CN104390580B - 金属膜膜厚量测系统及采用该系统进行膜厚量测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属膜膜厚量测系统及采用该系统进行膜厚量测的方法，该方法需要特定的金属膜膜厚的量测系统完成的，即将金属膜的厚度通过附加电极板和电源形成电路的方式，形成电容式模型电路等效结构，最终将反映到电容式模型电路等效结构中等效电容电压的变化，使得通过检测等效电容电压的变化来对金属膜厚度的量测成为可能。首先需要对整个膜厚测试系统进行标定,建立不同膜厚和电压的关系，然后再进行未知厚度的金属薄膜进行测量；即其通过采用已知的不同厚度的某金属薄膜样品进行标定，得到该类金属薄膜与电压的关系对照表，进而就能够对该类未知厚度的金属薄膜进行测量。本发明实现了另一种全新的量测手段，技术实现简单，量测精度高。

Description

金属膜膜厚量测系统及采用该系统进行膜厚量测的方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造设备技术领域，更具体地说，涉及在半导体金属线的形成工艺中的一种金属膜膜厚量测系统及采用该系统进行膜厚量测的方法。

背景技术

在半导体集成电路制造的工艺过程中，通常会使用到金属膜生长工艺，以在硅片或衬底的上方形成导电的金属互联线。金属互联线的形成工艺一般包括金属膜生长工艺和金属膜的去除工艺。例如，钨金属W的化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)填充、铝金属Al的CVD覆盖、铜金属Cu的电镀(Electrofill Copper Plating，简称ECP)填充以及上述金属的CMP去除等。在金属互联线的形成工艺过程中金属膜的厚度的量测就变得十分重要。

目前，业界在金属膜膜厚量测的方式分为接触式的四点探针接触式金属膜膜厚量测方式、电涡流非接触式金属膜膜厚量测方式和声波式金属膜厚量测方式。

请参阅图1，图1为现有技术中一种接触式的四点探针接触式金属膜膜厚量测模式的架构图。如图所示，该方法通过采用4个探针的头扎在金属膜上形成电流回路，即回路中的电流通过探针1经过金属膜和探针2形成回路，余下两个探针(探针3和4)用于测量电压，通过测量到的电压值计算金属膜的电阻，进而换算成金属膜的厚度。该方法的缺点是探针的头须与金属膜接触，造成金属膜表面刮伤；此方法在制造工厂里常用于作为设备状态模拟用的非产品无图形金属膜硅片上。

请参阅图2，图2为现有技术中电涡流非接触式金属膜膜厚量测模式的架构图。如图所示，两个分别独立的线圈绕在一轴上并靠近金属膜表面，将恒定电压1加在线圈1上产生电流1，电流1通过线圈1产生电磁场1，该电磁场1靠近金属膜表面时会在金属膜上产生电涡流，该电涡流会产生一个与电磁场1相反方向的抵抗电磁场2，需要说明的是，该抵抗电磁场2和金属膜的种类、厚度和密度等相关。两个电磁场大小之差是在线圈2上产生一个电流2，电流2通过线圈2产生了电压2，然后，通过检测线圈2上的电压就可以表征出金属膜的厚度。该方法虽然不接触到金属膜表面，但当金属膜薄到一定的程度时，其量测的结果数值并不一定准确。

请参阅图3，图3为现有技术中一种是声波式金属膜厚量测模式的架构图。如图所示，该方法通过超快雷射在金属膜表面产生声波，该声波往下传送到达金属膜底层界面产生声波回声并传递回金属膜表面，然后，通过侦测器来收集声波回声。也就是说，声波产生到声波回声收集的时间差就与金属膜的厚度成一定的比例关系。该方法在业界中已成熟使用，但具有很强的技术壁垒，并且，对测量仪器要求较高。

因此，如何能如何精准量测金属膜的膜厚，是目前业界急需解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属膜膜厚的量测系统和方法，其通过采用已知的不同厚度的某金属薄膜样品进行标定，得到该类金属薄膜与电压的关系对照表，进而就能够对该类未知厚度的金属薄膜进行测量。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于金属膜膜厚量测的系统，其包括接口单元和测试电路盒；接口单元包括在测试时处于被测金属膜样本上下位置的金属结构第一电极板和第二电极板，以及位于所述第一电极板与被测金属膜样本间和所述第二电极板与被测金属膜样本间的中间填充材料；其中，所述被测金属膜样本和上下第一电极板和第二电极板形成电容式模型电路等效结构，所述电容式模型电路等效结构包括第一电容、第二电容和金属膜电阻，所述第一电容和第二电容串联形成等效电容；测试电路盒通过所述第一电极板和第二电极板与所述接口单元相连接的，其包括串连在一起的交流电源、可调电阻、交流电流信号采集电路和电路开关；所述交流电流信号采集电路采集所述等效电容上的电压值，以得到金属薄膜厚度同所述电压最大值的线性关系。

优选地，所述交流电流信号采集电路为交流电流信号积分采样电路，所述第一电极板和第二电极板为铝、钨、铜或钽金属箔。

优选地，所述中间填充材料为液态电解液。

优选地，所述液态电解液的成分包括乙二醇、甘油、硼酸和氨水。

优选地，所述金属膜电阻值大于所述可调电阻值。

优选地，所述金属膜电阻值大于所述可调电阻值的100倍。

优选地，所述交流电源的电压值为12V或者36V。

为实现上述目的，本发明的又一种技术方案如下：

一种金属膜膜厚量测的方法，包括：

步骤S1：得到金属薄膜厚度同所述等效电容上的电压最大值的线性关系模型；所述步骤S1具体包括如下步骤：

步骤S11：预估所述被测金属膜样本厚度，选择所述被测金属膜样本厚度上下限的第一铜金属膜样品A和第二铜金属膜样品B；

步骤S12：接通所述电路盒中的电路开关；

步骤S13：将铜金属膜样品A放入充满所述中间填充材料的所述第一电极板和第二电极板之间，测试出所述等效电容上的电压最大值Ua；

步骤S14：将铜金属膜样品B放入充满所述中间填充材料的所述第一电极板和第二电极板之间，测试出所述等效电容上的电压最大值Ub；

步骤S15：根据所述等效电容上的电压最大值Ua和Ub，以及铜金属膜样品A和B的膜厚，求出常数K值，建立铜金属膜关系公式

步骤S2：将所述被测金属膜样本放入充满所述中间填充材料的所述第一电极板和第二电极板之间，测试出所述等效电容上的电压最大值，代入公式1，得到所述被测金属膜样本的膜厚值。

优选地，所述第一铜金属膜样品A和第二铜金属膜样品B的膜厚分别为500nm和1000nm。

优选地，所述被测金属膜样本与所述第一电极板和第二电极板的距离相等。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的金属膜膜厚的量测方法，将金属膜的厚度通过附加电极板和电源形成电路的方式，形成电容式模型电路等效结构，最终将反映到电容式模型电路等效结构中等效电容电压的变化，使得通过检测等效电容电压的变化来对金属膜厚度的量测成为可能。本发明相比于四点探针接触式金属膜膜厚量测方法来说，其实现了无应力接触式量测手段；相比于电涡流式金属膜膜厚量测方法来说，其实现了较薄金属薄膜可量测的功能；相比于声波式金属膜厚量测方法来说，其实现了另一种全新的量测手段，技术实现简单，量测精度高。

附图说明

图1为现有技术中一种接触式的四点探针接触式金属膜膜厚量测模式的架构图

图2为现有技术中一种电涡流非接触式金属膜膜厚量测模式的架构图

图3为现有技术中一种是声波式金属膜厚量测模式的架构图

图4为本发明提出的一种金属膜膜厚量测方法所需量测系统的示意图

图5为图4所示的电路盒示意图

图6为图4量测系统的等效电路示意图

图7、图8和图9为本发明提出的一种金属膜膜厚量测方法在量测过程中电路电流随交流电压正负向变化而变化过程的模拟示意图

图10为电流随交流电压周期变化的示意图

图11为通过交流电流信号积分采样后的模拟示意图

图12为本发明提出的金属膜膜厚量测方法较佳实施例的流程示意图

具体实施方式

本发明的一种金属膜膜厚的量测方法，需要特定的金属膜膜厚的量测系统完成的，即将金属膜的厚度通过附加电极板和电源形成电路的方式，形成电容式模型电路等效结构，最终将反映到电容式模型电路等效结构中等效电容电压的变化，使得通过检测等效电容电压的变化来对金属膜厚度的量测成为可能。下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

请参阅图4，图4为本发明提出的一种金属膜膜厚量测方法所需量测系统的示意图用于金属膜膜厚量测的系统。如图所示，其包括接口单元和测试电路盒5；接口单元包括在测试时处于被测金属膜样本3上下位置的金属结构第一电极板1和第二电极板2，以及位于第一电极板1与被测金属膜样本间3和第二电极板2与被测金属膜样本3间的中间填充材料4；其中，被测金属膜样本3和第一电极板1和第二电极板2形成电容式模型电路等效结构。

请参阅图5，图5为图4所示的电路盒5的电路示意图；如图所示，在被测金属膜样本3上下位置加金属结构的第一电极板1和第二电极板2，通过电线引到电路盒5中。该电路盒5包括串连在一起的交流电源501，可调电阻r502、交流电流信号采集电路503和电路开关504。

第一电极板1和第二电极板2通常为铝、钨、铜或钽金属箔。中间填充材料4为液态电解液，液态电解液的成分可以包括乙二醇、甘油、硼酸和氨水。交流电源501的电压值为低电压，例如，12V或者36V。

请参阅图6，图6(a)为图4量测系统的等效电路示意图电容式模型电路等效结构包括第一电容C1、第二电容C2和金属膜电阻R。经过简化，得到如图6(b)所示的简化电路图，其中，电容C为第一电容C1和第二电容C2串连的等效电容。所述交流电流信号采集电路采集所述等效电容上的电压值，以得到金属薄膜厚度同所述电压最大值的线性关系。

交流电流信号采集电路503，用于采集等效电容c上的电压值，以得到金属薄膜厚度同所述电压最大值的线性关系。需要说明的是，为达到满意的量测精度，金属膜电阻R值大于可调电阻r的值；较佳地，在进行可调电阻r值的选取时，通常需满足金属膜电阻R值大于可调电阻r值100倍或以上。

下面通过图7、图8和图9，对本发明提出的一种金属膜膜厚量测方法在量测过程中电路电流随交流电压正负向变号而变化过程进行详细说明。

请参阅图7，假设图7中所示的电路方向为正，如图7(a)所示：

当交流电源501的交流电压开启，等效电容C开始充电；正电荷从交流电源501出发依次通过可调电阻r(可调电阻r的值<<金属膜电阻R的值)、电流表A和金属膜电阻R到达等效电容C的右极板。

此时，电流达到正向初始最大值Is+，图7(a)所示。随后，等效电容C的正电压+Vc不断增大，交流电源501的电压Vs和等效电容C的正电压+Vc差变小，正向电流也随着变小，最终达到零，图7(b)所示。

随后，交流电源501的交流电压反向，负电荷从交流电源501出发依次通过可调电阻r、电流表A和金属膜电阻R到达等效电容C与原正电荷相消除，此时，电流达到瞬间负向最大值，图8(a)所示。等的效电容C电压Vc不断减小，当正电荷被全部消除后，Vc为0，如图8(b)所示。负电荷继续聚集，等效电容C右极板转为负电压，如图8(c)所示。随着等效电容C的电压-Vc负值的不断增大，交流电源501的电压Vs和等效电容C的负电压-Vc差变小，负向电流也随着变小，最终达到零，图8(d)所示。

接下来，交流电源501的交流电压变到正向，正电荷从交流电源501出发依次通过可调电阻r、电流表A和金属膜电阻R到达等效电容C与原负电荷相消除，此时，电流达到瞬间正向最大值，如图9(a)所示。同理，当负电荷被全部消除后，等效电容C的电压Vc为0；正电荷继续聚集，等效电容C右极板转为正电压，随着等效电容C的电压+Vc正值的不断增大，交流电源501的电压Vs和电容的正电压+Vc差变小，正向电流也随着变小，最终达到0，如图9(b)、9(c)和9(d)所示。

以上各特殊电流的计算公式如下所述：

随着交流电压方向的不断变化，如图10(a)所示，电路中的电流变化始终跟随着电压的周期进行规律变化，电压电流随时间的模拟示意如图10(b)所示。

以上周期变化的交流电流如图11(a)所示,通过交流电流信号积分采样后(电流→电压)信号变化如图11(b)所示，对应的关系如下公式：

由于正的等效电容C的电压U最大值和负U最大值在数值上相等，所以,不同金属膜厚度R对应的不同金属膜电阻R就可通过该周期电压的最大值来表述。即：

其中，ρ为金属膜的电阻率，k1为与外部电路相关的电路参数，k2为与交流电流信号积分采样相关的电路参数。

也就是说，公式七可以表示出金属薄膜厚度同电压最大值为线性关系。即利用公式七，建立铜金属膜关系公式八：

然后，通过采用已知的不同厚度的某金属薄膜样品进行标定，就可以得到该类金属薄膜与电压的关系对照表，进而就能够对该类未知厚度的金属薄膜进行测量。

下面结合附图，对本发明的方式作进一步的详细说明。

请参阅图12，图12为本发明提出的金属膜膜厚量测方法较佳实施例的流程示意图。本发明实施例中的一种金属膜膜厚量测的方法，需要上述金属膜膜厚的量测系统完成的。具体地，首先，需要对整个膜厚测试系统进行标定,建立不同膜厚和电压的关系，然后再进行未知厚度的金属薄膜进行测量；具体包括如下步骤：

步骤S1：得到金属薄膜R厚度同等效电容C上的电压最大值的线性关系模型；步骤S1可以具体包括如下步骤：

步骤S11：预估被测金属膜样本R厚度，选择被测金属膜样本厚度R上下限的第一铜金属膜样品A和第二铜金属膜样品B；在本实施例中，第一铜金属膜样品A和第二铜金属膜样品B的膜厚分别为500nm和1000nm。当然，被测金属膜样本厚度R值最好需要是介于第一铜金属膜样品A和第二铜金属膜样品B的膜厚之间的一个值

步骤S12：接通电路盒5中的电路开关504；

步骤S13：将铜金属膜样品A放入充满中间填充材料4的第一电极板1和第二电极板2之间，测试出等效电容C上的电压最大值Ua；

步骤S14：将铜金属膜样品B放入充满中间填充材料4的第一电极板1和第二电极板2之间，测试出等效电容C上的电压最大值Ub；

步骤S15：根据等效电容C上的电压最大值Ua和Ub，以及铜金属膜样品A和B的膜厚值，求出常数K值，建立铜金属膜关系公式：

得到上述参数k后，就可以执行步骤S2：

将所述被测金属膜样本3放入充满中间填充材料4的第一电极板1和第二电极板2之间，测试出等效电容C上的电压最大值，代入公式八，得到被测金属膜样本R的膜厚值。较佳地，在进行测量时，被测金属膜样本3与第一电极板1和第二电极板2的距离相等。

综上所述，本发明提供的金属膜膜厚的量测方法，将金属膜的厚度通过附加电极板和电源形成电路的方式，形成电容式模型电路等效结构，最终将反映到电容式模型电路等效结构中等效电容电压的变化，使得通过检测等效电容电压的变化来对金属膜厚度的量测成为可能，且提高了量测精度。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于金属膜膜厚量测的系统，其特征在于，其包括：

接口单元，包括在测试时处于被测金属膜样本上下位置的金属结构第一电极板和第二电极板，以及位于所述第一电极板与被测金属膜样本间和所述第二电极板与被测金属膜样本间的中间填充材料；其中，所述被测金属膜样本和上下第一电极板和第二电极板形成电容式模型电路等效结构，所述电容式模型电路等效结构包括第一电容、第二电容和金属膜电阻，所述第一电容和第二电容串联形成等效电容；

测试电路盒，其通过所述第一电极板和第二电极板与所述接口单元相连接，其包括串连在一起的交流电源、可调电阻、交流电流信号采集电路和电路开关；所述交流电流信号采集电路采集所述等效电容上的电压值，以得到金属薄膜厚度同电压最大值的线性关系；其中，第一铜金属膜样品和第二铜金属膜样品经测试分别得到的等效电容上的电压最大值测试结果后，根据所述等效电容上的电压最大值Ua和Ub，以及第一铜金属膜样品和第二铜金属膜样品的膜厚，求出常数K值，建立金属膜同等效电容C上电压最大值关系公式如下：

T＝kU_max,

其中，所述被测金属膜样本的预估厚度位于第一铜金属膜样品和第二铜金属膜样品的厚度之间；以及，将所述被测金属膜样本测试出的等效电容上的电压最大值带入所述关系公式得到所述被测金属膜样本的膜厚。

2.根据权利要求1所述的金属膜膜厚量测的系统，其特征在于，所述交流电流信号采集电路为交流电流信号积分采样电路，所述第一电极板和第二电极板为铝、钨、铜或钽金属箔。

3.根据权利要求1所述的金属膜膜厚量测的系统，其特征在于，所述中间填充材料为液态电解液。

4.根据权利要求3所述的金属膜膜厚量测的系统，其特征在于，所述液态电解液的成分包括乙二醇、甘油、硼酸和氨水。

5.根据权利要求1所述的金属膜膜厚量测的系统，其特征在于，所述金属膜电阻的电阻值大于所述可调电阻的电阻值。

6.根据权利要求5所述的金属膜膜厚量测的系统，其特征在于，所述金属膜电阻值大于所述可调电阻值的100倍。

7.根据权利要求1所述的金属膜膜厚量测的系统，其特征在于，所述交流电源的电压值为12V或者36V。

8.一种采用权利要求1-7任意一个所述系统进行金属膜膜厚量测的方法，其特征在于，包括：

步骤S1：得到金属薄膜厚度同所述等效电容上的电压最大值的线性关系模型；所述步骤S1具体包括如下步骤：

步骤S11：预估所述被测金属膜样本厚度，选择所述被测金属膜样本厚度上下限的第一铜金属膜样品和第二铜金属膜样品；

步骤S12：接通所述电路盒中的电路开关；

步骤S13：将第一铜金属膜样品放入充满所述中间填充材料的所述第一电极板和第二电极板之间，测试出所述等效电容上的电压最大值Ua；

步骤S14：将第二铜金属膜样品放入充满所述中间填充材料的所述第一电极板和第二电极板之间，测试出所述等效电容上的电压最大值Ub；

步骤S15：根据所述等效电容上的电压最大值Ua和Ub，以及第一铜金属膜样品和第二铜金属膜样品的膜厚，求出常数K值，建立金属膜同等效电容C上的电压最大值关系公式如下：

T＝kU_max,

步骤S2：将所述被测金属膜样本放入充满所述中间填充材料的所述第一电极板和第二电极板之间，测试出所述等效电容上的电压最大值，代入金属膜与等效电容C上的电压最大值关系公式，得到所述被测金属膜样本的膜厚值。

9.根据权利要求8所述的金属膜膜厚量测的方法，其特征在于，所述第一铜金属膜样品和第二铜金属膜样品的膜厚分别为500nm和1000nm。

10.根据权利要求8所述的金属膜膜厚量测的方法，其特征在于，所述被测金属膜样本与所述第一电极板和第二电极板的距离相等。