时间T2，并根据入射光角度、Tl、T2、第一介质层材料的折射率和移动平台的速度得到金属膜或金属膜节点的厚度；其中，第一临界状态时间Tl为第一出射臂检测到折射光的时间，第二临界状态时间Τ2为第一出射臂检测到折射光消失的时间。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述样品承载移动平台包括移动螺杆、电机和真空吸附装置。
3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述侧墙的平面与样品承载移动平台的移动方向相垂直。
4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述金属膜线或金属膜节点材料的透光性大于50%。
5.如权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述金属膜线或金属膜节点材料为铜、招或鹤。
6.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述光源为UV氙灯或卤素光源。
7.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一介质层材料的透光性大于50%。
8.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述入射角的角度从20度到70度范围中选取。
9.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述样品承载移动平台的移动速度选自lnm/step到3nm/step之间的一个值。
10.一种采用权利要求1所述的装置的测量方法，其特征在于，其包括如下步骤: 步骤Sll:将在第一介质层嵌设有金属膜线或金属膜节点的样品装载在所述样品承载移动平台上； 步骤S12:设置于所述样品承载移动平台斜前上方的入射臂向需检测样品中的金属膜或金属膜节点侧墙发出光源；其中，光源发出与第一介质层表面呈一锐角的入射光； 步骤S13:向靠近入射臂设置方向移动所述样品承载移动平台；当第一出射臂检测到光束时，计时Tl，表明样品移动到临界位置A ； 步骤S14:继续以相同速度和方向移动样品平台，当第一出射臂检测到光束消失时，计时T2，表明样品移动到临界位置B ； 步骤S15:光束处理组件接收并处理所述第一出射臂发送的折射光信息，获得到达第一临界状态时间Tl和到达第二临界状态时间T2，并根据入射光角度、Tl、T2、第一介质层材料的折射率和移动平台的速度得到金属膜或金属膜节点的厚度。
【文档编号】H01L21/66GK103700600SQ201310673584
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2013年12月10日
【发明者】黄仁东 申请人:上海集成电路研发中心有限公司