CN104422824A

CN104422824A - 一种金属薄膜电阻率的测量方法

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Publication number: CN104422824A
Application number: CN201310398839.0A
Authority: CN
Inventors: 沈哲敏; 李广宁
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2033-09-05
Also published as: CN104422824B

Abstract

本发明提供一种金属薄膜电阻率的测量方法，所述测量方法包括步骤：提供表面形成有金属薄膜的半导体衬底，制作有机保护膜；提供测量机台，所述测量机台上的探针以第一速度向有机保护膜运动；所述探针接触有机保护膜后以第二速度在有机保护膜中运动，其中，所述第二速度小于第一速度；所述探针运动至金属薄膜表面，停止运动，读取电压和电流值，从而计算出金属薄膜的电阻率。本发明在金属薄膜的表面制作一层有机保护膜，先以第一速度将探针快速下降至有机保护膜表面，之后探针以第二速度扎破有机保护膜并缓慢下降至金属薄膜表面，采用两种不同的探针速度，极大地减少了金属薄膜被扎破的几率，提高产品测试成功率，缩短测量周期。

Description

一种金属薄膜电阻率的测量方法

技术领域

本发明涉及半导体测试领域，特别是涉及一种金属薄膜电阻率的测量方法。

背景技术

薄膜材料是微电子技术的基础材料。一般来说，薄膜是人工制作的厚度在1μm（10^-6m）以下的固体膜，薄膜都是被制备在一个衬底上，比如，玻璃、半导体硅等。由于薄膜的厚度（简称膜厚）是非常薄的，因此膜厚在很大程度上影响着薄膜材料的电学性质、光学性质、磁学性质、力学性质、铁电性质等物理性能。这种薄膜材料的物理特性受膜厚影响的现象被称为尺寸效应。尺寸效应决定了薄膜材料的某些物理、化学特性不同于通常的块体材料，也就是说，同块体材料相比，薄膜材料将具有一些新的功能和特性。

而金属薄膜的电阻率是金属薄膜材料的一个重要的物理参数，是科研开发和实际生产中经常测量的物理参数之一，在实际工作中，通常用四探针法测量金属薄膜的电阻率，进而可以由电阻率估算出金属薄膜的膜厚。

如图1所示为传统的四探针法测量金属薄膜电阻率的原理图，四个探针4’处在同一直线上，两两之间距离相等，外侧的两个探针4’通以恒稳电流，中间的两个探针4’连接高精度数字电压表。经过一系列公式推导，本领域研究人员得到电阻率其中，s是探针4’之间的距离，I是流经金属薄膜2’的电流，即图1所示恒流源提供的电流，V是电流流经金属薄膜2’时中间两探针4’上产生的电压，即图1所示电压表的读数，由上述公式计算获得金属薄膜2’的电阻率。

但是，传统的金属薄膜电阻率的测量方法中，由于被测量的金属薄膜上没有任何辅助测量的膜层，测量时测量机台的探针从空气中直接运动至金属薄膜表面，此时单一的探针运动速度很可能会使金属薄膜扎穿而测不出所需的电压和电流值，也就无法获得金属薄膜的电阻率，导致测量结果不可信，并且会导致后续制程中产生缺陷。

因此，提供一种改进的金属薄膜电阻率的测量方法是本领域技术人员需要解决的课题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种金属薄膜电阻率的测量方法，用于解决现有技术中金属薄膜容易被探针扎破导致无法测出金属薄膜电阻率的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种金属薄膜电阻率的测量方法，所述金属薄膜电阻率的测量方法至少包括：

1）提供表面形成有金属薄膜的半导体衬底，并在所述金属薄膜表面上形成辅助测量的有机保护膜；

2）同时提供测量机台，所述测量机台上的探针从垂直于所述有机保护膜表面的方向以第一速度向有机保护膜运动，直至探针接触有机保护膜；

3）所述探针接触有机保护膜后以第二速度在有机保护膜中运动，其中，所述第二速度小于第一速度；

4）所述探针运动至金属薄膜表面，停止运动，读取电压和电流值，从而计算出金属薄膜的电阻率。

优选地，所述有机保护膜为聚偏氟乙烯，形成有机保护膜的厚度范围为1～3μm。

优选地，形成所述有机保护膜的具体过程为：

A、将粉末状聚偏氟乙烯按一定比例溶解在N-甲基吡咯烷酮溶剂中，配制成有机溶液；

B、在所述测量机台上安装一处理腔室，将配制好的有机溶液装入处理腔室的喷枪中，通过喷枪将有机溶液均匀喷涂至金属薄膜表面；

C、喷涂结束后，在设定的温度下加热金属薄膜表面的有机溶液，使有机溶液中的N-甲基吡咯烷酮溶剂挥发，随后降温使聚偏氟乙烯凝固成膜，从而在金属薄膜表面形成聚偏氟乙烯有机保护膜。

优选地，所述第一速度的范围为0.5～1mm/s，所述第二速度的范围为0.5～1μm/s。

优选地，所述探针为四探针。

优选地，步骤4）中所述探针接触有机保护膜后，安装在测量机台上的物理传感器获得物理信号，所述物理传感器将物理信号传递给控制系统，由控制系统控制可变速的往复运动部件，使可变速的往复运动部件从第一速度变换成第二速度。

优选地，测量获得的电压和电流值均大于零。

优选地，测量获得的电压和电流值呈现先大于零后等于零时，步骤4）中还包括步骤：将探针升起至空气中，在原测量点附近重新选择测量点后，探针以第三速度运动至金属薄膜表面，停止运动，并再一次读取电压和电流值，其中，所述第三速度小于第二速度，根据再次读取的电流值和电压值计算金属薄膜的电阻率。

优选地，所述第三运动速度范围为0.1～0.3μm/s。

优选地，测量结束后，对金属薄膜上的有机保护膜进行热处理，以分解去除所述有机保护膜；进行热处理的温度范围为300～400℃。

如上所述，本发明的金属薄膜电阻率的测量方法，包括步骤：首先，提供表面形成有金属薄膜的半导体衬底，并在所述金属薄膜表面上形成有辅助测量的有机保护膜；然后提供测量机台，所述测量机台上的探针从垂直于所述有机保护膜表面的方向以第一速度向有机保护膜运动，直至探针接触有机保护膜；接着，所述探针接触有机保护膜后以第二速度在有机保护膜中运动，其中，所述第二速度小于第一速度；最后，所述探针运动至金属薄膜表面，停止运动，读取电压和电流值，从而计算出金属薄膜的电阻率。本发明在金属薄膜的表面制作一层有机保护膜，先以第一速度将探针快速下降至有机保护膜表面，之后探针以第二速度扎破有机保护膜并缓慢下降至金属薄膜表面，利用两种不同的探针运动速度，极大地减少了金属薄膜被探针扎破的几率，提高产品测试成功率，缩短测量周期。

附图说明

图1为现有技术的四探针法测量金属薄膜电阻率的原理图。

图2为本发明的金属薄膜电阻率的测量方法流程图。

图3为本发明提供的表面形成有金属薄膜的半导体衬底结构示意图。

图4为本发明的金属薄膜表面形成有机保护膜的结构示意图。

图5为本发明的探针以第一速度向有机保护膜表面运动的示意图。

图6为本发明的探针接触有机保护膜表面的示意图。

图7为本发明的探针以第二速度在有机保护膜中运动的示意图。

图8为本发明的探针接触金属薄膜表面的示意图。

图9为本发明去除有机保护膜后的半导体衬底结构示意图。

元件标号说明

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种金属薄膜电阻率的测量方法，如图2所示，所述金属薄膜电阻率的测量方法至少包括：

首先进行步骤S1，如图3和图4所示，提供表面形成有金属薄膜2的半导体衬底1，并在所述金属薄膜2表面上形成辅助测量的有机保护膜3。

所述半导体衬底1为硅、硅锗、绝缘层上硅(silicon oninsulator，SOI)、绝缘层上硅锗(silicongermanium on insulator，SGOI)或绝缘层上锗(germanium on insulator，GOI)。本实施例中，所述半导体衬底1为硅衬底。

采用化学气相沉积、物理气相沉积、真空蒸发或其他合适的淀积工艺来制备所述金属薄膜2。本实施例中，采用化学气相沉积工艺制备金属薄膜2。

制备形成的金属薄膜2包括但不限于铜、铝或钨等金属材料。本实施例中，所述金属薄膜2为铜薄膜。

本实施例中，所述形成的有机保护膜3为聚偏氟乙烯。当然，在其他实施例中，有机保护膜3也可以是其他合适的有机材料。

所述聚偏氟乙烯（Polyvinylidene fluoride，PVDF），外观为半透明、白色粉体或颗粒。分子链间排列紧密，且有较强的氢键，其含氧指数为46%，不燃，结晶度为65%～78%，密度为1.17～1.79g/cm³，热分解温度为316℃左右，热变形温度112～145℃，长期使用温度为-40～150℃。

进一步地，形成所述有机保护膜3的具体过程为：

第一步，将粉末状聚偏氟乙烯按一定比例溶解在N-甲基吡咯烷酮溶剂中，配制成有机溶液。

所述N-甲基吡咯烷酮（N-methyl pyrrolidone，NMP）是一种有机溶剂，可以用来溶解聚偏氟乙烯，N-甲基吡咯烷酮的挥发温度约为180℃左右，可通过与低沸点的有机溶剂进行混合降低沸点。当然，也可以选择其他合适的有机溶剂来溶解聚偏氟乙烯。本实施例中，采用N-甲基吡咯烷酮。配制时，将每毫升N-甲基吡咯烷酮溶剂中溶解0.2～0.5毫克聚偏氟乙烯，形成所需的有机溶液。

第二步，在所述测量机台上安装一处理腔室，将配制好的有机溶液装入处理腔室的喷枪中，通过喷枪将有机溶液均匀喷涂至金属薄膜2表面。

所喷涂的有机溶液的厚度由喷涂的时间控制，本实施例中，喷涂时间为30秒，形成有机溶液的厚度为5μm。

第三步，喷涂结束后，在设定的温度下加热金属薄膜2表面的有机溶液，使有机溶液中的N-甲基吡咯烷酮溶剂挥发，随后降温使聚偏氟乙烯凝固成膜，从而在金属薄膜2表面形成聚偏氟乙烯有机保护膜3。

所述设定的温度为180～250℃。本实施例中，设定的温度为180℃。

形成的有机保护膜3的厚度范围为1～3μm。本实施例中，有机保护膜3的厚度为1.5μm。

然后进行步骤S2，如图5和图6所示，同时提供一测量机台，所述测量机台上的探针4从垂直于所述有机保护膜3表面的方向以第一速度向有机保护膜3运动，直至探针4接触有机保护膜3。

优选地，本发明采用四探针法来测量金属薄膜2的电阻率，采用的探针为四探针。为了简单起见，图5和图6中仅示意了其中一个探针4。

所述第一速度的范围为0.5～1mm/s。本实施例中，采用的第一速度为0.8mm/s。

接着进行步骤S3，如图7所示，所述探针4接触有机保护膜3后以第二速度在有机保护膜3中运动，其中，所述第二速度小于第一速度。

所述探针4接触有机保护膜3后，安装在测量台上的物理传感器会获得物理信号，比如，阻力变化信号，之后所述物理传感器将物理信号传递给控制系统，由所述控制系统控制可变速的往复运动部件，使可变速的往复运动部件带动探针从第一速度变换为第二速度。

所述第一速度可以线性地变换成第二速度，也可以阶跃式地或其他方式变换成第二速度，在此不限。

所述第二速度小于第一速度，可选地，所述第二速度的范围为0.5～1μm/s。本实施例中，所述第二速度为0.5μm/s。采用两种速度结合的方式测量金属薄膜2的电阻率，一方面，在接触有机保护膜前探针4采用的是比较快速的第一速度，这样可以使探针4在更短的时间内接触到有机保护膜3，缩短探针4在空气中运动的时间，减少总的测量时间；另一方面，探针4接触有机保护膜3后采用比较慢速的第二速度，可以有效降低探针4运动速度过快导致金属薄膜2被扎穿的几率。

最后进行步骤S4，如图8所示，所述探针4运动至金属薄膜2表面，停止运动，读取电压和电流值，从而计算出金属薄膜2的电阻率。

若测量获得的电压和电流值均大于零，则说明探针4并未扎穿金属薄膜2，测量的结果正确，读取电压和电流值后，便可以计算出金属薄膜2的电阻率。

具体计算电阻率的方法为：将四个探针处在同一直线上，两两之间距离相等，外侧的两个探针通以恒稳电流，中间的两个探针连接高精度数字电压表。测得电流和电压值之后，根据电阻率与电流电压之间的关系式计算获得金属薄膜2的电阻率，其中，s是相邻两个探针之间的距离，I是读取的流经金属薄膜2的电流，V是读取的电压值。

采用两种速度结合的方式，一般情况下，经过一次测量便可读取正常的大于零的电流值和电压值，计算出金属薄膜2的电阻率，但偶尔也会有金属膜被戳破导致电流值和电压值呈现先大于零后等于零的情况。本发明所使用的探针4只有尖端部分（约0.5μm）是导电的，尖端以上部分为非导电材料制成，当探针4与金属薄膜2接触时，由于金属的导电性，电压和电流值均为大于零，最后若探针4扎破金属薄膜2运动至半导体衬底1中，由于半导体衬底的绝缘性，此时电压和电流值又会变为零。由此，若最后测量获得的电压和电流值均等于零，且电压和电流值呈现的是先大于零，最后变为零的变化过程，则可以判断探针已将金属薄膜2扎破。这种情况下，则需要对扎破的金属薄膜2进行再一次的测量，包括步骤：将探针4升起至空气中，在原测量点附近重新选择测量点后，探针4以第三速度运动至金属薄膜2表面，停止运动，并再一次读取电压和电流值，其中，所述第三速度小于第二速度。再次读取完电压和电流值后，计算获得金属薄膜2的电阻率。采用比第二速度更慢的第三速度，是为了避免探针4再一次将金属薄膜2扎穿。优选地，第三运动速度范围为0.1～0.3μm/s。本实施例中，采用的第三速度为0.2μm/s。

当然，在对金属薄膜2进行完电阻率测试之后，需要对金属薄膜2上的有机保护膜3进行热处理，以分解去除所述有机保护膜3，如图9所示。进一步地，进行热处理的温度范围为300～400℃。本实施例中，热处理的温度为320℃。

去除金属薄膜2上的有机保护膜3后，可以继续进行后续的器件制造工艺。

综上所述，本发明提供一种金属薄膜电阻率的测量方法，包括步骤：首先，提供表面形成有金属薄膜的半导体衬底，并在所述金属薄膜表面上形成辅助测量的有机保护膜；然后，同时提供测量机台，所述测量机台上的探针从垂直于所述有机保护膜表面的方向以第一速度向有机保护膜运动，直至探针接触有机保护膜；接着，所述探针接触有机保护膜后以第二速度在有机保护膜中运动，其中，所述第二速度小于第一速度；最后，所述探针运动至金属薄膜表面，停止运动，读取电压和电流值，从而计算出金属薄膜的电阻率。本发明在金属薄膜的表面制作一层有机保护膜，先以第一速度将探针快速下降至有机保护膜表面，之后探针以第二速度扎破有机保护膜并缓慢下降至金属薄膜表面，利用两种不同的探针运动速度，极大地减少了金属薄膜被探针扎破的几率，提高产品测试成功率，缩短测量周期。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种金属薄膜电阻率的测量方法，其特征在于，所述金属薄膜电阻率的测量方法包括：

1）提供表面形成有金属薄膜的半导体衬底，所述金属薄膜表面上形成有辅助测量的有机保护膜；

2.根据权利要求1所述的金属薄膜电阻率的测量方法，其特征在于：所述有机保护膜为聚偏氟乙烯，形成有机保护膜的厚度范围为1～3μm。

3.根据权利要求1或2所述的金属薄膜电阻率的测量方法，其特征在于：形成所述有机保护膜的具体过程为：

4.根据权利要求1所述的金属薄膜电阻率的测量方法，其特征在于：所述第一速度的范围为0.5～1mm/s，所述第二速度的范围为0.5～1μm/s。

5.根据权利要求1所述的金属薄膜电阻率的测量方法，其特征在于：所述探针为四探针。

6.根据权利要求1所述的金属薄膜电阻率的测量方法，其特征在于：步骤3）中所述探针接触有机保护膜后，安装在测量机台上的物理传感器获得物理信号，所述物理传感器将物理信号传递给控制系统，由控制系统控制可变速的往复运动部件，使可变速的往复运动部件带动探针从第一速度变换成第二速度。

7.根据权利要求1所述的金属薄膜电阻率的测量方法，其特征在于：测量获得的电压和电流值均大于零。

8.根据权利要求1所述的金属薄膜电阻率的测量方法，其特征在于：测量获得的电压和电流值呈现先大于零后等于零时，步骤4）中还包括步骤：将探针升起至空气中，在原测量点附近重新选择测量点后，探针以第三速度运动至金属薄膜表面，停止运动，并再一次读取电压和电流值，其中，所述第三速度小于第二速度，根绝再次读取的电流值和电压值计算金属薄膜的电阻率。

9.根据权利要求8所述的金属薄膜电阻率的测量方法，其特征在于：所述第三运动速度范围为0.1～0.3μm/s。

10.根据权利要求1所述的金属薄膜电阻率的测量方法，其特征在于：测量结束后，对金属薄膜上的有机保护膜进行热处理，以分解去除所述有机保护膜；进行热处理的温度范围为300～400℃。

11.根据权利要求1或8所述的金属薄电阻率的测量方法，其特征在于：读取电流和电压值之后，根据公式计算得到金属薄膜的电阻率，其中，s是相邻探针之间的距离，I是读取的流经金属薄膜的电流，V是读取的电压值。