CN1809740A

CN1809740A - 测量亚微米沟槽结构的方法

Info

Publication number: CN1809740A
Application number: CN 200480017603
Authority: CN
Inventors: A·马滋内
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2006-07-26

Abstract

本发明使用ISTS测量具有近微米或亚微米宽度的沟槽。该沟槽可以蚀刻在薄膜或者硅衬底中。该方法的一个步骤是通过利用空间周期性激光强度图案照射该结构来激励该结构，从而生成表面声波。其它步骤是将探测激光束衍射出热光栅，从而形成信号光束；检测作为时间函数的信号光束，以生成信号波形；根据该波形确定表面声波相速；以及根据表面声波相速对该结构参数的相关性来确定该沟槽结构的至少一个性质。

Description

测量亚微米沟槽结构的方法

本发明涉及确定样本性质的声光测量技术领域，该样本例如是在硅晶片上制造的沟槽结构。

制造微电子器件典型地包括多个构图步骤，其中通常通过在半导体衬底或者沉积在该衬底上的薄膜层中进行蚀刻从而制造沟槽结构(即孔或者线性沟槽)。

在工业过程监测和控制中非常需要测量这种结构的非接触式光学方法。对于过程控制应用来说，人们最关注的参数包括沟槽结构的深度、宽度和其它参数。在目前最新的集成电路制造中，典型的沟槽结构宽度为0.1μm数量级，而沟槽的深度范围可以从低于1μm到几个微米或更大。这种窄而高的长宽比结构的非破坏性测量是一个有挑战性的问题。

在现有技术美国专利5812261、6081330、6188478(本文中引入作为参考)中描述的一种已知的方法中，利用脉冲激励热扩散(ISTS)表面声波分光计探测薄膜结构。如图1所示，在这种技术中，利用成像的激光短脉冲激励样本结构，通过两束光3、3’的干涉从而在样本表面上形成光栅图案10。光栅图案10的每个亮条纹处发生的对光的吸收造成对样本的局部加热，这导致在样本表面处突然的周期性膨胀，由此引发声波。在放大部分8中可以看到声波传播。当该表面声波(SAW)在薄膜平面传播时，其还调制了衍射信号光束6’的强度，从而在检测信号中产生振荡分量(下文称作“声波分量”)。

已经采用上述技术来通过分析SAW频谱从而测量薄膜层的厚度。

如果通过蚀刻对薄膜进行构图，则ISTS可以用于测量蚀刻深度，前提是蚀刻区域的尺寸大于SAW的波长(即典型的是2-10μm)。这种现有技术的方法不适用于测量块状样本例如硅晶片的表面轮廓。此外，在光刻和蚀刻过程中，较小的部件(features)(即0.1μm数量级)最容易被误处理。因此，这些较小的部件需要过程控制测量。

在美国专利6256100中描述的ISTS技术的一种扩展中，上述方法用于测量由介电材料中蚀刻并且充填了金属的窄(即微米或亚微米宽度)沟槽构成的合成结构的有效厚度。然而，这种方法没有用于在金属充填之前测量沟槽结构。

此外，没有对高长宽比亚微米结构进行研究，该结构对于实际应用是最令人感兴趣的。

因此，需要提供一种能够测量宽度为0.1μm数量级的沟槽结构的方法。

本发明至少在一个方面满足了能够测量0.1μm数量级的沟槽结构的方法的需要。在一方面中，提出了一种测量构图结构的方法。该方法的一个步骤是通过利用空间周期性激光强度图案照射该结构来激励该结构，从而生成表面声波。其它步骤是将探测激光束衍射出热光栅，从而形成信号光束；检测该信号光束作为时间的函数，以生成信号波形；以及根据表面轮廓对于表面声波相速的影响来确定构图结构的至少一个性质。

在一个实施例中，空间周期性激光强度图案具有1到20微米的周期。在另一实施例中，该构图结构的表面轮廓具有等于或小于约2μm的周期。

在一个实施例中，该构图结构是周期性沟槽阵列。在另一实施例中，该周期性阵列是周期性线性沟槽阵列。在又一实施例中，该周期性阵列是2维沟槽阵列。

在一个实施例中，在硅衬底中制造沟槽。在另一实施例中，在薄膜中制造该沟槽。

在一个实施例中，至少一个性质是沟槽深度。在另一实施例中，至少一个性质是沟槽宽度。在另一实施例中，至少一个性质是沟槽结构的深度轮廓。

在一个实施例中，该确定步骤包括将多个声波波长的测量结果组合以确定沟槽结构的多个参数。在另一实施例中，该确定步骤包括沿着以及穿过该线性沟槽结构测量，以确定沟槽深度和宽度。在又一实施例中，该确定步骤包括在构图区域之内和之外进行测量，以便将沟槽结构引起的对于表面声波速度的影响与其它因素(例如薄膜厚度)导致的影响分开。

在一个实施例中，该确定步骤包括利用基于该结构的弹性性质的理论模型分析信号波形。在另一实施例中，该确定步骤包括利用经验校正分析信号波形。

本发明提供了根据以下说明、附图和权利要求显而易见的许多优点。

通过参照以下附图可以更完整地理解本发明：

图1表示了根据现有技术的方法，利用脉冲激励热扩散探测集成电路上的薄膜结构；

图2a表示了硅衬底上的构图薄膜；

图2b表示了构图硅衬底；

图3表示了一种模型，其表示计算的SAW速度与硅中的沟槽深度的相关性；

图4表示了一种模型，其表示了对于硅衬底上1μm厚的热氧化膜而言，计算的SAW速度与沟槽深度的相关性；

图5表示了包括硅衬底、蚀刻在SiO₂薄膜中的沟槽阵列以及金属薄膜涂层的结构；

图6表示了在图5中表示的样本的构图区域之外生成的信号波形，平行于沟槽阵列的沟槽，并且垂直于该沟槽；

图7表示了列出根据图6所示的信号波形获得的SAW速度值的表格。

根据本发明，ISTS可以用于测量具有近微米或亚微米宽度的沟槽结构，例如蚀刻在薄膜或者硅衬底中的周期性沟槽阵列。该测量基于以下情况，SAW相速受到沟槽结构的影响并且取决于该结构的参数。

根据本发明的方法，在具有特征为周期为或小于1μm数量级的表面轮廓的构图样本上实施SAW的激励和检测。该测量产生了限定波长的SAW频率，据此计算SAW相速。借助于分析或经验模型分析数据，从而确定该轮廓的参数，典型的是沟槽深度或者宽度。

对于SAW在高长宽比沟槽结构中的传播的精确分析要求有限元(finite element)计算。可以利用近似模型来获得对于高长宽比沟槽阵列对SAW传播的影响的评价。该模型用于周期性线性沟槽阵列，例如图2中标记为30和40的沟槽，其具有与沟槽结构周期相比大2个周期的表面声波。图2的结构(a)表示形成在衬底70之上的薄层60中的周期性沟槽阵列30。图2的结构(b)表示形成在硅衬底中的周期性沟槽阵列40。结构(a)包括几十微米数量级的沟槽9。这可以利用现有技术的ISTS方法进行测量。

该模型假设，如果结构(a)或(b)的周期相对于SAW2波长和结构的厚度而言较小，则可以将其当作具有有效弹性性质的均匀材料。根据诸如结构(a)中的构成材料的性质计算多层结构的有效弹性性质是已知的。实际上，将该多层结构描述成对称轴垂直于各个层的横向各向异性介质，由5个独立的有效弹性常量来描述该结构。相同的方法可以用于沟槽阵列30、40，前提是将真空当作该结构的构成材料之一。因此，可以获得以下等式，其通过该材料的密度ρ和弹性常量C_ij表示了沟槽阵列的有效密度ρ*和弹性常量C_ij*：

ρ^*＝hρ

C_{11}^{*} = h (C_{11} - \frac{C_{12}^{2}}{C_{11}}) - - - (1)

C_{66}^{*} = h C_{44}

C_{13}^{*} = C_{33}^{*} = C_{44}^{*} = 0

其中h是沟槽之间的空间与该结构周期的比值。可以通过沟槽宽度/空间比值将其表示为h＝1/(1+w/s)。等式(1)中的符号假设z轴垂直于沟槽。

图3表示了对于在Si中制造的宽度/空间比值为1∶1和1∶3的沟槽阵列而言，计算得到的SAW速度对沟槽深度的相关性。图4表示了对于在Si上的1μm厚二氧化硅薄膜中的沟槽阵列而言，计算得到的SAW速度对沟槽深度的相关性。该计算显示了SAW速度对沟槽深度80和宽度/空间比值都具有显著的相关性，特别是对于穿过该沟槽的SAW传播而言。为了评价沟槽深度80测量结果的再现性，假设SAW速度测量结果的再现性为～0.5m/s(其对应于0.1MHz的频率测量结果再现性)。对于5000的沟槽深度和垂直于沟槽的SAW传播而言，图3和4中表示的结果对于Si中1∶1的宽度/空间比沟槽产生了～7(或0.14％)的再现性评价，并且对于氧化物薄膜中的沟槽产生了～20(或0.4％)的再现性评价。

应当注意，沟槽深度80和宽度90的变化对平行于(∥)和垂直于(上)沟槽5的SAW速度具有不同的影响。沟槽宽度90的增加提高了平行速度，而降低了垂直速度，同时沟槽宽度/空间比值的增加提高了这两个方向上的SAW速度。这个事实表明可以将沿着沟槽5和穿过沟槽5的SAW传播的测量结果组合起来，以便确定沟槽深度80和宽度比。

尽管以上的模型计算用于一维线性沟槽阵列，但是可以预计的是，二维孔阵列对于SAW速度也具有影响，因此可以通过该影响测量诸如沟槽深度和宽度的结构参数。

在多个SAW波长实施测量将提供能够用于同时测量沟槽结构的多个参数的附加信息。例如，如果SAW波长小于沟槽深度，则SAW速度将独立于沟槽深度，但是仍然对于沟槽宽度敏感。当波长较长时，SAW速度对于沟槽深度和宽度敏感。因此，将短波长和长波长时的测量结果组合起来就可以同时测量这两个参数。

为了通过实验测试利用本发明方法的沟槽测量的性能，当SAW波长为6μm时对图5所示的结构进行测量。图5的结构包括由硅构成的衬底700，在800nm厚SiO₂层中制造的沟槽阵列500。该沟槽宽度为1μm并且宽度/间隔比为1∶1。该结构涂敷了～25nm的Ta和～100nm的Cu600。

图6表示了利用平行于(例如601)和垂直于(例如602)沟槽5的SAW传播，在该沟槽阵列601、602上和样本的未构图区域中获得的信号波形600。由波形600、601、602可以看出对于垂直传播而言，表面起伏对于信号的影响特别强，并且其造成SAW频率的显著降低。

图7表示了列出根据图6所示波形获得的SAW速度值的表格。可以看出对于平行传播而言，SAW速度相对于未构图区域(即零沟槽深度)轻微增加，而对于垂直传播而言，速度显著降低。这些结果定性地符合根据图4的理论预测。

本发明提供了许多其它优点，根据说明书、附图和权利要求是显而易见的。

前面的表达式和实例是示例性的并且无意限制以下权利要求的范围。

Claims

1.一种测量构图结构(3)的方法，包括：

通过利用空间周期性激光强度图案照射该结构来激励该结构(3)，从而生成表面声波；

将探测激光束(6)衍射出热光栅，从而形成信号光束；

检测该信号光束作为时间的函数以生成信号波形；以及

根据表面轮廓对于表面声波相速的影响来确定构图结构的至少一个性质。

2.根据权利要求1所述的方法，其中激励步骤还包括空间周期性激光强度图案具有1到20微米的周期。

3.根据权利要求1所述的方法，其中该构图结构包括宽度等于或小于约2μm的沟槽。

4.根据权利要求3所述的方法，其中该构图结构还包括周期性沟槽阵列。

5.根据权利要求4所述的方法，其中该构图结构还包括周期性线性沟槽阵列。

6.根据权利要求4所述的方法，其中该构图结构还包括2维周期性沟槽阵列。

7.根据权利要求4所述的方法，其中在硅衬底中制造沟槽。

8.根据权利要求3所述的方法，其中在薄膜中制造该沟槽。

9.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个性质包括沟槽深度。

10.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个性质包括沟槽宽度。

11.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个性质包括沟槽结构的深度轮廓。

12.根据权利要求1所述的方法，其中该确定步骤还包括将在多个声波波长的测量组合以确定沟槽结构的多个参数。

13.根据权利要求5所述的方法，其中该确定步骤还包括将沿着以及穿过该沟槽结构的测量组合以确定沟槽深度和宽度。

14.根据权利要求1所述的方法，其中该确定步骤还包括将构图区域之内和之外的测量组合以便将沟槽结构引起的对于表面声波速度的影响与其它因素例如薄膜厚度导致的影响分开。

15.根据权利要求1所述的方法，其中该确定步骤包括利用基于该结构的弹性性质的理论模型分析信号波形。

16.根据权利要求1所述的方法，其中该确定步骤包括利用基于经验校正的模型分析信号波形。