專利名稱：膜沉積期間的金屬厚度的自動控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于半導(dǎo)體裝置制造，尤指使用X射線熒光(X-rayfluorescence，XRF)探測法于薄膜沉積期間自動地控制金屬厚度。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體裝置制造期間，將薄金屬層沉積于半導(dǎo)體晶片上以形成通孔(vias)、線路(line)及諸如擴(kuò)散阻隔層(diffusion barriers)、附著層或晶種層(adhesion or seed layers)、初級導(dǎo)體層(primary conductors)、防反射光涂布層(antireflection coating)及蝕刻中止層(etch stops)等各種不同的膜層。舉例來說，如濺射沉積(sputter deposition)，即熟知的物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)，廣泛地使用在半導(dǎo)體晶片上的金屬薄膜結(jié)構(gòu)的制造上。沉積方法即是從固體金屬移除原子并于相近的基板上沉積產(chǎn)物蒸氣(resultant vapor)。
濺射沉積通常于等二極管等離子系統(tǒng)中執(zhí)行，即熟知的如磁控管(magnetrons)，其中該陰極由離子轟擊并發(fā)射原子，然后其以薄膜的形式于晶片上沉積。根據(jù)平版印刷術(shù)術(shù)(lithography scheme)，該類薄膜接著由反應(yīng)離子蝕刻(reactive ion etching，RIE)來蝕刻或使用化學(xué)機(jī)械研磨法(chemical-mechanical polishing，CMP)來拋光以協(xié)助形成電路細(xì)微結(jié)構(gòu)。
一般用于金屬、合金以及化合物的高速率沉積的系統(tǒng)的主要類型有如熟知的磁控管陰極系統(tǒng)。這種類型的工具利用對等離子中的電子的磁性限制，而形成比無線電頻率(rf)或直流電(dc)二極管系統(tǒng)為較高的等離子密度。較高的等離子密度減少了放電阻抗并導(dǎo)致較高電流、較低電壓的電荷。舉一粗略的例子來說，以2kW瓦操作的rf二極管工具可具有超過2000伏特的峰對峰rf電壓。以2kW瓦操作的現(xiàn)有磁控管陰極系統(tǒng)可具有400伏特的放電電壓以及5安培的離子電流至該陰極。
當(dāng)前制造規(guī)模的磁控管系統(tǒng)由不銹鋼構(gòu)成，通常這些系統(tǒng)用大直徑的閥門直接連接至其沉積室的低溫泵，且通常該結(jié)果的基本壓力對大部分的陰極在10-8Torr范圍內(nèi)的較低壓力處、對鈦在10-9Torr范圍內(nèi)，使其沉積薄膜的化學(xué)的活性本質(zhì)可明顯地有助于該系統(tǒng)的凈抽吸速度。
在沉積期間的運(yùn)轉(zhuǎn)壓力通常為0.5至30mTorr，該運(yùn)轉(zhuǎn)需要每秒數(shù)十上百個標(biāo)準(zhǔn)立方厘米(standard cubic centimeters per minute，sccm)的氣體流量，因為考慮到基本壓力，在沉積期間制造水平系統(tǒng)不會受阻礙并因此幾乎保持該腔室的真實基本壓力。作為大規(guī)模半導(dǎo)體應(yīng)用的磁控管室建構(gòu)成為如在集成工藝負(fù)載鎖定工具(integrated-process loadlocked tool)上的通孔，而將晶片經(jīng)由負(fù)載鎖而引進(jìn)該沉積室。
濺射沉積由沉積時間來管理，其速率對照時間校準(zhǔn)，然后以一定的時間周期沉積薄膜。然而，由于工藝差異，在薄膜沉積期間作為特定晶片或成品的沉積薄膜的厚度很難加以控制。通常，在某些相同樣品的晶片上沉積后測量金屬薄膜厚度。
然而，制造的半導(dǎo)體裝置的機(jī)械及電氣的性質(zhì)強(qiáng)烈地依賴于金屬薄膜厚度，厚度差異大大地影響該裝置的性能。因此，希望在薄膜沉積期間可控制每一個晶片上的金屬薄膜厚度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在半導(dǎo)體裝置制造期間監(jiān)視沉積至晶片上的金屬薄膜的參數(shù)的新方法。該方法包含在金屬薄膜沉積期間于沉積室中產(chǎn)生射向晶片上金屬薄膜的X射線束，并探測該金屬薄膜的X射線熒光以決定該薄膜需要的參數(shù)。
比較該決定的參數(shù)與預(yù)設(shè)值，若該決定的參數(shù)不同于預(yù)設(shè)值，即繼續(xù)該金屬薄膜之沉積。當(dāng)該決定的參數(shù)與該預(yù)設(shè)值相同時，則可停止該金屬薄膜之沉積。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在薄膜沉積期間由產(chǎn)生射向金屬薄膜的X射線束，探測該薄膜的X射線熒光以自動地控制沉積至晶片上的金屬薄膜的厚度。
依據(jù)該探測的X射線熒光決定的金屬薄膜的厚度可與該預(yù)設(shè)值比較，若該確定的厚度小于預(yù)設(shè)值時則繼續(xù)沉積，當(dāng)該確定的厚度達(dá)到該預(yù)設(shè)值時，則可停止沉積。
對本領(lǐng)域的技術(shù)人員，本發(fā)明之其它實施例和優(yōu)點(diǎn)可從下列的詳細(xì)說明而易于明白，其中，僅本發(fā)明的優(yōu)選實施例以執(zhí)行本發(fā)明所考慮的最佳模式而以簡單闡述的方式被顯示及說明。如將被認(rèn)識到一樣，本發(fā)明可有其它及不同的實施例，且其別的細(xì)節(jié)可有不同的，明顯的修改，且不脫離本發(fā)明。因此，附圖及說明本質(zhì)上應(yīng)視為示例之用，而非作為限制。
附圖簡單說明

圖1表示本發(fā)明的示例性的控制系統(tǒng)的簡圖。
圖2為表示進(jìn)行本發(fā)明自動控制金屬厚度的方法的流程圖。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例雖然本發(fā)明具有在諸如CVD、PVD、PEVCD等不同沉積工藝期間控制金屬厚度的一般適用性，以下以金屬薄膜的濺射沉積為例揭示本發(fā)明的優(yōu)選實施例，圖1為本發(fā)明控制金屬厚度的示例性自動系統(tǒng)10的概略圖，該系統(tǒng)10可控制放置于沉積室中的晶片上諸如鎳、鈷、鋁、鈦、氮化鈦、鎢及銅等金屬的沉積。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用X射線熒光(XRF)控制沉積至晶片上的金屬薄膜厚度。該X射線熒光作用是基于未過濾的X射線束照射樣品為基礎(chǔ)，若應(yīng)用充分短波長的X輻射(X-radiation)，可從被激發(fā)的樣品(excited sample)觀察到一特征X頻譜。當(dāng)電子吸附將其提高至較高運(yùn)行軌道的X輻射能時產(chǎn)生X射線熒光，然后該高能量的電子通過一連串的步驟而回落到較低的能量狀態(tài)。此過程導(dǎo)致在較低的能量狀態(tài)釋放出光子。產(chǎn)生的熒光的X射線的強(qiáng)度比用電子束直接激發(fā)而獲得的X射線束的強(qiáng)度較小了將近1000倍。
該系統(tǒng)10包含X射線源12，該X射線源12發(fā)射適于該X射線熒光探測的X射線束?？蓱?yīng)用X射線管體作為該X射線源12。典型的X射線管體包含限制該X射線的重金屬頭部、維持真空的薄鈹窗口及凹角玻璃殼層(reentrant glass envelope)。該頭部包含鎢燈絲，該鎢燈絲由電流發(fā)射電子而被加熱至白熱化，該電子被聚焦于一凹面，而該凹面聚焦電子且以一高正電壓將電子加速到陽極。該陽極由埋置在重銅塊上的金屬薄板所構(gòu)成，重銅塊從該焦點(diǎn)位置將熱導(dǎo)開。此焦點(diǎn)位置被該燈絲電子轟擊且為該X射線的來源。該X射線以透過該鈹窗口從該金屬頭部發(fā)出而向所有方向發(fā)射。
該X射線源12配置于靠近沉積室14或于該沉積室14內(nèi)作為在晶片16上進(jìn)行金屬薄膜沉積之用。舉例來說，可采用PVD沉積。配置于該沉積室14的沉積靶材18由氬離子轟擊，該氬離子從該靶材18的固體材料移除原子，在該晶片16上沉積該產(chǎn)物蒸氣。除了該靶材材料之外，該靶材18可包含該銅墊板(copper backing plate)。由強(qiáng)永磁陣列的組成的磁控管陰極可配置于該靶材18之后，該磁鐵提供橫過該靶材表面的磁場以捕捉電子。
作為靶材腐蝕之氬離子由以該靶材作為陰極的輝光放電等離子發(fā)生器產(chǎn)生，沉積室壁或其它的電極用作陽極。在該類電極之間形成電壓以加速釋放自由電子，其撞擊氣體分子以產(chǎn)生離子，更多的電子，更多自由基和激發(fā)的分子，后者能自發(fā)地馳豫到基態(tài)并產(chǎn)生光子。這些粒子一旦產(chǎn)生后，就向該靶材擴(kuò)散至等離子外。
安裝該X射線源12以便將該X射線束射向被沉積的金屬薄膜。該X射線束導(dǎo)致該金屬薄膜發(fā)射特征熒光。X射線熒光探測器20配置于該沉積室14中或靠近于該沉積室14以探測該X射線熒光，可使用準(zhǔn)直器以攔截發(fā)散的X射線并將平行光束射至該探測器的窗口。若該X射線源12以及該X射線熒光探測器20安裝于該沉積室14之外，X射線透明窗口可安裝于該沉積室14內(nèi)以容許由該X射線源12產(chǎn)生的X射線束通過該金屬薄膜，并容許由該金屬薄膜發(fā)射的X射線熒光通過該X射線熒光探測器20。
舉例來說，可使用固態(tài)半導(dǎo)體X射線熒光探測器作為探測由在該晶片上沉積的金屬薄膜所發(fā)射的X射線熒光。該固態(tài)X射線熒光探測器20可為由單晶硅半導(dǎo)體構(gòu)成的鋰遷移探測器，其上有由鋰擴(kuò)散至P型硅或鍺中形成的區(qū)域。此區(qū)域像三明治般夾在P型和N型區(qū)域之間，因為鋰的極高擴(kuò)散速率使該鋰遷移X射線熒光探測器必須以液態(tài)氮的溫度維持。
每次入射的X射線光子被吸收時，在該半導(dǎo)體產(chǎn)生大量的電子空穴對?？墒褂玫驮胍簦咴鲆?high gain)的前置放大器來放大由該探測器產(chǎn)生的探測信號。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解像充氣X射線熒光探測器或光電X射線熒光探測器也可用來作為該X射線熒光探測器20使用。
該金屬薄膜的X射線熒光指示包括膜厚的金屬薄膜的不同參數(shù)。該X射線熒光探測器20產(chǎn)生代表該金屬薄膜的X射線熒光的輸出信號。舉例來說，可預(yù)校準(zhǔn)該X射線熒光探測器20以產(chǎn)生對應(yīng)于沉積特定金屬的薄膜厚度的預(yù)設(shè)值的預(yù)定輸出值。該X射線熒光探測器20之輸出信號供應(yīng)到控制該金屬薄膜的濺射沉積的工藝控制器22。該工藝控制器22作為具有邏輯電路或其它執(zhí)行如下所述的功能的元件的具體設(shè)計的芯片?？筛鼡Q地，使用一般目的的數(shù)字信號處理器來執(zhí)行該控制器22并適當(dāng)?shù)某绦蚧?br> 圖2所示的流程圖說明根據(jù)本發(fā)明控制金屬薄膜厚度的方法。在安裝于該沉積室14中的晶片上沉積金屬薄膜期間(方框32)，該X射線源12發(fā)射射向該金屬薄膜的X射線束。該X射線熒光探測器20探測由X射線束輻照的金屬薄膜發(fā)射的X射線熒光(方框34)。對應(yīng)該金屬薄膜厚度之X射線熒光探測器20的輸出信號供應(yīng)至決定該金屬薄膜厚度的控制器22，并且將該探測的厚度與預(yù)設(shè)值相比較。
若該控制器22確定該金屬薄膜的厚度小于預(yù)設(shè)值時(方框36)，則控制器22控制該濺射沉積工藝以繼續(xù)沉積金屬薄膜；當(dāng)該控制器22決定該金屬薄膜的厚度達(dá)到該預(yù)設(shè)值時，則其停止該沉積工藝。
因此，本發(fā)明能夠在薄膜沉積期間自動原位控制每一晶片上金屬薄膜厚度以沉積具有所需厚度的金屬薄膜。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解的是在本發(fā)明的概念的精神與范圍之內(nèi)允許一些修改。舉例來說，如上所討論，可以一些不同的方式執(zhí)行該X射線源12、該X射線熒光探測器20及該工藝控制器22。該沉積室14可為任何可用以進(jìn)行諸如CVD、PVD、PEVCD等薄膜沉積的任何類型的腔室或爐以提供諸如鎳、鈷、鋁、鈦、氮化鈦、鎢及銅的金屬沉積。
在本揭示中，僅顯示并說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但須了解的是在此處所述的本發(fā)明的概念的范圍內(nèi)，本發(fā)明可加以改變以及修正。
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)視在晶片上沉積金屬薄膜的參數(shù)的方法，該方法包含的步驟為在金屬薄膜沉積期間于沉積室中產(chǎn)生射向晶片上的該金屬薄膜的X射線束；以及探測該金屬薄膜的X射線熒光以確定該金屬薄膜的參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，探測該金屬薄膜的X射線熒光以控制在該晶片上沉積該金屬薄膜的厚度。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包含比較該確定的參數(shù)與該預(yù)設(shè)值，若該確定的參數(shù)與預(yù)設(shè)值不同時，繼續(xù)該金屬薄膜的沉積。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，當(dāng)該確定的參數(shù)與該預(yù)設(shè)值相同時，停止該金屬薄膜的沉積。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，執(zhí)行該金屬薄膜的沉積使用濺射沉積。
6.一種自動地控制在晶片上沉積的屬薄膜的厚度的方法，該方法包含的步驟為在金屬薄膜沉積期間于沉積室中產(chǎn)生射向晶片上的該金屬薄膜的X射線束；以及在沉積期間探測該金屬薄膜的X射線熒光以自動地控制該金屬薄膜的厚度。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包含依據(jù)探測的X射線以確定該金屬薄膜的厚度。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包含將所確定的該金屬薄膜的厚度與該預(yù)設(shè)值相比較，而若該確定的厚度小于預(yù)設(shè)值時，繼續(xù)該金屬薄膜的沉積。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，若該確定的厚度達(dá)到該預(yù)設(shè)值時，則其停止該金屬薄膜的沉積。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，使用濺射沉積的方法來沉積金屬薄膜。
全文摘要
一種在薄膜沉積期間于沉積室中自動控制金屬薄膜的厚度的新方法。該方法包含產(chǎn)生射向沉積室中的在晶片上沉積的金屬薄膜的X射線束，且探測該金屬薄膜的X射線熒光。將依據(jù)該探測到的X射線熒光所確定的金屬薄膜的厚度與該預(yù)設(shè)值相比較，若該所確定的厚度小于預(yù)設(shè)值時，即繼續(xù)沉積，當(dāng)該決定的厚度達(dá)到該預(yù)設(shè)值時則停止沉積。
文檔編號G01N23/22GK1489689SQ01822614
公開日2004年4月14日 申請日期2001年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月12日
發(fā)明者P·R·貝賽爾, P·L·金, P R 貝賽爾, 金 申請人:先進(jìn)微裝置公司