CN102818664A

CN102818664A - 薄膜应力分布的检测方法

Info

Publication number: CN102818664A
Application number: CN2012101381798A
Authority: CN
Inventors: 徐强
Original assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Current assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明揭示了一种薄膜应力分布的检测方法，该薄膜应力分布的检测方法包括：利用沉积工艺，在不同的工艺参数下制成多个参考薄膜，测定每一所述参考薄膜的整体应力值和平均折光指数；根据所有参考薄膜的整体应力值和对应的平均折光指数制得标准应力值与平均折光指数关系曲线；制备待测薄膜，测量所述待测薄膜上不同位置的待检测点的折光指数，依据所述标准应力与折光指数关系曲线得到所述待测薄膜的各待检测点的应力值，并确定所述待测薄膜的应力分布。本发明仅需测量一次待测薄膜的折光指数就可获得待测薄膜的应力分布状况，有利于对薄膜沉积进行检测控制。

Description

薄膜应力分布的检测方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种薄膜应力分布的检测方法。

背景技术

半导体器件技术领域中，从宏观角度来说，薄膜产生应力的主要原因是薄膜同半导体器件基底之间的热收缩系数差异。所述薄膜在较高温度下，沉积在半导体器件基底之上时是没有应力的，但当薄膜冷却以后，由于薄膜同基底之间的热收缩系数有一定差异，从而表现出一定的应力。

同时，薄膜还存在有一定的内应力，产生该内应力的主要原因是薄膜材料内部的晶格缺陷或者是非晶内部的畸变能，通常所说的薄膜应力是各个因素引起的应力分量的总和。

薄膜的应力对于半导体工艺来说是一个很重要的参数，一方面，不可控的应力会导致薄膜的龟裂、甚至是晶片的破裂等，而另一方面，人们同时也在利用薄膜的应力来增加器件的性能，例如高应力氮化硅蚀刻阻挡层，以及应力记忆技术等。因此，对于薄膜的应力检测，是很重要的。

现有的检测薄膜应力的方法是通过测量晶片在沉积薄膜前后的曲率半径的差值，来计算获得薄膜的应力值，具体公式为

σ_{film} = \frac{E}{6 (1 - v)} \frac{t_{s}^{2}}{t_{f}} (\frac{1}{R_{2}} - \frac{1}{R_{1}}),

其中，σ为薄膜的应力，E为薄膜的杨氏模量，ν为薄膜的泊松比，t_s为基底厚度，t_f为薄膜厚度，R₁、R₂分别为薄膜沉积前后的曲率半径。然而，该方法只能给出薄膜的平均应力值，不能给出应力分布，对于实际中新产品的研发过程以及薄膜沉积工艺的检测来说是远远不够的。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有的曲率半径测量法无法对薄膜不同位置进行应力检测的问题，实现对薄膜应力分布的控制。

为解决上述技术问题，本发明提供一种薄膜应力分布的检测方法，包括：利用沉积工艺，在不同的工艺参数下制成多个参考薄膜，测定每一所述参考薄膜的整体应力值和平均折光指数；根据所有参考薄膜的整体应力值和对应的平均折光指数制得标准应力值与平均折光指数关系曲线；制备待测薄膜，测量所述待测薄膜上不同位置的待检测点的折光指数，依据所述标准应力与折光指数关系曲线得到所述待测薄膜的各待检测点的应力值，并确定所述待测薄膜的应力分布。

可选的，每一所述参考薄膜的整体应力值采用曲率半径法测定。

可选的，测定每一所述参考薄膜的平均折光指数的步骤包括：在每一所述参考薄膜上选定若干参考检测点；测定每一参考检测点的折光指数；根据所有参考检测点的折光指数获得所述参考薄膜的平均折光指数。

可选的，所述参考检测点的数量大于等于9个。

可选的，所述参考检测点的数量为49个。

可选的，每一所述参考薄膜的参考检测点的位置与其他参考薄膜的参考检测点的位置均对应相同。

可选的，所述沉积工艺为物理气相沉积工艺或化学气相沉积工艺。

可选的，所述沉积工艺为等离子体加强化学气相沉积工艺。

可选的，所述沉积工艺的工艺参数包括压力、温度、功率、沉积速率和反应气体中的一种或其组合。

可选的，所述标准应力与折光指数关系曲线根据统计学中线性相关的要求，通过线性拟合得到。

可选的，在确定所述待测薄膜的应力分布后，还包括：根据所述待测薄膜的应力分布，结合非均匀度公式获得所述待测薄膜的应力分布非均匀度。

可选的，所述非均匀度公式为：

所述最大值为待测薄膜中待检测点的应力值的最大值，所述待测薄膜中待检测点的应力值的最小值，所述待测薄膜中所有待检测点的应力值的平均值。

可选的，所述参考薄膜的数量不少于3个。

可选的，所述参考薄膜的材质与所述待测薄膜的材质相同。

可选的，所述待测薄膜的材料为氮化硅、氮化钛、氧化硅、金属单质或金属化合物。

与现有技术相比，本发明所述薄膜应力分布的检测方法具有以下优点：

1、相比于现有技术中单纯采用曲率半径测量法需要测量三次，以得到薄膜形成前的曲率半径、薄膜形成后的曲率半径以及薄膜厚度，本发明所述检测方法通过绘制标准应力与折光指数关系曲线后，对待测薄膜只需要测量一次折光指数即可，从而可以很快速的检测薄膜应力，简化测量过程，并缩短测量时间。

2、现有技术中采用曲率半径测量法只能得到一个平均的薄膜应力值，不可对薄膜的应力分布进行检测，而本发明所述检测方法可通过测量待测薄膜的不同位置的应力值得到薄膜的折光指数分布，并进一步得到薄膜的应力分布状况，利用该检测方法，可以快速的得到薄膜应力分布及非均匀度，有利于薄膜的各个区域进行全面的检测控制。

附图说明

图1为本发明一实施例的薄膜应力分布的检测方法的流程图；

图2为本发明一实施例中参考薄膜的参考检测点的分布位置示意图；

图3为本发明一实施例中绘制的标准应力与折光指数关系曲线。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的薄膜应力分布的检测方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，通过在不同的工艺参数下制成多个参考薄膜，测定每一参考薄膜的整体应力值和平均折光指数，并绘制标准应力与折光指数关系曲线；制备待测薄膜，分别测量待测薄膜上不同位置上待检测点的折光指数，并依据所述标准应力与折光指数关系曲线得到待测薄膜的各待检测点的应力值，并确定所述待测薄膜的应力分布。

请参考图1，图1为本发明薄膜应力分布的检测方法的流程图，其包括如下步骤：

步骤S1，利用沉积工艺，在不同的工艺参数下制成多个参考薄膜，测定每一所述参考薄膜的整体应力值和平均折光指数。

在所述步骤S1中，所述沉积工艺可以为物理气相沉积工艺（PVD）或化学气相沉积工艺（CVD）。本实施例中选择化学气相沉积中的等离子体加强化学气相沉积工艺（PECVD），该等离子体加强化学气相沉积工艺具有低温、低压、高沉积速率以及能控制沉积薄膜的应力等优点。其中，所述沉积工艺的工艺参数包括反应气体、压力、温度、功率和沉积速率等，反应气体可以根据工艺的具体要求而定。应该注意的是，所述氮化硅参考薄膜之间以及与氮化硅待测薄膜之间的区别仅在于它们的形成过程中采用了不同的工艺参数。

每一所述参考薄膜的整体应力值可以采用曲率半径法测定。测定每一所述参考薄膜的平均折光指数的步骤包括：在每一所述参考薄膜上选定若干参考检测点；测定每一参考检测点的折光指数；根据所有参考检测点的折光指数获得所述参考薄膜的平均折光指数。

采用上述方法获得平均折光指数，在每个参考薄膜上选择应尽可能多的选取参考检测点，一般应不少于9个，较佳的可以选择49个参考检测点，且选取的参考检测点的位置尽量全面、均匀地分布于参考薄膜上，以提高平均折光指数的准确度。此外，每一所述参考薄膜的参考检测点的位置与其他参考薄膜的参考检测的点的位置均对应相同。

所述参考薄膜的材料的选择与待测薄膜的材料相一致，所述参考薄膜的材料为氮化硅、氮化钛、氧化硅、金属单质或金属化合物，以下以参考薄膜的材料为氮化硅为例详细说明薄膜应力分布的检测方法，其他例如铜单质层等亦可作为本发明中参考薄膜和待测薄膜的材料。

此外，为提高准确度，所述参考薄膜的数量不少于3个，例如参考薄膜的数量为4个。

在较佳的实施例中，参见图2，选择4组氮化硅材质的参考薄膜100，每一参考薄膜100上选择49个参考检测点200。首先，通过沉积工艺在不同的工艺参数下制成4组氮化硅参考薄膜100，采用曲率半径法测量这4组氮化硅参考薄膜100的整体应力，得到4个整体应力值；然后，用椭圆偏振光法测量这4组氮化硅参考薄膜100的折光指数，每组氮化硅参考薄膜100在不同位置取49个参考检测点200，并计算出这49个参考检测点200的平均折光指数，得到4个平均折光指数；最后，由4个整体应力值和4个平均折光指数得到对应的4组整体应力值与平均折光指数数据。表1中列举了本实施例的4组参考薄膜100上参考检测点200的折光指数、参考薄膜100的平均折光指数和整体应力值。结合表1和图2，每组参考薄膜100具有49个参考检测点200，对应获得49个折光指数，根据该49个折光指数的数值算出该参考薄膜100的平均折光指数，共得到4组平均折光指数。

表1

步骤S2，根据所有参考薄膜的整体应力值和对应的平均折光指数制得标准应力值与平均折光指数关系曲线。

在本实施例中，应力与折光指数的关系拟合为线性关系。因此，所述标准应力与折光指数关系曲线根据统计学中线性相关的要求，通过线性拟合得到。

在步骤S1所述的实施例中，氮化硅参考薄膜100的整体应力值与氮化硅参考薄膜100的折光指数具有一定的线性关系，尤其是在氮化硅参考薄膜100的应力较高时，特别在700MPa~2000MPa时线性度更好。因为氮化硅参考薄膜1 00的折光指数主要是由氮化硅薄膜的性质所决定，如氮化硅薄膜中的元素所占比例会影响氮化硅参考薄膜100的折光指数。而对于氮化硅薄膜来说，在工艺制备过程中，通常采用紫外光照射、等离子体处理等技术来去除薄膜中的一些氢（H）元素，通过改变H元素的比例来提高应力。从而氮化硅薄膜的折光指数与氮化硅薄膜的应力在一定范围内是具有良好的线性相关性。同样，对于氮化硅、氮化钛、氧化硅、金属单质或金属化合物等其他材质的参考薄膜100与待测薄膜，同样具有良好的线性相关性。

以所述步骤S1中实施例为例，结合表1和图2所示，根据表1中的4组氮化硅参考薄膜100的整体应力值和对应的4组氮化硅参考薄膜100平均折光指数，通过线性拟合的方法绘制得到标准应力与折光指数关系曲线。图3为本发明实施例中的标准应力与折光指数关系曲线，横坐标x代表折光指数，纵坐标y代表应力，单位为Mpa。图3中的4个点分别为表1中氮化硅参考薄膜100的4组整体应力值与平均折光指数数据，直线为根据该4个点线性拟合得到的标准应力与折光指数关系曲线，应力与折光指数基本满足关系：y=5005x-7535，近似为线性关系，其线性关系度为0.968。

步骤S3，制备待测薄膜，测量所述待测薄膜上不同位置的待检测点的折光指数，依据所述标准应力与折光指数关系曲线得到所述待测薄膜的各待检测点的应力值，并确定所述待测薄膜的应力分布。

在测量待测薄膜的步骤中，还包括：根据所述待测薄膜的应力分布，结合非均匀度公式获得所述待测薄膜的应力分布非均匀度。

所述非均匀度公式为：

在上述测量待测薄膜的步骤中，为提高应力分布非均匀度的准确度，在待测薄膜上应尽可能多的选取待检测点，且选取的待检测点的位置尽量全面、均匀地分布于待测薄膜上，但待测薄膜上待检测点的数量与位置不要求与参考检测点相同。在较佳的实施例中，选择49个待检测点，位置如图2所示。

以所述步骤S1和步骤S2中实施例为例，首先，通过沉积工艺制成氮化硅待测薄膜，在氮化硅待测薄膜上不同位置取49个待检测点，采用椭圆偏振光法测量该49个待检测点的折光指数；然后，依据图3所示的标准应力与折光指数关系曲线，将这49个折光指数代入到标准应力与折光指数关系曲线y=5005x-7535之中，分别得到这49个待检测点的折光指数所对应的49个应力值，通过这49个应力值可得到氮化硅待测薄膜的应力分布；最后，根据所述非均匀度公式计算出氮化硅待测薄膜的应力分布非均匀度。由于在本发明实施例中，步骤S1采用等离子体加强化学气相沉积工艺制备氮化硅参考薄膜，所以本实施例中制备氮化硅待测薄膜的沉积工艺也采用等离子体加强化学气相沉积工艺。其他化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺，例如低压化学气相沉积工艺灯，都在本发明的思想范围之内。

综上所述，与现有技术相比，本发明所述薄膜应力分布的检测方法具有以下优点：

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种薄膜应力分布的检测方法，包括：

利用沉积工艺，在不同的工艺参数下制成多个参考薄膜，测定每一所述参考薄膜的整体应力值和平均折光指数；

根据所有参考薄膜的整体应力值和对应的平均折光指数制得标准应力值与平均折光指数关系曲线；

制备待测薄膜，测量所述待测薄膜上不同位置的待检测点的折光指数，依据所述标准应力与折光指数关系曲线得到所述待测薄膜的各待检测点的应力值，并确定所述待测薄膜的应力分布。

2.如权利要求1所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，每一所述参考薄膜的整体应力值采用曲率半径法测定。

3.如权利要求1所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，测定每一所述参考薄膜的平均折光指数的步骤包括：

在每一所述参考薄膜上选定若干参考检测点；

测定每一参考检测点的折光指数；

根据所有参考检测点的折光指数获得所述参考薄膜的平均折光指数。

4.如权利要求3所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，所述参考检测点的数量大于等于9个。

5.如权利要求4所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，所述参考检测点的数量为49个。

6.如权利要求3所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，每一所述参考薄膜的参考检测点的位置与其他参考薄膜的参考检测点的位置均对应相同。

7.如权利要求1所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，所述沉积工艺为物理气相沉积工艺或化学气相沉积工艺。

8.如权利要求7所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，所述沉积工艺为等离子体加强化学气相沉积工艺。

9.如权利要求7所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，所述沉积工艺的工艺参数包括压力、温度、功率、沉积速率和反应气体中的一种或其组合。

10.如权利要求1所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，所述标准应力与折光指数关系曲线根据统计学中线性相关的要求，通过线性拟合得到。

11.如权利要求1所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，在确定所述待测薄膜的应力分布后，还包括：根据所述待测薄膜的应力分布，结合非均匀度公式获得所述待测薄膜的应力分布非均匀度。

12.如权利要求11所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，所述非均匀度公式为：

13.如权利要求1至12任意一项中所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，所述参考薄膜的数量不少于3个。

14.如权利要求1至12任意一项所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，所述参考薄膜的材质与所述待测薄膜的材质相同。

15.如权利要求1至12任意一项所述的薄膜应力分布的检测方法，其特征在于，所述待测薄膜的材料为氮化硅、氮化钛、氧化硅、金属单质或金属化合物。