CN1723386A - 通过瞬时热反射率测量薄膜厚度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种测量膜厚度的方法，该方法基于监测在脉冲加热后膜反射率的瞬时变化。该方法包括如下步骤：用激励脉冲脉冲地照射膜的表面，以使膜的温度上升；用探测束照射膜的表面，使其从膜的表面反射以产生反射的探测束；检测反射的探测束的强度随时间的变化；基于测量的强度变化产生信号波形；以及基于信号波形确定膜的厚度。

Description

通过瞬时热反射率测量薄膜厚度的方法和装置

本发明涉及光学计量领域，用于确定样品例如薄膜的性质。

微电子器件的制造通常包括淀积和构图多层金属和电介质层。膜厚度测量的光学技术最适合于工业工艺控制，因为它们通常是很快、非接触且非破坏性的。然而，金属膜厚度的光学测量存在着一个具有挑战性的问题，这是由于金属膜通常不透明造成的。

以前使用了称为热波检测的光学测量来测量样品的多种不同的材料性质，如膜厚度。在热波检测测量中，周期性调制的激磁束加热样品。测量反射的探测束的强度变化来监测在膜表面处周期性的温度变化。然后使用测量的强度变化的大小和/或相位来确定样品的性质。例如在此引入作为参考的标题为“APPARATUS FOR EVALUATINGMETALIZED LAYERS ON SEMICONDUCTORS”的美国专利5,978,074中示出了这种方法。在此引入作为参考的标题为“APPARATUS AND METHODFOR MEASURING A PROPERTY OF A LAYER  IN A MULTILAYEREDSTRUCTURE”的美国专利6,054,868中描述了利用低的调制频率和仅测量探测束的强度变化大小的类似方法。

称为瞬时热反射率的另一现有技术的光学技术利用短的(典型地，毫微微秒或微微秒)激励激光脉冲来脉冲地加热样品的表面，同时测量反射的探测脉冲的强度来监测表面温度动态。为了获得时间与反射率的关系，相对激励来延迟探测脉冲(典型地，同样为毫微微秒或微微秒脉冲)，且用可变的延迟重复测量多次。例如，在J.Appl.Phys.60，285(1986)中，在C.A.Paddock和G.L.Eesley的“Transientthermoreflectance from thin metal films”中描述了该技术。

标题为“APPARATUS AND METHOD FOR CHARACTERIZING THIN FILMAND INTERFACES USING AN OPTICAL HEAT GENERATOR AND DETECTOR”的美国专利5,748,317(将其内容并入这里作为参考)，提出了通过分析瞬时热反射率的测量值来测量膜-基板界面的热性质的方法。然而，瞬时的热反射率技术没有用于膜厚度测量。如以下将示出的，这是因为对膜厚度敏感的温度动态的相关时间尺度通常在几十纳秒的范围内，即，不易受用于瞬时热反射率测量的典型的毫微微秒装置的影响。在J.Hohlfeld，J.G.Müller、S.-S.Wellershoff和E.Matthias的标题为“Time-resolved thermoreflectivity of thin gold filmsand its dependence on film thickness”的一项研究中已发现，在10ps时间尺度上的薄金膜的瞬时反射率对于膜厚度很敏感。原则上，由Hohlfeld等人描述的测量可用于膜厚度测量。然而，这种测量需要复杂的毫微微秒装置，且，如下面从Hohlfeld等人的论文的图3中可见，该测量仅可应用于比300nm薄的膜。

因此，将希望提供一种快速且简单地测量样品的性质如膜厚度的方法和装置，不受现有技术的限制。

本发明满足了膜厚度测量的简单方法的需要，一方面，将允许快速的可再现的金属膜测量用于半导体制造中的工艺控制。该方法包括如下步骤：用激励脉冲脉冲地照射膜的表面，以使膜的温度上升；用探测束照射膜的表面，使其从膜的表面反射以产生反射的探测束；检测反射的探测束的强度的一系列变化；基于测量的强度变化产生信号波形；以及基于信号波形确定膜的厚度。

在本发明的一个实施例中，用探测束照射膜的表面的步骤是利用连续照射进行的。在本发明的另一实施例中，用探测束照射膜表面的步骤是利用准连续照射进行的。

在本发明的另一实施例中，该监测步骤包括监测构成对于激励脉冲的时域温度响应的变化。

在本发明的另一实施例中，该检测步骤包括用数学模型分析信号波形。在另一实施例中，数学模型是根据膜的光学常数和构成膜的一种材料或多种材料的热性质获得的。

在又一实施例中，确定步骤包括用经验校准来分析信号波形。在本发明的另一实施例中，测量和产生步骤通过高速的检测器和瞬时数字变换器例如示波器进行。

在又一实施例中，用激励脉冲脉冲地照射膜表面的步骤使用大于10μm的激励光点尺寸。

在另一实施例中，该方法测量了图案化的金属/电介质结构，该结构具有比激励或探测光点尺寸更大或者更小的特征尺寸。

在另一实施例中，该方法测量了比激励脉冲的光点尺寸更大或者更小的隔离金属结构。

在另一方面，本发明包括一种用于测量膜厚度的装置，包括：单个照射装置，用于照射单个脉冲激励束以使膜的温度上升；照射装置，用探测束照射膜的表面，使其从膜的表面反射以产生反射的探测束；高速的光检测器，用于检测和测量反射的探测束的强度的一系列变化，该强度对应于薄膜表面内的热衰减的变化；示波器，用于基于测量的强度变化产生信号波形；以及微型计算机，用于基于信号波形确定膜的厚度。

在一个实施例中，用于照射单个脉冲激励束的照射装置为激光器。

在另一实施例中，用连续的探测束照射膜表面的照射装置为激光器。

本发明提供了自以下的说明、附图和权利要求显而易见的许多优点。

参考以下各附图可更彻底地理解本发明：

图1描述了用于进行根据本发明的测量薄膜方法的装置；

图2描述了由淀积在硅晶片上的1000埃厚的热氧化物上的500、750、1000和1500埃厚的TiN获得的瞬时热反射率信号的图表；以及

图3描述了示出通过将图2中的数据代入指数函数所测得的有效衰减时间与薄膜厚度的关系图。

图1描述了用于执行根据本发明的薄膜厚度的测量方法的装置。在提议的方法中，将由～1ns或更短持续时间的激励激光器1发出的激励激光脉冲10入射到金属膜11的表面15上。将金属膜11淀积在硅晶片13上的电介质层12之上。平台100支撑波形转换器13。吸收自表面15处的激光脉冲10的光照射引起了温度上升。温度上升之后紧接着进行由热扩散引起的衰减。如下所述，该衰减的动态依赖于膜11的厚度。定性地，膜越厚，使其冷却的时间就越长。

由探测激光器2发出的探测激光束16监测温度动态。探测束16与激励束10在样品表面15处交迭。探测束16可以是连续束或准连续束。后一术语指的是在测量的时间尺度即通常几十纳秒至微秒上连续的束。准连续束的例子可以是在持续时间为100□s的矩形脉冲调制的束。探测束16的反射部分17的强度经受了对应样品表面温度变化的强度变化。这应归于膜材料的光学常数与温度的关系。通过连接到具有～500MHz或更高频率带宽的示波器19的高速检测器18来测量反射的探测束17的强度。如需要，则可以将检测器18响应平均为若干激励脉冲10。计算机20分析由检测器18和示波器19产生的信号波形，以确定膜11的厚度。

理论估计量

以下分析以对于时间t的热扩散长度的简单估计为基础，

L～(χt)^1/2，               (1)

其中x是热扩散率。

在吸收激励脉冲10后，最快发生的过程是在膜11的整个厚度上热传递。根据等式(1)，通过金属膜的厚度h_m由以下等式给出特征化的热扩散时间

τ₁～h_m ²/χ_m，              (2)

χ其中χ_m是金属膜的热扩散率。对于1□m厚的Cu膜该时间为～10ns。对于0.1μm厚的Cu膜，等式(1)得到了τ₁～1ns。然而，在该情况下，传统的热扩散模式是无效的，因为对于Cu中光激发的电子，0.1μm约是不平衡扩散长度的长度。该不平衡扩散是小于1ps的非常快的工艺(例如参见，O.B.Wright和V.E.Gusev，IEEE Trans.Ultrason.42，331(1995))。因此对于～0.1□m或更薄的Cu膜，相比～0.5ns激光脉冲的持续时间，几乎瞬间获得了在整个膜厚度上的热平衡。

在建立了在整个膜11厚度上的热平衡之后，通过两个传热通道使膜11冷却：在膜平面内的横向热传输111，和在下面的电介质12中的垂直热传输211。根据等式(1)，对于横向热传输111，热传播的特征半径R将由以下给出

R～a+(χ_mt)^1/2，                        (3)

其中α是激励脉冲10的光点尺寸。由于能量守恒守则，温度应当与散热面积成反比。因此，将由以下公式近似温度表减

$T\left(t\right)~\frac{a^2}{R^2}{T}_0=\frac{T_0}{1+2\frac{\sqrt{{\mathrm{\χ}}_{m}t}}{a}+\frac{{\mathrm{\χ}}_{m}t}{a^2}},---\left(4\right)$

其中T₀是初始的温升。对于温度衰减为二分之一所需的时间将由以下给出

τ₂～0.17a²/χ_m，                  (5)

在t＞＞τ₂时温度将衰减为1/t。

对于垂直的热传输211，首先考虑当电介质12比金属膜11厚很多时的情况。如果L是电介质12中的热扩散长度，则能量守恒对于温度衰减得到下面的等式：

$T\left(t\right)~\frac{h_m{\mathrm{\ρ}}_m{c}_m}{h_m{\mathrm{\ρ}}_m{c}_m+L{\mathrm{\ρ}}_d{c}_d}{T}_0=\frac{1}{1+\frac{\sqrt{{\mathrm{\χ}}_{d}t}{\mathrm{\ρ}}_d{c}_d}{h_m{\mathrm{\ρ}}_m{c}_m}}{T}_0,---\left(6\right)$

其中ρ_m，d和c_m，d分别是金属膜11和电介质12的密度和比热，且χ_d是电介质12的热扩散率。自公式(6)，发现1/2衰减时间为：

τ₃～(ρ_mc_mh_m)²/χ_d(ρ_dc_d)².      (7)

在大的时间t＞＞τ₃时温度将衰减为t^-1/2。

如果电介质12厚度相比金属膜11小很多，则情况是不同的。由于硅基板13高的导热率，电介质12/硅13界面的温升可以认为是零。流经电介质12的热量等于电介质的导热率k_d＝ρ_dc_dχ_d和在整个电介质层12上的温度梯度即T/h_d的乘积，其中T是金属膜11中的温升，h_d是电介质12厚度。金属膜11的温度动态由以下等式描述

$h_m{\mathrm{\ρ}}_m{c}_m\frac{\∂T}{\∂t}=-{\mathrm{\ρ}}_d{c}_d{\mathrm{\χ}}_d\frac{T}{h_d}---\left(8\right)$

产生了指数热衰减，

T＝T₀exp(-t/τ₃)，               (9)

由以下给出衰减时间

τ₃＝(ρ_mc_mh_mh_d)/(ρ_dc_dχ_d)，    (10)

注意在两种情况下，τ₃对金属11厚度很敏感，而τ₂与其无关。因此，通过热衰减进行金属11厚度测量的最有利的情形是当垂直的热传输211占优势即τ₃＜＜τ₂时的情形。这可以通过利用大的激励点(以下参见估计量)或者通过测量比激励光点尺寸小的隔离测量结构来实现。如果τ₂和τ₃相当，则能够测量，但用于信号分析的数学模型必须考虑横向的热传输111且使用光点尺寸作为模型参数之一。最后，如果τ₃＞＞τ₂，则测量对于金属膜11厚度不敏感。

作为实例，对于厚的二氧化硅上的Cu膜进行了定量估测。根据等式(7)，随着膜厚度从0.1增加到1μm，衰减时间τ₃将在～50ns和～5μs之间变化。“横向的”衰减时间τ₂对于～100μm将为20μs的数量级且对于～10μm为～0.2μs。因此～10μm的光点尺寸太小以至于不能测量微米厚的膜，但对于～0.1μm厚的膜是足够的，同时～100μm光点尺寸对于1μm厚的膜将是足够的。

实验

对于提议方法的实验验证，激励波长为532nm，脉冲能量约为1μJ，脉冲持续时间为～0.5ns，光点尺寸为200×40μm。探测波长为830nm，光点尺寸为30×15μm，且探测功率为～1μW。小的探测功率引起低的信号电平且需要平均4800次激光发射。将允许探测功率增加到例如～1mW，以便仅通过几次激光发射就获得相似质量的信号，或增加具有更多平均值的信噪比。

对TiN膜进行了测量，其在830nm的探测波长处产生了好的热反射率信号。对于铜的测量，较好的是短的探测波长。

使用了淀积在硅晶片上的1000热氧化物上具有500、750、1000和1500厚TiN膜的四个样品。图2描述了示出自四个样品获得的热反射率瞬时的图。图2的水平轴对应于以ns计的时间，且图2的垂直轴对于于以任意单位计的反射率变化。曲线21、22、23和24分别对应于500、750、1000和1500TiN厚度的样品。信号的负号表示TiN的反射率在830nm随着温度而减小。如希望的，样品越厚，衰减越慢。注意到，两个较厚的样品23、24在信号开始产生了较快的瞬时现象。这归于由衰减时间τ₁描述的在整个膜厚度上的弛豫作用，在该情况下，其将比对于Cu膜估计的时间长，因为TiN的低热扩散率。

图3呈现了表示有效的热衰减时间与膜11厚度的关系图。图3的水平轴对应于以埃计的TiN厚度，且图3的垂直轴对应于以ns计的时间。通过使信号波形拟合到15至50ns的时间窗内的指数函数中，测出有效的衰减时间。曲线图上的点落入平滑的曲线31中，其显示出测量很适合于膜厚度测定。

在前的表达式和实例是示范性的，且表示不局限于下面权利要求书的范围。

Claims (17)

1.一种测量膜厚度的方法，包括：

用激励脉冲脉冲地照射膜的表面，以使膜的温度上升；

用探测束照射膜的表面，使其从膜的表面反射以产生反射的探测束；检测反射的探测束的强度随时间的变化；

基于测量的强度变化产生信号波形；

基于信号波形确定膜的厚度。

2.如权利要求1的方法，其中用探测束照射膜表面的步骤进一步包括连续照射。

3.如权利要求1的方法，其中用探测束照射膜表面的步骤进一步包括准连续照射。

4.如权利要求1的方法，其中检测步骤进一步包括：检测包括对于激励脉冲的时域温度响应的变化。

5.如权利要求1的方法，其中确定步骤进一步包括用数学模型分析信号波形。

6.如权利要求5的方法，其中数学模型是根据膜的光学常数和构成膜的一种材料或多种材料的热性质获得的。

7.如权利要求1的方法，其中确定步骤进一步包括用经验校准来分析信号波形。

8.如权利要求1的方法，其中测量和产生步骤通过高速的检测器和瞬时的数字转换器如示波器进行。

9.如权利要求1的方法，其中用激励脉冲脉冲地照射膜表面的步骤进一步包括大于10μm的激励光点尺寸。

10.如权利要求1的方法，其中该方法测量了图案化的金属/电介质结构，该结构具有比激励或探测光点尺寸更大或者更小的特征尺寸。

11.如权利要求1的方法，其中该方法测量了比激励脉冲的光点尺寸更大或者更小的隔离测量结构。

12.一种用于测量膜厚度的装置，包括：

单个照射装置，用于照射单个脉冲激励束以使膜的温度上升；

照射装置，用连续的探测束照射膜的表面，使其从膜的表面反射以产生反射的探测束；

高速的光检测器，用于检测和测量对应于薄膜表面处的反射探测束的强度随着时间的变化；

瞬时的数字转换器，如示波器，其用于基于测量的强度变化产生信号波形；

计算机，用于基于信号波形确定膜的厚度。

13.如权利要求12的装置，其中用于照射单个脉冲激励束的照射装置进一步包括激光器。

14.如权利要求13的装置，其中所述的激光器发出持续时间小于10ns的脉冲。

15.如权利要求12的装置，其中用探测束照射膜表面的照射装置包括激光器。

16.如权利要求12的装置，其中所述的探测束是连续束。

17.如权利要求12的装置，其中所述的探测束是脉冲持续时间比10ns长的脉冲束。

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