CN104236444A - 一种金属膜厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种金属膜厚度测量方法，通过检测匀速插入金属膜内部的探针的电流的变化确定探针的针尖与金属膜上表面和底面的接触时间，从而运用物理学的运动公式准确地测量出较厚金属膜的厚度。

Description

一种金属膜厚度测量方法

技术领域

本发明涉及半导体测试领域，特别涉及一种金属膜厚度测量方法。

背景技术

在半导体生产过程中，晶片的器件面会依次进行制作器件层的前端工艺和制作金属层的后端工艺，后端工艺的作用是为了电连接器件层中的半导体器件结构，最终形成半导体集成电路（IC）。其中，制作金属膜是后端工艺的基本步骤之一。本领域技术人员在金属膜制作完毕后，还需要通过测量金属膜的各方面参数来反映其工艺质量，例如，金属膜的厚度，就是必须测量的重要参数之一。

现有技术中，金属膜厚度的测量方法主要是电阻率（RS）测量法，该方法通过测得金属膜的电阻率并根据相关计算公式推导出金属膜的厚度。众所周知，RS测量法的局限性在于，其原理是将晶片等效于一个无边界的区域进行计算公式推导，但在实际电阻率的测量过程中，晶片并不是一个无边界的区域，其器件面金属膜的边界效应是一个无法避免的问题，所以将一个在无边界的区域条件下得出的计算公式应用于具有边界效应的金属膜的厚度推导，并不能真实反映金属膜的实际厚度。因此，如何准确测量金属膜的厚度成为一个需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种金属膜厚度测量方法，能够准确检测金属膜厚度。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种金属膜厚度测量方法，包括：提供一晶片，所述晶片的器件面的依次具有半导体基体、电介质层和金属膜，所述电介质层位于所述金属膜下方，所述金属膜上方垂直放置两根相隔预定距离的探针，所述探针的自由端朝向晶片的器件面，该方法还包括：

向晶片方向移动所述探针，当所述探针的针尖接触到所述金属膜的上表面时，用计数器记录开始时间T1；

所述探针做匀速直线运动插入金属膜，当所述探针的针尖接触到所述电介质层的表面时，所述计数器记录停止时间T2；

将所述匀速直线运动的速度与停止时间T2和开始时间T1之间的差值相乘，得到所述金属膜厚度。

该方法还包括，在向晶片方向移动所述探针之前，在所述探针之间施加电压。

当所述探针的针尖接触到所述金属膜的上表面时，所述探针之间出现电流，以所述电流出现的时间作为所述开始时间T1。

当所述探针的针尖接触到所述电介质层的表面时，所述探针之间的电流出现最小值，以所述最小值出现的时间作为所述停止时间T2。

所述匀速直线运动的速度范围是1到5毫米每分钟。

所述计数器的时间精度控制范围是10-6到10-5秒。

所述金属膜厚度的测量范围在0.01纳米到100纳米

从上述方案可以看出，本发明提出一种金属膜厚度的测量方法，通过检测匀速插入金属膜内部的探针的电流的变化确定探针的针尖与金属膜上表面和底面的接触时间，从而运用物理学的运动公式准确地测量出较厚的金属膜厚度。

附图说明

图1～3为本发明实施例的探针与待测晶片的位置示意图；

图4为本发明实施例的采样点分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例

如图1所示，本实施例提供的待测试晶片的器件面从上到下依次为金属膜103，电介质层102和半导体衬底101。也就是说本实例中待测试晶片在器件面的结构包括：最上层的金属膜103，最下层的半导体衬底101，以及沉积在半导体衬底101与金属膜103之间的电介质层102。需要注意的是，对各种具有不同器件结构的晶片，只要保证晶片器件面的最上层为金属膜103，并且金属膜103下方为绝缘体材料的电介质层102，即可使用本发明提供的金属膜103厚度测量方法检测该金属膜103的厚度，也就是说晶片的器件面上依次具有半导体基体、电介质层102和金属膜103，其中半导体基体上方为电介质层102，电介质层102上方为金属膜103。本发明实施例金属膜厚度的测量范围在0.01纳米（nm）到100纳米。对于金属膜厚度的测量范围限定，其下限由探针105的运动速率和计数器的时间精度同时决定，上限则是目前常规使用的最大厚度。

步骤201，探头（Probe）104上垂直放置两根相隔预定距离的探针105，探针105的自由端朝向晶片的器件面并校准探针105位置；

本步骤中，为了测量在流过探针105的电流，将探针105与电流表串联，具体方法为现有技术，不再赘述。两根探针105之间的距离设定只需要考虑母头（也就是probe上连接部分的大小）的尺寸，探针105的物理尺寸没有变化，两根探针105之间的距离范围在0.1厘米（cm）到1cm，上述设定都是现有技术，以避免两根探针105的距离过于接近甚至直接接触，造成短路。如图1所示，校准探针105位置的目的是保证探针105的针尖处于同一水平位置，校准探针105的具体方法为现有技术，例如，通过显微镜观察和测量探针105的针尖相对位置，需要注意的是，在每次进行金属膜103的厚度测量之前都要对探针105的位置进行校准。

步骤202，两根探针105之间施加电压；

本步骤中，在探针105之间施加电压的具体方法为现有技术，不再赘述。

步骤203，向晶片方向移动探头104，当探针105之间有电流产生时，记录开始时间T1；

本步骤中，探头104与马达相连，由马达提供探头104移动的驱动力，控制探头104的移动速率和方向，控制探头104的移动方向和速度的方法均为现有技术，不再赘述；本实施例中，晶片放置于探头104下方，控制探头104向晶片移动的速度也就是控制探头104的下降速度。探头104匀速下降的速度范围控制在1-5毫米每分钟（mm/min），例如，1mm/min，3mm/min，或者5mm/min，本实施例中，痰桶匀速下降的速度为3mm/min，也就是，0.05毫米每秒。在探头104下降的过程中，由一个精准的计数器记录时间，其计数器的时间精度控制范围在10^-6到10^-5秒级别，例如，1×10^-5秒，5×10^-5秒，或者1×10^-6秒。根据计数器的时间精度，在此精度范围内，实时读取电流表的读数，在本实施例中，每隔1×10^-5秒的时间读取并记录一次电流表的读数。

需要注意的是，在探针105的针尖没有接触到金属膜103时，两个探针105处于断开状态，电流表上的读数为零。在探针105的针尖接触到金属膜103的瞬间，如图2所示，由于金属膜103为导体，使得两个探针105电连接导通，电流表出现读数，计数器开始计时，记录下开始时间T1。

在实际操作中，在由上述马达控制探头104向晶片移动的速率之前，可以通过调节探头104的位置将探针105的针尖与金属膜103表面之间的起始距离控制在一个较小的范围内，具体步骤为现有技术，不再赘述。例如通过原子力显微镜观察探针105针尖与金属膜103之间的距离，例如几百埃，只要两者没有接触，电流表没有读数就不会开始计时。这样做的目的是为了减少探针105在接触金属膜103之前花费的时间，同时也不影响后续的金属膜103的厚度测量。

步骤204，探头104匀速向晶片方向移动，使探针105插入金属膜103，当电流值出现最小值时停止计时，记录停止时间T2；

本步骤中，当计数器记录下开始时间T1后，探头104匀速向下继续移动，其匀速下降的速度范围控制在1-5毫米每分钟（mm/min），例如，1mm/min，3mm/min，或者5mm/min，本实施例中，探头104保持步骤203的移动速率不变，也就是0.05毫米每秒。随着探头104向下移动，探头104上的两根探针105逐步插入金属膜103，探针105之间的电阻不断增大，实时读取和记录电流表的读数，可以看到流过探针105的电流随着探针105的深入逐渐减小，直到探针105的针尖接触到金属膜103下方的电介质层102表面时，如图3所示，电流值达到最小值且不再变化，具体测量和判断方法为现有技术，不再赘述。

需要注意的是，由于探针105需要插入金属膜103内部，因此要求探针105的材料硬度大于待测金属膜103的材料硬度，例如，当金属膜103的材料为金属铜时，探针105的材料为钨钢合金。

步骤205，计算金属膜103厚度；

本步骤中，根据金属膜103厚度的计算公式：金属膜103厚度：THK=探针105（Probe）匀速下降的速率V×（T2-T1），准确计算出金属膜103的厚度。

需要注意的是，在实际测量的过程中，我们会在晶片的不同位置选取若干个测试点，分别测量在每个测试点位置的金属膜的厚度。在晶片上选取的九个测试点位置如图4所示，分别为位于晶片圆心的一个测试点，靠近晶片边缘处的四个测试点，且上述四个测试点中四条距离最近的两点间连线组成正方形，以及分别位于上述两点间连线的中点四个测试点，然后对每个测试点重复上述步骤201到步骤205得到金属膜在每个测试点厚度的原始数据（Raw Data），最后根据这九个测试点的原始数据计算出金属膜厚度的平均值（Uniformity data）以此评定该金属膜厚度。尤其在后端工艺增加了硅通孔（Through-Silicon Via，TSV）流程后，本发明提出的金属膜厚度测量方法能够准确地测量出较厚的金属膜厚度。

上述具体实施例可见，本发明提出一种金属膜厚度的测量方法，该方法通过检测匀速插入金属膜内部的探针的电流变化确定探针的针尖与金属膜上表面和底面的接触时间，从而运用物理学的运动公式准确地测量出较厚的金属膜厚度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种金属膜厚度测量方法，包括：提供一晶片，所述晶片的器件面的依次具有半导体基体、电介质层和金属膜，所述电介质层位于所述金属膜下方，所述金属膜上方垂直放置两根相隔预定距离的探针，所述探针的自由端朝向晶片的器件面，该方法还包括：

向晶片方向移动所述探针，当所述探针的针尖接触到所述金属膜的上表面时，用计数器记录开始时间T1；

所述探针做匀速直线运动插入金属膜，当所述探针的针尖接触到所述电介质层的表面时，所述计数器记录停止时间T2；

将所述匀速直线运动的速度与停止时间T2和开始时间T1之间的差值相乘，得到所述金属膜的厚度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括，在向晶片方向移动所述探针之前，在所述探针之间施加电压。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述探针的针尖接触到所述金属膜的上表面时，所述探针之间出现电流，以所述电流出现的时间作为所述开始时间T1。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述探针的针尖接触到所述电介质层的表面时，所述探针之间的电流出现最小值，以所述最小值出现的时间作为所述停止时间T2。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述匀速直线运动的速度范围是1到5毫米每分钟。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计数器的时间精度控制范围是10^-6到10^-5秒。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属膜的厚度的测量范围在0.01纳米到100纳米。