CN1759297A

CN1759297A - 确定层厚度的方法和***

Info

Publication number: CN1759297A
Application number: CNA028234812A
Authority: CN
Inventors: 拉里·弗利萨; 卡尔·莫兹
Original assignee: Freescale Semiconductor Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2006-04-12
Also published as: US6671059B2; US20030082840A1; US6472237B1; EP1448950A1; WO2003038374A1

Abstract

本发明涉及一种确定至少一个半导体晶片(12)上的至少一层的厚度的方法，该方法包括以下步骤：在至少一层(10)的表面(16)上投射第一激光脉冲(14)，从而由于对至少一层(10)的表面的加热而产生声波；在声波的传播时间之后，在至少一层(10)的表面(16)上投射一组第二激光脉冲(18)；测量第二激光脉冲(18)的被反射激光脉冲(20)，从而检测至少一层(10)的表面(16)的反射特性改变时间；和通过分析反射特性改变的时间确定至少一层(10)的厚度。本发明还涉及一种确定半导体晶片(12)上层(10)的厚度的***。

Description

确定层厚度的方法和***

技术领域

本发明通常涉及确定半导体晶片上层厚度的一种方法，更具体地说涉及确定不透明层的厚度的一种方法。本发明还涉及确定半导体晶片上层厚度的一种***。

背景技术

有几种半导体晶片加工技术，其中薄层或膜被沉积和/或去除。通过层厚度的知识这些技术可以被改进。通常地，光学技术被用于确定层厚。但是，这些技术仅适用于测量透明层。

例如，电镀是一种用于沉积铜膜至集成电路结构的新兴加工技术。电镀技术目前受限于缺乏包括沉积终止的过程控制机理。该过程通常以不保证带有精确厚度的沉积的计时处理步骤执行。

作为另一示例，等离子蚀刻加工技术目前受限于不直接基于膜厚目标而是基于间接方法的终点方案。例如，这种间接方法为光发射光谱，或基于事先运行试验晶片的计时方法。此外，随着膜厚的减小，干涉测量法可以被用作一种间接终点确定方法。

同样，湿加工(wet tool)技术目前受限于不直接基于膜厚目标的终点方案。同样在这种情况下，使用基于事先运行试验晶片的计时方法。

类似地，在扩散过程技术中，使用间接方法。同样在这种情况下，采用干涉测量法或基于事先运行试验晶片的计时方法。

晶片上层厚度为目标的其它技术是化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。同样在这些方法中，目前的测量技术受限于缺乏控制机理。

发明内容

本发明通过提供可靠并精确地确定半导体晶片上的层厚的一种新方法和一种新***，试图解决上述问题。

根据本发明的一方面，提供一种确定至少一个半导体晶片上的至少一层的厚度的方法，该方法包括以下步骤：在所述至少一层的表面上投射第一激光脉冲，从而由于对所述至少一层的表面的加热而产生声波，在声波的传播时间之后，在所述至少一层的表面上投射一组第二激光脉冲，测量第二激光脉冲的被反射激光脉冲，从而检测所述至少一层的表面反射特性改变时间，和通过分析反射特性改变的时间确定所述至少一层的厚度。

根据本发明的另一方面，提供一种确定至少一个半导体晶片上的至少一层的厚度的***，该***包括：用于在所述至少一层的表面上投射第一激光脉冲，从而由于对所述至少一层的表面的加热而产生声波的装置，用于在所述至少一层的表面上投射一组第二激光脉冲的装置，用于测量第二激光脉冲的被反射激光脉冲，从而检测所述至少一层的表面的反射特性改变时间的装置，和通过分析反射特性改变的时间确定所述至少一层的厚度的装置。

附图说明

图1表示例示本发明的带有不同层的半导体晶片的两示意截面图；

图2为例示如本发明的一种***的等离子蚀刻室的截面图；

图3为例示如本发明的一种***的湿加工槽的顶视图；

图4为例示如本发明的另一种***的湿加工槽的顶视图；

图5为例示如本发明的另一种***的湿加工配置的侧视图；

图6为例示如本发明的另一种***的扩散管的侧视图；

图7为例示如本发明的另一种***的表示化学气相沉积室或等离子蚀刻室的室的侧视图；

图8为如图7的室的侧视图，例示如本发明的方法的处理步骤；

图9为如图7和8的室的侧视图，例示如本发明的方法的另一处理步骤；

图10为例示如本发明的另一种***的物理气相沉积溅射室的侧视图；

图11为如图10的物理气相沉积溅射室的侧视图，例示如本发明的方法的处理步骤；

图12为如图10和11的物理气相沉积溅射室的侧视图，例示如本发明的方法的另一处理步骤；

图13为例示如本发明的另一种***的处理室和传送室的侧视图；

图14的流程图表示如本发明的方法。

具体实施方式

如本发明，提供一种确定至少一个半导体晶片12上的至少一层10的厚度的方法，该方法包括以下步骤：

-在至少一层10的表面16上投射第一激光脉冲14，从而由于至少一层10的表面16的加热产生声波，

-在声波的传播时间之后，在至少一层10的表面16上投射一组第二激光脉冲18，

-测量第二激光脉冲18的被反射激光脉冲20，从而检测至少一层10的表面16上的反射特性改变时间，和

-通过分析反射特性改变的时间确定至少一层10的厚度。

如本发明，还提供一种确定至少一个半导体晶片12上的至少一层10的厚度的***，该***包括：

-装置22、28、30，用以在至少一层10的表面16上投射第一激光脉冲14，从而由于至少一层10的表面16的加热产生声波，

-装置24、28，用以在至少一层10的表面16上投射一组第二激光脉冲18，

-装置30，用以测量第二激光脉冲18的被反射激光脉冲20，从而检测至少一层10的表面16上的反射特性改变时间，和

-通过分析反射特性改变的时间确定至少一层10的厚度的装置。

声波技术使用第一激光脉冲在晶片表面上产生瞬时加热的精细斑点。这产生沿膜层传播的局部声波。当到达界面时，返回部分回波信号。一部分声波穿过界面并且沿下面的膜层传播。该过程继续通过所有层。返回表面的各回波改变表面反射特性。通过第二激光脉冲测量该反射特性改变。这些探测脉冲可以通过分束器被从第一激光脉冲分出。在第二激光脉冲的检测之后，信号的软件分析将声波产生与回波检测之间的时间转换为准确的薄膜厚度值。多层薄膜叠层(stack)可以被单独或同时测量。这种技术的重要优点与测量不能被光学测量的被沉积在晶片上的不透明膜层的可能性有关。此外，激光束可以被移动至沿晶片的多个位置以测量晶片内均匀性。

所述技术可以被用于测量通过电镀沉积的薄膜的厚度。有可能测量包括例如铜的电镀材料的溶液内的膜厚。例如，通过浸入一种溶液并应用电流独立地沉积各晶体，执行这种电镀。当晶片被从溶液去除时可以实施测量技术。基于测量结果，可以执行附加沉积。如本发明的***可以被用作终点***，如果它被在沉积溶液中直接采用。在这种情况下，测量技术可以被使用具有无晶片的相同溶液的分离槽参考，以减去液体对测量结果的贡献。这种基准槽也可以被用于确定溶液的性质。这可以通过采用不被用于处理的基准槽被获得。

图1表示例示本发明的带有不同层的半导体晶片的两示意截面图。图2为例示如本发明的一种***的等离子蚀刻室的截面图。

在图1的上部分半导体晶片12被在等离子蚀刻过程中第一次表示。在图1的下部分半导体晶片12被第一次之后第二次表示。半导体12具有通过等离子蚀刻被去除的层10。在层10上提供另一结构56。在该结构56的下面保持层10。在层10的表面16上投射第一激光脉冲14。因此，由于表面16的加热产生一种声学晶片。第二激光脉冲18被投射在表面16上，并且它被反射。被反射激光脉冲20可以被检测。由于表面16的反射特性变化取决于层10的厚度，因此通过测量反射特性的变化可以检测层10的厚度。

在图2中提供一种等离子蚀刻处理室32，它带有第一激光脉冲的窗口36、入射第二激光脉冲的窗口38和被反射第二激光脉冲20的窗口40。在等离子蚀刻处理室中建立等离子体34。由于该结构，层10的厚度的原位测量可能。

所述等离子蚀刻室测量方法被设计为工作于带有和没有形貌学的区域。该方法消除对测验晶片的需要和与未图案化晶片相对于有形貌和特征的晶片的目标沉积时间相关的错误。另一可实现的测量特征是室中侧壁沉积的分布(profiling)。此外，去除一定部分的膜层同时停止在相同层的方法，例如凹进刻蚀，可以从如本发明的方法和***中受益。

声波计量学允许不同不透明膜的测量，例如金属、单独的氧化物或介电薄膜、和由氧化物和金属构成的膜叠层。使用图案识别***或扫描区域可以准确选择样本区域。也可以在等离子蚀刻处理过程中实时监测光致抗蚀剂选择性。过程可以被修改以响应测量结果，例如触发用以终点的过刻蚀步骤，或者降低参数以使刻蚀变慢获得精确的去除目标。

图3为湿加工槽42的顶视图，表示如本发明的***。在湿加工槽42中多个晶片12被布置。仅有这些晶片12的其中之一被通过如本发明的***和方法监测。通过窗口36第一激光脉冲14被投射在第一晶片12上。通过另一窗口38一组第二激光脉冲18被投射。这两激光脉冲可以从不同激光器22、24被投射。替换地，激光脉冲14、18可以被由相同激光器产生并通过分束器分离。被反射激光脉冲20通过第三窗口40或观察口传播，并且它被检测器26检测。

图4为湿加工槽42的顶视图，表示如本发明的另一***。在这种结构中同样多个晶片12被布置在湿加工槽42中。但是，可以监测一个以上的晶片12。为了获得此目标，石英容器(boat)44和镜46被用于传送激光束14、18、20。功能块30可以作为激光器操作，因此第一激光脉冲可以被从两侧投射在晶片12上。在第二激光脉冲18的传送过程中，功能块30作为检测器操作以测量被反射第二激光脉冲20。

图5为例示如本发明的另一种***的湿加工配置的侧视图。包含晶片12的容器50被从湿加工槽42去除以执行如本发明的方法。提供可以被在晶片12上方移动的测量***48。所有晶片位置可以被测量。同样可能从两侧将第一激光束14投射在晶片上。第二激光脉冲18被从激光源28投射，并且被反射脉冲20被检测器30检测。此外，提供N2源以干燥测量区域。

参照图3至5所述的湿加工配置最好使用主要由酸构成的湿溶液。如本发明的***和方法在从晶片表面去除大量材料层的溶液中适用。通过使用去离子(DI)水的单独槽以减去液体对测量的贡献，有可能提供一种基准。此外，可以参考不含晶片的DI水槽测量液体性质，例如密度。这可以参考不含晶片且不被用于加工的酸或蚀刻剂溶液槽完成，信号信息被存储在处理器中作为基准。液体性质的测量可以被用于确定合成物，例如蚀刻剂或酸的浓度。

图6为例示如本发明的另一种***的扩散管54的侧视图。在石英扩散管54中多个晶片被布置。激光束被通过石英容器44并通过镜46传送，与如图4的实施方式类似。同样，激光束28、30和检测器30的布置类似于如图4的实施方式的布置。

同样在扩散方法技术的情况下，如本发明的***和方法工作于带有和没有形貌学的区域。本发明可以被应用于所有薄膜沉积扩散方法上。除厚度之外的附加信息可以为薄膜或膜叠层的单层的成分和密度。如本发明的方法消除对测验晶片的需要和与未图案化晶片相对于产品、即有形貌和特征的晶片的目标沉积时间相关的错误。如本发明的方法可以从扩散管的内部或外部，或者在被屏蔽装置中的管内被执行。可以测量叠层晶片的边缘。该***可以通过***运动被倾斜(angled)或扫描以执行所需的逐区、或者如果需要最终所有晶片的测量。也可能从管外部执行修正以通过使用基准信号方法减去扩散管的影响。对于快速热过程(RTP)而言灯可以被关闭用以测量，在过程被确定之前。在处理完成之前可以执行附加沉积。

图7为例示如本发明的另一种***的代表化学气相沉积室或等离子蚀刻室的室58的侧视图。在室58内反应气60被从喷头64提供。在气体混合区66中所产生的化学反应产物被沉积在位于基座62上的晶片12上。气体混合可以为等离子体辅助的。除常规室之外，提供窗口38、40，窗口的功能在下文被进一步说明。

图8为如图7的室58的侧视图，例示如本发明的方法的处理步骤。来自激光源22的第一激光脉冲14通过喷头64中的端口(未显示)到达晶片12，从而产生如本发明的声波。

图9为如图7和8的室58的侧视图，例示如本发明的方法的另一处理步骤。来自激光源24的一组第二激光脉冲18通过室58的窗口38被投射在晶片12上。通过测量通过室58的窗口40到达检测器26的被反射激光脉冲20，检测晶片表面的反射特性改变时间。因此，可以确定晶片表面上的至少一层的厚度和/或物理和化学性质。

图10为例示如本发明的另一种***的物理气相沉积(PVD)溅射室68的侧视图。在PVD溅射室68内提供等离子体34。来自等离子体34的离子70冲击待沉积的金属并且被溅射金属72被沉积在晶片72上。除常规PVD溅射室之外，提供窗口38、40，窗口的功能在下文被进一步说明。

图11为如图10的物理气相沉积溅射室68的侧视图，例示如本发明的方法的处理步骤。来自激光源22的第一激光脉冲14被分束器74分离，分别被镜76和镜78反射，并且它分别通过窗口38和窗口40到达晶片12，从而产生如本发明的声波。

图12为如图10和11的物理气相沉积溅射室68的侧视图，例示如本发明的方法的另一处理步骤。该处理步骤类似于参照图9所述的处理步骤。

图13为例示如本发明的另一种***的处理室56、68和传送室80的侧视图。例如，处理室58、68可以为CVD、等离子蚀刻、PVD、或RTP室。晶片12已经通过机械处理***84被从处理室58、68提取。因此，如本发明的测量方法可以在处理室58、68的外部被执行。来自激光源22的第一激光脉冲14和来自激光源24的一组第二激光脉冲24、26被通过相同的窗口82或观察口投射。同样被反射激光束20通过相同的窗口82到达检测器26。在本发明的领域内还有另一实施方式，其中传送室包含一个以上的各激光束的窗口。

有几个与如图13的外部测量***和方法相关的优点。许多***已经在传送室80上具有观察口。例如，有可能使用多个处理室58、68的这些观察口位置的其中之一。此外，没有由于测量设备和过程的干涉产生复杂化。并且，晶片12可以被保持在真空中，因此有可能再处理。此外，同时使用机械处理***84的自动步进电机的运动，可以测量沿晶片的均匀性。

图14的流程图表示如本发明的方法。在第一步骤S01第一激光脉冲被投射在半导体晶片上的层的表面上。因此，表面被局部加热并且产生声波。声波沿层传播并在邻近层的界面处被部分反射。上层表面处的返回的回波改变晶片的反射特性。为了检测反射特性，在步骤S02第二激光脉冲被投射在半导体晶片表面上。在步骤S03通过测量被反射第二激光脉冲检测反射特性改变。在步骤S04通过分析反射特性改变时间确定层的厚度。

尽管已经根据具体结构、设备和方法说明本发明，本领域的技术人员将基于本文的说明理解本发明不仅限于这些实施例并且本发明的完全领域通过以下的权利要求被适当确定。

Claims

1.一种确定至少一个半导体晶片上的至少一层的厚度的方法，该方法包括以下步骤：

在所述至少一层的表面上投射第一激光脉冲，从而由于对所述至少一层的表面的加热而产生声波，

在声波的传播时间之后，在所述至少一层的表面上投射一组第二激光脉冲，

测量第二激光脉冲的被反射激光脉冲，从而检测所述至少一层的表面反射特性改变时间，和

通过分析反射特性改变的时间确定所述至少一层的厚度。

2.如权利要求1的方法，其中

第一激光脉冲由第一激光源产生，以及

一组第二激光脉冲由第二激光源产生。

3.如权利要求1的方法，其中第一激光脉冲和一组第二激光脉冲由相同的激光源产生。

4.如权利要求1的方法，其中第一激光脉冲和一组第二激光脉冲在激光源与所述至少一个半导体晶片之间的不同光路上传播。

5.如权利要求1的方法，其中第一激光脉冲和一组第二激光脉冲在激光源与所述至少一个半导体晶片之间的实质上相同的光路上传播。

6.一种确定至少一个半导体晶片上的至少一层的厚度的***，该***包括：

用于在所述至少一层的表面上投射第一激光脉冲，从而由于对所述至少一层的表面的加热而产生声波的装置，

用于在所述至少一层的表面上投射一组第二激光脉冲的装置，

用于测量第二激光脉冲的被反射激光脉冲，从而检测所述至少一层的表面的反射特性改变时间的装置，和

通过分析反射特性改变的时间确定所述至少一层的厚度的装置。

7.如权利要求6的***，还包括

用于产生第一激光脉冲的第一激光源，以及

用于产生一组第二激光脉冲的第二激光源。

8.如权利要求6的***，还包括用于产生第一激光脉冲和一组第二激光脉冲的一个激光源。

9.如权利要求6的***，其中第一激光脉冲和一组第二激光脉冲在激光源与至少一个半导体晶片之间的不同光路上传播。

10.如权利要求6的***，其中第一激光脉冲和一组第二激光脉冲在激光源与至少一个半导体晶片之间的实质上相同的光路上传播。