專利名稱：測量薄膜的方法
本申請要求2003年4月16日提交的美國臨時申請序列號60/463,259的權(quán)益，此處引用其教導(dǎo)作為參考。
本發(fā)明涉及到光學(xué)測量學(xué)領(lǐng)域以確定例如薄膜結(jié)構(gòu)的樣品性能。
測量淀積在例如硅襯底或電介質(zhì)層上的薄金屬膜的性能的非接觸光學(xué)方法對于工業(yè)過程監(jiān)控而言需求量很大。過程控制應(yīng)用最感興趣的參數(shù)包括金屬膜厚度的測量。而目前微電子器件中所用的金屬薄膜的厚度典型地從100-200到幾微米，技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展甚至要求使用更薄的膜，厚度為100或者更小。一種需要測量厚度小于100的金屬膜的應(yīng)用是制作用于銅互連的預(yù)先擴(kuò)散阻擋層。另一種潛在的應(yīng)用為檢測電介質(zhì)層頂部上的金屬殘留物，其可能是在銅互連工藝的拋光步驟結(jié)束時殘留的，可能危及電路的電性能。
在一種

圖1所示的稱為激光誘發(fā)瞬時光柵或脈沖受激熱散射(此處稱為ISTS)的已知方法中，第一激勵激光脈沖3，3’產(chǎn)生一種在膜的平面?zhèn)鞑サ谋砻媛暡?SAW)(見展開式8)。第二探測激光脈沖6，6′從膜1的表面衍射，同時傳感器7測量SAW的頻率。SAW的頻率與膜的厚度相關(guān)。ISTS在美國專利No.5,633,711(題目為利用光誘導(dǎo)聲子測量材料的性能(Measurement of Material properties withoptically induced phonons))和美國專利No.5,812,261(題目為測量透明和不透明膜厚度的方法和裝置(Method and Device forMeasuring the Thickness of Opaque and Transparent Films))中有描述。此處引用其內(nèi)容作為參考。
上述技術(shù)已成功地用來測量從100到10-□m的金屬薄膜的厚度。然而將這種方法的測量能力拓展到非常薄的膜(＜100)證明是具有挑戰(zhàn)性的。主要的困難在于這樣一種事實，即對于幾微米的典型SAW波長，幾十個埃的膜厚大約是SAW波長的千分之一。因此，膜對于SAW的傳播幾乎沒有影響，這就使得以SAW的頻率為基礎(chǔ)的膜厚度的精確測量變得困難。
利用ISTS在固體表面產(chǎn)生的信號波形包含幾個分量，它們由激發(fā)光的吸收引發(fā)的不同物理過程所形成。典型地，對于信號的主要貢獻(xiàn)來自由探測束從表面“波紋”的衍射。由表面聲波產(chǎn)生的表面位移對信號的高頻分量負(fù)責(zé)，而與溫度分布相關(guān)的位移產(chǎn)生緩慢衰減的分量。
信號的另一分量是由樣品表面上空氣的折射率的變化引起的。當(dāng)在樣品表面吸收激勵脈沖時，部分所產(chǎn)生的熱量通過熱擴(kuò)散傳遞到空氣。這就導(dǎo)致空氣中空間周期性的溫度升高。這種脈沖式空氣溫度升高也導(dǎo)致了聲波的激發(fā)。這些聲波引起探測脈沖折射率的周期性調(diào)制并對它的衍射有貢獻(xiàn)。由于聲音在空氣中的速度相對較低，空氣中聲波的頻率典型地比同樣波長的SAW的頻率低一個數(shù)量級。由于它的低頻率，空氣中波的貢獻(xiàn)很容易同信號的其它分量區(qū)別開來。
由于空氣中聲波產(chǎn)生的瞬時光柵信號分量以前已經(jīng)被注意到，例如在一篇由Yang等發(fā)表的題為“C-N膜的彈性模數(shù)及熱擴(kuò)散率的光學(xué)測量”(J.Mater.Res.，Vol 10 No.1，Jan 1995)，但從未嘗試過從信號的該分量中提取有用的信息。因此希望使用這一以前未使用過的包含在ISTS信號中的額外信息。
在本發(fā)明中，由與樣品接觸的氣體或液體介質(zhì)的折射率擾動引起的瞬時光柵信號的分量被用來檢測和測量非常薄的金屬膜的厚度。
一方面，本發(fā)明包括一種測量膜的方法，該方法通過用空間周期性激勵場照射膜使其激發(fā)以產(chǎn)生熱光柵；通過從膜到所述介質(zhì)的熱傳遞，在與膜接觸的氣體或液體介質(zhì)中產(chǎn)生一種空間周期性折射率擾動；從所述介質(zhì)中折射率擾動衍射探測激光束形成信號束；以時間為函數(shù)檢測信號束，從而產(chǎn)生信號波形；以及以信號波形為基礎(chǔ)確定膜的至少一種性能。
在本發(fā)明的一個實施例中，膜是一種金屬膜。在另一個實施例中，膜是一種厚度小于100的金屬膜。
在另一個實施例中，膜被淀積在一個底層上，它對于激勵輻射是透明的。在再一實施例中，底層在激勵波長處的光吸收系數(shù)比膜材料的吸收系數(shù)小。
在另一個實施例中，與膜接觸的氣體介質(zhì)是空氣。
在另一個實施例中，與樣品接觸的氣體或液體介質(zhì)的折射率擾動是由介質(zhì)中的聲波引起的。
在另一個實施例中，介質(zhì)中的聲波引起信號波形的低頻調(diào)制。
在另一個實施例中，確定步驟以信號波形的所述低頻分量的分析為基礎(chǔ)。
在另一個實施例中，確定步驟包含用經(jīng)驗校準(zhǔn)分析信號波形。
在再一個實施例中，確定步驟包含用理論模型分析信號波形。
在另一個實施例中，該至少一種性能包含膜的厚度。
在再一個實施例中，該至少一種性能包含膜的存在。
本發(fā)明提供了許多優(yōu)點，這些優(yōu)點將從下面的描述、附圖和權(quán)利要求書顯而易見的。
參考下面的各圖，可以更全面地理解本發(fā)明。
圖1表示利用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法的脈沖受激熱散射探測的金屬薄膜；圖2表示利用根據(jù)本發(fā)明的脈沖熱散射探測的金屬薄膜；圖3表示在一種樣品上產(chǎn)生的信號波形，該樣品由不帶金屬表面膜的Si晶片上的SiO2層構(gòu)成；圖4表示在樣品上產(chǎn)生的信號波形，該樣品由Si晶片上的SiO2層組成，SiO2層上淀積了非常薄的TiSiN膜；圖5表示包括根據(jù)公式1的最佳擬合的信號波形；圖6表示無線電波振幅對金屬膜厚度的曲線；圖7表示根據(jù)發(fā)明的方法測量的TiSiN膜厚度的直徑分布的實例。
在新發(fā)明的方法中，無線電波信號用于檢測和測量典型地淀積在硅晶片上的電介質(zhì)層上的非常薄的金屬膜的厚度。
圖2示意性表示出樣品21，該樣品具有在硅襯底24上的透明電介質(zhì)(例如SiO2)層23上淀積的非常薄的半透明金屬膜22。兩個短激光脈沖26、26’產(chǎn)生與現(xiàn)有技術(shù)方法相似的空間周期光強(qiáng)度圖形。如果金屬膜22不存在，激勵光26、26’的吸收只發(fā)生在Si襯底24中。由于典型的互連電介質(zhì)的熱導(dǎo)率與硅相比低很多，因此沒有顯著的熱量傳遞到空氣。結(jié)果，空氣中不產(chǎn)生聲波。
圖3表示在樣品上測得的信號波形，該樣品由在硅晶片上熱生長的0.55□m厚的SiO2膜構(gòu)成，激發(fā)周期為8.86□m。該波形不包含空氣中產(chǎn)生的聲波的貢獻(xiàn)，因為樣品沒有金屬膜22。
如果樣品21的表面上存在金屬薄膜22，激勵脈沖26、26’能量的一部分將被膜22吸收并通過熱擴(kuò)散傳遞到空氣中。圖2用箭頭25表示這種傳遞。這導(dǎo)致空氣的脈沖熱膨脹以及聲波的激發(fā)，從而調(diào)節(jié)空氣的折射率。所得到的空氣折射率的空間周期變化將作用于探測束6作為衍射光柵，進(jìn)而對衍射信號束6’有貢獻(xiàn)。
圖4表示在和圖3所示波形相同條件下測量樣品的信號波形，樣品由Si晶片上的0.55□m SiO2上的46氣相淀積TiSiN膜構(gòu)成。因此圖3和圖4所示測量結(jié)果的唯一區(qū)別是后者存在非常薄的TiSiN膜22?？梢钥吹叫盘柌ㄐ维F(xiàn)在由慢振蕩200調(diào)制。由激勵圖形的空間周期確定的8.86□m的聲波波長被慢振蕩200的周期25.4ns劃分導(dǎo)致349m/s的速度，即典型條件下空氣中的聲速。因此，慢振蕩200對應(yīng)于由空氣中的聲波導(dǎo)致的信號的分量，空氣中的聲波是由于熱量從TiSiN膜22傳遞到膜上的空氣引起的。由于其低頻率，空氣中的聲波對信號的貢獻(xiàn)可以容易地與信號的其它分量(例如SAW分量，負(fù)責(zé)波形中的高頻振蕩100)區(qū)分開來。
由于當(dāng)金屬膜厚度為零時空氣中的聲波所導(dǎo)致的信號分量消失，因此該信號分量的振幅必須在一定厚度范圍內(nèi)隨膜厚增加而增加。膜越厚，膜吸收的激勵能量越多，并且最后傳遞到空氣中的能量越多。根據(jù)材料的不同，只要膜大部分是透明的，即達(dá)100～300，就可以觀察到這種趨勢。對于較厚的不透明的膜，趨勢相反。這是由于對于較厚的膜，熱量沿膜厚度的傳遞將使膜表面冷卻，從而減少了傳遞到空氣中的熱量。
因而，對于厚度＜100的膜，信號中的慢振蕩200的振幅和膜厚之間存在關(guān)聯(lián)。這使得可以使用慢振蕩200的振幅測量膜厚。
為了找到所述的振幅，信號波形的“尾部”可以擬合成下列函數(shù)形式，它由指數(shù)衰減函數(shù)、衰減振蕩和一個恒定偏移量的和構(gòu)成S＝Aexp(-t/□1)+Bexp(-t/□2)sin(□t+□)+C(1)無線電波的頻率□、相位□和衰減時間□，根據(jù)來自TiSiN膜樣品之一的數(shù)據(jù)確定，然后固定在該確定值。在多參數(shù)擬合中其它參數(shù)即A、□1、B和C是變化的，取B的最佳擬合值做無線電波的振幅。圖5表示擬合過程，線201表示測得的信號波形，線202表示根據(jù)公式(1)計算的最佳擬合曲線，它與曲線201的一部分并列。
圖6表示一組TiSiN膜樣品的信號的慢振蕩分量的所測得的振幅，其也用另一種已知方法低掠入射X射線反射率法(XRR)測量。圖6中的符號60表示實驗測量數(shù)量而連接符號60的線61代表插值多項式曲線，它在隨后的測量中用作校準(zhǔn)曲線。用本發(fā)明方法和XRR所做的測量之間的相關(guān)性很好。插值曲線和X軸不在零點相交而是在對應(yīng)于約13的點相交這一事實表明，膜由于在膜淀積和測量之間的時間段暴露在環(huán)境空氣中而被部分氧化。典型地，與金屬相比，金屬氧化物通常具有更小的吸收系數(shù)；因此，本發(fā)明的方法只對金屬膜22的剩余未氧化的部分敏感。
圖7表示兩個TiSiN膜的直徑分布，該膜淀積在熱生長了0.55□m的SiO2的直徑200mm的Si晶片上。根據(jù)上述程序測量信號中的慢振蕩200的振幅并將根據(jù)圖6的經(jīng)驗校準(zhǔn)應(yīng)用于所獲得的數(shù)據(jù)。為了提高信噪比，數(shù)據(jù)為10次連續(xù)的被測直徑掃描的平均結(jié)果。應(yīng)該注意當(dāng)上述測量實例采用經(jīng)驗校準(zhǔn)時，通過使用包括下列步驟的理論模型可以改善該方法(1)計算淀積在多層結(jié)構(gòu)上淀積的被測薄膜中的光吸收。該計算可根據(jù)本領(lǐng)域已知的方法進(jìn)行；(2)解決熱擴(kuò)散問題，以確定與樣品接觸的氣體或液體介質(zhì)中的溫升；以及(3)計算在氣體或液體介質(zhì)中產(chǎn)生的聲波的振幅。
可用于解決液體與固體樣品接觸情況下的熱擴(kuò)散和聲學(xué)問題(2)和(3)的模型和方法是本領(lǐng)域已知的。
圖7所示的數(shù)據(jù)代表發(fā)明的方法實際應(yīng)用于測量用于Cu互連的化學(xué)氣相淀積阻擋膜厚度和均勻性的一個實例(厚度～50)。
注意100和更薄的金屬膜可以通過其它技術(shù)，如上面提到的XRR技術(shù)以及光譜橢圓對稱法測量。本發(fā)明的方法的優(yōu)點在于它的高選擇性，即在于由空氣中的聲波導(dǎo)致的瞬時光柵信號的分量完全由于金屬膜的存在所致。這一點對于需要檢測金屬膜的存在的應(yīng)用，即銅互連結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)后的金屬殘留物檢測，特別有利。另一個優(yōu)點是測量可用標(biāo)準(zhǔn)的市場可得ISTS儀器進(jìn)行，它能夠根據(jù)本發(fā)明測量非常薄的膜，也能夠通過現(xiàn)有ISTS技術(shù)用單個儀器測量較厚的膜。
應(yīng)該注意所描述的空氣中的聲波激勵的機(jī)理對于與樣品接觸的不同氣體或液體介質(zhì)同樣有效。浸入液體中的樣品的測量可能具有潛在的應(yīng)用，如CMP工藝的原位控制。本發(fā)明提供了許多其它的優(yōu)點，這些優(yōu)點從說明書、附圖和權(quán)利要求書中是顯而易見的。
前面的描述和實例是示范性的，并不意味著限制了下列權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于測量膜(22)的方法，包含用空間周期性光激勵場(3，3’)照射膜(22)以產(chǎn)生熱光柵；通過從膜(22)到所述介質(zhì)的熱傳遞(25)在與膜(22)接觸的氣體或液體介質(zhì)中產(chǎn)生空間周期性折射率擾動；探測激光束(6)從所述介質(zhì)的折射率擾動衍射而形成信號束(6’)；檢測作為時間函數(shù)的信號束(6’)以產(chǎn)生信號波形；以及以信號波形為基礎(chǔ)確定膜(22)的至少一種性能。
2.權(quán)利要求1的方法，其中膜(22)包括金屬膜。
3.權(quán)利要求2的方法，其中膜(22)是厚度小于100埃的金屬膜。
4.權(quán)利要求1的方法，其中膜(22)淀積在對激勵輻射透明的底層上。
5.權(quán)利要求4的方法，其中膜(22)淀積在底層上，該底層的特點在于它在激勵波長處的吸收系數(shù)小于膜材料的吸收系數(shù)。
6.權(quán)利要求1的方法，其中與膜接觸的介質(zhì)是空氣。
7.權(quán)利要求1的方法，其中介質(zhì)中的折射率擾動與聲波相關(guān)。
8.權(quán)利要求7的方法，其中介質(zhì)中的聲波引起信號波形的低頻調(diào)制(200)。
9.權(quán)利要求9的方法，其中確定步驟以分析信號波形的所述低頻調(diào)制(200)為基礎(chǔ)。
10.權(quán)利要求1的方法，其中確定步驟包括用經(jīng)驗校準(zhǔn)分析信號波形。
11.權(quán)利要求1的方法，其中確定步驟包括用包括計算膜(22)的光吸收的理論模型分析信號波形；分析引起與膜(22)接觸的氣體或液體介質(zhì)中的溫度增加的熱擴(kuò)散(25)；分析由溫度增加引起的聲波激勵；分析從由介質(zhì)中溫度增加(25)和聲波(27)引起的折射率擾動的探測束(6’)的衍射。
12.權(quán)利要求1的方法，其中該至少一種性能包含膜(22)的厚度。
13.權(quán)利要求1的方法，其中該至少一種性能包含膜(22)的存在。
全文摘要
本發(fā)明提供一種新的以激光為基礎(chǔ)的測量非常薄的固體膜(22)的方法，該方法以在與膜(22)接觸的氣體或液體介質(zhì)中產(chǎn)生折射率光柵為基礎(chǔ)。在主要實施例中，氣體或液體介質(zhì)中被激發(fā)的聲波(25)調(diào)節(jié)被衍射的探測束的強(qiáng)度，導(dǎo)致和在固體樣品中激發(fā)的聲波模式的頻率相比信號的低頻分量。該低頻分量的振幅與被膜(22)吸收的能量相關(guān)，并進(jìn)而與膜的厚度相關(guān)，這提供了一種用于膜厚測量的方法以及用于檢測電介質(zhì)底層上的金屬膜的方法。
文檔編號G01N21/63GK1774624SQ200480009993
公開日2006年5月17日 申請日期2004年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月16日
發(fā)明者A·馬茲內(nèi)夫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司