TW202039928A

TW202039928A - 沉積加工的監控方法及系統

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Publication number: TW202039928A
Application number: TW109108212A
Authority: TW
Inventors: 希斯Ａ波伊斯; 拉克西米瓦拉德; 史里尼凡森藍加拉傑
Original assignee: 美商諾華量測儀器公司
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2020-11-01
Also published as: JP7483742B2; KR20210141543A; TWI741526B; EP3935371A4; US11852467B2; US20240167814A1; JP2022525861A; EP3935371A1; WO2020190643A1; US20220155064A1; CN113826002A

Abstract

本發明揭露在沉積加工的過程，量化鈍化和選擇性的程度的方法與系統。通過計算圖案線和間隔上方的鍍膜厚度，以評估鈍化的特性。使用XPS信號，並以X射線通量數做正規化該XPS信號。該方法適用在選擇性沉積製程中計算厚度。所得的厚度值可用作度量選擇性的尺度。測量從不同材料射出的電子，將所得的強度值表為各該材料厚度的函數，並以材料常數、有效衰減長度調整。解三種材料的函數，就可得知在圖案化晶圓上進行選擇性沉積加工時，在所要沉積的部分實際沉積的厚度，以及在鈍化的圖案上不想要沉積的實際沉積厚度。

Description

沉積加工的監控方法及系統

本申請案主張於2019年3月12日申請的美國專利臨時申請案，案號62/817,492的優先權，其全部公開內容引用於本案做為參考。

本發明主要是關於半導體製造技術領域中的製程控制和監控技術。所公開的製程控制技術特別適合於監控選擇性沉積加工。

數十年來，半導體工業一直依靠光蝕刻技術在晶片上產生所需的電路圖案。光蝕刻技術能夠在整個晶圓上沉積每一個材料層，然後在該材料層形成圖案，以形成電路。當前技術需要形成奈米級圖案。這種需求除了增加晶片製造工藝的許多步驟和成本外，還使光蝕刻技術變異常難以應用，甚至在某些情況下還不允許使用。另外，用於定義奈米級圖案的雙重和多重圖案（需要以兩次或更多次分別進行光蝕刻步驟，才能形成一層電路層的技術），可能會導致不可接受的邊緣錯置（edge placement errors – EPE）和重疊錯位。

稱為「選擇性沉積」的新興技術只在每一層有配置電路的區域進行沉積，因此可避免使用光蝕刻技術進行圖案化的需求。選擇性沉積有一種適合的用途，是使用原子層沉積（Atomic Layer Deposition – ALD）技術，重複形成自組裝單分子層（Self-Assembly Monolayers – SAM），其中每個單原子層僅沉積在有配置電路的區域。另一種相似的技術是分子層沉積（Molecular Layer Deposition – MLD）技術，用於沉積有機材料。通常是先在基底的頂表面形成介電質圖案及金屬圖案，也可能形成半導體圖案，而在之後的下一層上可能在該金屬圖案上方形成金屬層，在該介電質圖案上方形成介電質層、或在該半導體圖案上方形成半導體層。而在形成下一層之前，可能需要進行局部的活化或局部的鈍化（護封）。使用SAM和表面鈍化技術進行的ALD沉積工藝，可能是一種有前途的技術，因為這種技術不但不需使用光蝕刻技術步驟，又可利用材料層表面的化學特性進行對準，從而防止邊緣錯置和重疊錯位。

不管使用何種技術，都需要計量學和製程控制工具，才能以可接受的產量實施整合的加工。然而，迄今為止，業界還沒有開發出合適的計量工具來進行加工監控和品質評量。當今實驗室中用於研究這些加工技術的常規工具包括掃描電子顯微鏡（SEM），原子力顯微鏡（AFM）和穿隧式電子顯微鏡（TEM）。這些工具操作速度太慢，並不適合在大量生產的環境中使用，並且不能對加工提供實時的監視，以在商業製造環境中發生製程的漂移或失敗時，及時發出警訊。

X射線光電子能譜法（X-ray photoelectron spectroscopy – XPS）是一種已經用於分析基底表面化學特性的技術。XPS是通過使用X射線束照射基底，同時測量從基材頂層逸出的電子的動能和數量，而獲得的光譜圖。與此相似，X射線螢光（X-ray fluorescence – XRF）技術也是一種廣泛應用於樣品的元素分析和化學分析的技術，是通過以高能X射線或伽馬射線轟擊，激發材料發射特徵性「次級」（或螢光）X射線，採樣後得到測試結果。

為了能夠將選擇性沉積技術應用在商業製造環境中，在本技術領域中需要進行加工監測和製程控制。而所使用的方法必須能夠對晶圓上的加工品質，進行快速，直接和無損傷的測量，以分析工藝品質並檢測工程漂移。

以下對本發明內容的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作出基本的說明。發明的簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍。其唯一目的是以簡明的方式呈現本發明的數種概念，作為以下詳細說明的前言。

本發明所公開的實施例能夠用來分析和監控沉積加工及/或鈍化加工，特別是在選擇性沉積加工製程。本發明實施例還可以量化加工的品質並判斷工程漂移，或預測沉積設備何時需要維修。由於有上述優點，本發明的實施例使得選擇性沉積技術能夠應用在商業製造環境中。

在本發明公開的實施例中，是使用XPS測量技術，以分析在進行選擇性沉積期間所形成的材料層厚度。可以在選擇性沉積加工的不同步驟中執行上述測量。用來例如分析鈍化加工的品質，沉積層的品質，在鈍化區域上方是否存在沉積的材料，是否存在針孔等。本發明所公開的實施例有助於確保材料可適當沉積在應當沉積的區域中，並且確保沒有材料會沉積在不應沉積的區域。

本發明公開的實施例顯示使用XPS強度來確定加工結果的尺度，例如材料層的厚度，鈍化的厚度和選擇性的達成程度。

本發明公開的實施方案能夠在執行選擇性沉積加工的過程，量化鈍化和選擇性的程度。本發明的一個面向是通過計算圖案線和間隔上方的鍍膜厚度，以評估鈍化的特性。在本發明公開的實施例中是使用XPS信號作為評估依據，該XPS信號是以X射線通量數做正規化。這種方法對於在選擇性沉積製程中計算厚度很有用。所得的厚度值可用作度量選擇性的尺度。如此就可不需使用覆蓋晶圓資料用作選擇性參考數值。

本發明實施例提出在金屬或其下面的氧化物（例如SiO₂ ）層上實現ALD氧化物的厚度（或厚度的近似值）測量的方法。

本發明的各面向是包括一種用於監測沉積加工的方法，該方法包括：提供一樣品，該樣品具有含第一材料的第一層，沉積在含第二材料的第二層上，該第二層之中具有含第三材料的圖案；產生X射線束，並將X射線束導向該樣品，以照射該樣品；用X射線偵測器攔截該X射線束的部分，以產生X射線通量值；收集從該樣品發出的電子，並根據電子能量將電子分離；確定每個電子能量帶的電子計量；及使用該X射線通量值正規化對應到從第三材料的圖案發射的電子的電子能量帶的電子計量，以判斷在第三材料的圖案上存在第一材料，並將得到的正規化電子計量與參考電子計量比較。該方法可以另外包括：獲得所得的正規化電子計量與參考電子計量的比值；以及使用縮放該比值的自然對數值，以確定該圖案上方的第一層的厚度。該縮放步驟可包括乘以從第三材料發射並穿過第一材料的光電子的有效衰減長度的步驟。與此類似，該確定在該第二材料層上的第一層的厚度的步驟，可以包括使用該X射線通量值，來正規化對應到從第二材料發射的電子的電子能量帶的電子計量，以及應用一校正因子。

本發明進一步的面相包括一種用於監測沉積加工的方法，該方法包括：提供樣品，該樣品具有含第一材料的第一層，沉積在含第二材料的第二層上，該第二層中具有含第三材料的圖案；產生X射線束，並將X射線束導向該樣品以照射該樣品；收集從樣品發出的電子，並根據電子能量將電子分離；判斷各電子能量帶的電子計量，各該電子能量帶分別對應到從第一材料，第二材料和第三材料的物種發出的電子；使用該電子計量產生光電子的強度值I₁ ，I₂ 和I₃ ，該強度值分別對應到從第一，第二和第三材料發射的光電子；將從第一材料的物種發射的電子的模型化強度值表示為I’₁ ，該強度值對應至與較厚部分的厚度相關的第一貢獻值，和與較薄部分的厚度相關的第二貢獻值，兩者之和，其中將第一材料的材料常數與第一材料的有效衰減長度應用於各該第一貢獻值和第二貢獻值的計算；將從第二種材料的物種發射的電子的模型化強度值表示為I’₂ ，該值對應至較厚部分的厚度，並以第二材料的材料常數和第二材料的有效衰減長度調整；將從第三種材料的物種發射的電子的模型化強度值表示為I’₃ ，該值對應於較薄部分的厚度，並以第三種材料的材料常數和第三種材料的有效衰減長度進行調整；以及使用該強度值I₁ ，I₂ 和I₃ 以及該模型值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ 計算，以獲得該較厚部分的厚度和該較薄部分的厚度。該方法還可以包括將該材料常數應用於該厚度對該有效衰減長度之比值的指數。

本發明的另一面向是提供一種用於監控沉積加工的系統，該系統包括：用於支撐晶圓的工作台；X射線源，用於產生X射線束，以照射該晶圓的至少一個區域，該區域具有含第一材料的第一層，沉積在含第二材料的第二層上，且該第二層之中具有含第三材料的圖案；X射線偵測器，用於攔截該X射線束的部分，以產生X射線通量信號；電子分析儀，將從該晶圓發射的電子，根據電子能量的不同做空間上的分離；電子檢測器，用以檢測通過該電子分析儀的電子，並輸出檢測信號；處理器，用於接收該檢測信號，並根據該檢測信號判斷與從第三材料發射的電子相對應的能量帶中電子的信號強度，及使用該X射線通量信號對該信號強度進行正規化，以識別在第三材料的圖案上有第一材料存在。

以下將參照附圖說明本發明沉積加工的控制及監控方法及系統的實施例。不同的實施例或其組合可以提供在不同的應用中或實現不同的優點。根據所要實現的結果，可以將本發明不同技術特徵全部或部分利用，也可以單獨使用或與其他技術特徵結合使用，從而在需求與限制之間，求得平衡的優點。因此，參考不同的實施例可能會突顯特定的優點，但本發明並不限於本發明實施例。也就是說，本發明技術特徵並不限於應用在所描述的實施例，而是可以與其他技術特徵「組合和配合」，並結合在其他實施例中。

圖1顯示半導體晶圓的一部分的截面圖，用來展示本發明對沉積加工（例如，選擇性沉積加工）的監控方法及系統。基底層100，例如為晶圓基底，是由矽製成的材料層，並且在其上沉積絕緣體105，在該示例中是形成二氧化矽層。在該二氧化矽層105上形成多數的孔或溝槽110，並在該孔或溝槽110填充導電金屬（在所示的示例中為鎢），而對二氧化矽層105進行圖案化。在絕緣體層上沉積第二層115，但該第二層只選擇性地沉積在該絕緣體層105的暴露部分上方。在圖1的示例中，是僅在二氧化矽層的暴露部分上方選擇性沉積二氧化鋯層。為了說明便利起見，圖1的圖式顯示在二氧化矽層上實際上只沉積一層二氧化鋯層。然而，在鎢層的暴露部分上也可能沉積不需要的二氧化鋯薄層。結果在二氧化矽和鎢上就沉積了不均勻的二氧化鋯層115。

根據本發明一個實施例，是將XPS應用於監控沉積加工的選擇性品質，亦即用於確認在金屬層的暴露部分上方是否沉積了任何絕緣層。參照圖1的例子，在該實施例中，是利用XPS技術確認二氧化鋯層是否也沉積在鎢層的暴露部分上方。如果是，還要進一步確認該不需要有的沉積層的厚度。

在本發明一個示例中，是使用X射線照射圖1所示的樣品，並檢測從樣品產生的光電子發射（如箭頭所示）。在該特定示例中，從鎢層產生的發射本身（在本文中稱為W信號），經由ZrO₂ 層125衰減後的信號，使用於計算該順帶產生的/不需要的二氧化鋯層的厚度。入射的X射線通量則應用作為正規化該W信號強度（在本文中，「信號強度」和「電子計量」可互換使用）的參考值。所得的正規化電子計量值可以用來與參考電子計量值進行比較。

圖2顯示適用於本發明的沉積加工監控系統各種實施例的X射線系統200的示意圖。該系統如本文的操作和分析，可以由一個或多個電腦205執行。電子槍210發射電子束，引導該電子束撞擊陽極215。在該示例中，陽極215是由鋁製成。結果在該陽極處產生X射線。該X射線導向單色儀220。其後，X射線在單色儀處產生繞射。在該示例中，單色儀220是以晶體石英製成，並配置為僅將Al Kα X射線聚集在晶圓225上。在通量檢測器230處收集少量的該Al Kα。通量檢測器230的信號是將X射線計量轉換為通量數。該通量數乃是作為撞擊該晶圓的X射線的基準指標。

主要的Al Kα X射線束是被引導到衝擊該晶圓225。在該X射線穿過晶圓225的材料層時，電子和二次X射線會從該晶圓各個材料層中發射出來。XPS能量分析器240收集所發射的電子並將其引向XPS檢測器245。XPS能量分析器240通常根據所發射的電子的能量來分離電子，類似於依照光子的頻率將白光分開的棱鏡。因此，由XPS檢測器245產生的信號就可用於測量屬於每個特定能量帶的電子數量（即強度）。在監視器250上可顯示由電腦205繪製的強度（電子數）對結合能的圖。

在監視器250中顯示的曲線圖說明識別樣品中的材料的方法。在該特定示例中，晶圓225是由矽製成，並且具有含氮氧化矽的第一層和在氮氧化矽層上方的鉿氧化物層。圖中的各個波峰可用於識別被檢樣品（此處為晶圓225）中存在的材料。在圖2所示的示例中顯示氮氧化矽覆蓋整個矽層，並顯示鉿氧化物覆蓋了全部的氮氧化矽。然而，如關於圖1的示例所做的說明，當材料是選擇性沉積時，重要的是去理解每種材料的沉積位置和厚度。

根據本發明一個實施例，是以XPS信號經由一材料層產生的衰減，應用於推導在該材料層上存在一層不同材料的情況。此外，該衰減量也可用於量化該上方層的厚度。例如，查看來自金屬層中存在的金屬（例如，銅，鎢，鉭等）的XPS信號後，可以得知該XPS信號的任何衰減，用來表明在該金屬上存在不需要的氧化物層。當在氧化物底層上選擇性沉積氧化物層時，該衰減可以表明選擇性的減損。當然，反方向的作法也可成立，亦即使用XPS信號因為氧化物層產生的衰減，以檢測沉積在氧化物上的金屬是否存在，以及這種不需要的金屬層的厚度為何。

在本發明的實施例中，根據來自金屬的測得XPS信號來估計該不需要的氧化物的厚度。使用在測量過程獲得的測得XPS信號，從通量檢測器230獲得的X射線通量，以及所要檢測的金屬在沒有氧化物覆蓋時的預期XPS信號強度值，以計算該氧化物厚度。其中，該預期XPS信號強度值可以為經驗值，為以參考材料層測量的數值，和在開始沉積氧化物之前測量的數值等。

現回到圖1的特定示例。如圖1A所示，來自物種S（圖1A中的W或SiO₂ ）的射線經過厚度為t₀ 的頂層ZrO₂ 後，將衰減如下：Is = Is’e^{(- t0/} ^λ ^s,ZrO2) ，其中Is’（有時稱為參考強度或參考電子計量）是從物種S發出，穿過ZrO₂ 層之前的光電子強度，而λ_s,ZrO2 是材料參數（從物種S發出，穿過材料ZrO₂ 的特定型光電子（例如從矽發射並穿過ZrO₂ 的矽2p光電子）的有效衰減長度，effective attenuation length – EAL）。在本發明中，可能會簡稱為「由材料A經由材料B的EAL」，但應理解成從材料發出的特定光電子。

根據上式，如果來自S層的光電子強度為已知，就可以根據從S層發射並穿過ZrO₂ 層的光電子的衰減，來估算S層上方的ZrO₂ 層的厚度t₀ 。即以其材料參數計算測得的強度值以測得的通量校正後的值，與預期的強度值的比值的自然對數值。亦即，t₀ =λ_s,ZrO2 Ln ((I_s /X-ray Flux)/I_s ’)。

該計算方法可以應用於計算在所要形成圖案的材料層（例如，SiO₂ ）上所沉積的材料（例如ZrO₂ ，HfO等）的厚度，以及在不需要的圖案上所沉積的材料層（例如，Si）的厚度。例如，該方法可用於評估要只在選定表面上形成沉積，而在相鄰表面（例如，基板的鈍化/非活化表面）上不形成任何沉積，所能形成的沉積厚度。亦即，如果在不希望的區域上沒有發生沉積，就不會觀察到來自該區域的材料的XPS信號有衰減。

再次回到圖1。在該矽基底上的總體材料層系統包括含材料A的第一層，該第一材料A層中形成有含材料B的圖案，以及第二沉積層，該第二層位在材料A上的要沉積區域中的厚度為t_thick ，並且可能還有厚度為t_thin 的第二層，位在該材料B的圖案上的不需要區域。從物種A和B發射的光強度為I_A 和I_B ，會因材料C層的存在而分別發生衰減，該衰減至少取決於該沉積層的厚度和C層的材料厚度。形成該C層的材料的作用稱為有效衰減長度，並且可以獨立確定，例如可以通過實驗確定。為了計算厚度t_thick 及厚度t_thin ，將測得的強度值，以入射到基板的總X射線通量進行正規化，並以該有效衰減長度進行校正。利用該方法，就可以使用強度I_A 和I_B 來計算需要沉積部份的沉積厚度和不需要沉積部分的沉積厚度（如果有）。

在本發明的實施例中並不直接使用原始強度數值。這是因為如果使用原始數值，就必須考慮不同時間的量測之間的磁通量變化，以及不同工具的測量之間的磁通量變化。因此，在本發明中是以X射線通量數值正規化原始強度值，以計算厚度。同時，I_s ’的值可以用作可視需求或經驗進行縮放的常數。例如，可以通過在沉積頂層之前對晶圓執行XPS測量來獲得I_s ’的值，該值可以是每單位入射X射線通量或在某些標稱通量下的光電子強度等。而且，由於底層和圖案層的厚度（例如，圖1中的SiO₂ 和W）相對較厚，且對於每個晶圓都是恆定的值，因此不必為每個晶圓測量I_s ’。而是，可以使用已知為完好的晶圓，量得其數值後儲備用於之後進行的測試。

對所要沉積部分的沉積層和不要沉積部分的沉積的厚度（例如，SiO₂ 上沉積的ALD氧化物厚度和金屬上不需要的ALD氧化物的厚度），可以如下的方法測量。根據本發明實施例，本發明開發一種多材料多層厚度模型，並且使用來自所有這些材料層的信號。例如，考慮圖1所示的結構，使用對應於各個W，SiO₂ 和ZrO₂ 的XPS信號。產生一個常數，表示各材料對每個信號強度的有效貢獻值。然後，使用回歸算法來最佳化沉積層厚度和不需要部分的沉積物厚度的計算，從而使殘留值成為最小。例如在圖1的具體示例，就是計算在SiO₂ 區域上所沉積的二氧化鋯，以及在鎢W區域上沉積的二氧化鋯，兩者的厚度。

根據本發明的一種實施例，乃是對每個期望的物種，建立該物種對測試信號的衰減方程式關係。例如，在一種通常的情況下，沉積的層是要選擇性沉積在由第一材料形成的層上，但是也可能無意地沉積在由嵌入在第一材料內的第二材料所形成的區域（例如圖案）上方。因此，本發明的系統可以檢測三種信號：所沉積材料的種類的信號，來自第一材料的物種的衰減信號和來自第二材料的物種的衰減信號（可能程度較小）。

參照圖1，沉積材料的物種的信號是從層115（也表示為C）發射的信號與從不需要的部分125發射的信號兩者之和；來自第一材料的衰減信號是信號I_A ，來自第二材料的衰減信號是I_B 。因此，對於該示例，可以設置三個方程式：第一個方程式定義來自第一材料的信號（例如I_A ）經由需要沉積部份的沉積材料厚層衰減的結果。第二個方程式定義來自第二材料的信號（例如I_B ）經由不需要沉積部分的沉積材料薄層衰減的結果。第三方程式定義來自沉積材料115的信號，經由不須沉積部分的沉積材料125加入附加貢獻後的結果。每個方程式均具有「自我」衰減分量，表示該層中的深層發射的光電子穿過該層的其餘材料時所產生的衰減。

為了說明起見，上述方程式是參考圖1的示例展開，其中涉及三層：二氧化鋯層選擇性沉積在二氧化矽上，且有二氧化鋯薄層可能沉積在鎢層上。因此，鎢的XPS信號可能會被不需要沉積的二氧化鋯薄層衰減，可以表示為：

= 1 / K_W * Exp(-tZrO_2Thin / EAL_{W_Zr} )，其中K_W 是一個常數，表示鎢對該信號強度的有效貢獻，tZrO_2Thin 是該不須沉積的二氧化鋯薄層厚度，且EAL_{W_Zr} 是從鎢發射，行經二氧化鋯的電子的有效衰減長度。因此，鎢通過不須沉積的薄層的衰減信號表示為該薄層的厚度與電子由鎢通過二氧化鋯的有效衰減長度之比值的指數，由鎢的縮放因子縮放。

從鋯原子（代表二氧化鋯層）發射的電子的總XPS信號是沉積在矽上的較厚部分和沉積在鎢上的較薄部分的貢獻之和，可以表示為：

= 1 / K_Zr * (1 - Exp(-tZrO_2Thick / EAL_{Zr_Zr} )) + 1 / K_Zr * (1 - Exp(-tZrO₂ Thin / EAL_{Zr_Zr} ))；其中K_Zr 是代表鋯電子對信號強度的有效貢獻的常數，tZrO_2Thick 是需要沉積部分的二氧化鋯層的厚度，tZrO_{2 Thin} 是不需要沉積部分的二氧化鋯層的厚度，且EAL_{Zr_Zr} 是從鋯發出並穿過二氧化鋯的電子的有效衰減長度（從該層底部的鋯原子發出的電子會被其上方其餘層的厚度衰減）。因此，鋯的衰減信號是通過沉積的厚層的衰減信號與通過不須沉積的薄層的衰減信號之和，並表示為：厚層的厚度對鋯的有效衰減長度之比的指數，以鋯縮放因子縮放後的值，與該薄層的厚度與鋯的有效衰減長度之比的指數，以鋯縮放因子縮放後的值，兩者之和。

來自二氧化矽的XPS信號也會被二氧化鋯的厚層衰減，並且可以表示為：

= 1 / K_SiO2 * Exp(-tZrO_2Thick / EAL_{SiO2_Zr} )；其中K_SiO 是常數，代表矽電子對信號強度的有效貢獻，tZrO_2Thick 是要沉積部分的二氧化鋯層的厚度，EAL_SiO2 是從矽發射並穿過該厚層二氧化鋯層的電子的有效衰減長度。因此，由矽發出，通過沉積的厚層的衰減信號可表示為該厚層的厚度與通過二氧化鋯的矽的有效衰減長度之比的指數，經矽縮放因子縮放的結果。

因此，只要解出上述三個方程式，就可以確定兩個未知數：沉積在二氧化矽上的二氧化鋯層的厚度，以及沉積在鎢上的二氧化鋯的厚度（如果有）。

在本發明一個示例中，是使用I_w 和I_SiO 兩種強度值正規化I_Zr 的總貢獻值。通過改變ZrO_2Thick 和ZrO_2thin 的值，即分別代表ZrO₂ 沉積在SiO₂ 和W上的厚度值，再求該等方程式的解，以最小化殘留值。

最小化以求ZrO_2Thick 和ZrO_2Thin 的解：

。

其中，#Zr，#SiO和#W分別表示鋯，SiO₂ 和W的電子計量（圖2中監視器250所示曲線之下的面積），也就是XPS信號強度。可以通過例如在沉積鋯之前進行XPS測量或在其他參考樣品上進行測量來獲得K_Zr ，K_SiO 和K_W 的值。在本發明一個示例中，是使用回歸（例如非線性回歸）來找到tZrO_2Thick 和tZrO_2Thin 的值，這些值可將所測得的原始光譜比率（例如，#Zr/#SiO和#Zr/#W）與模型化的，或與估算的光發射強度比（例如I_Zr /I_SiO 和I_Zr /I_W ），均如上述表達式所示之間的殘留誤差最小化。

例如，可以在表達式中迭代使用不同的厚度，以產生模型化強度值I_W ，I_Zr 和I_SiO 的不同結果值，然後將I_W ，I_Zr 和I_SiO 的結果值插入該殘留誤差方程式中，直到殘留值最小化為止。對應於使殘留值最小化的I_W ，I_Zr 和I_SiO 的值的預測厚度，即可視為沉積層的正確或真實厚度。

在本發明的實施例中，沉積加工是施用在一個樣品，該樣品具有含第一材料的第一層，沉積在含第二材料的第二層上，其中該第二層之中具有含第三材料的圖案。該沉積加工可以如下步驟實施：使用測量所得的X射線通量值，正規化與從第三種材料的圖案發射的電子相對應的電子能量帶的電子計量，然後將所得的正規化電子計量與參考電子計量進行比較，從而判斷在該第三材料的圖案上存在第一材料。

此外，該方法可以通過以下步驟實施：計算在第二材料所佔的樣品區域上的沉積層的厚度，和在第三材料的圖案所佔的樣品區域上的沉積層的厚度（如有）。該厚度可以通過以下方式計算：以X射線束照射該樣品並收集從樣品的第一，第二和第三材料發射的光電子，從而分別產生強度值I₁ ，I₂ 和I₃ 。其後，使用參考強度值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ 來確定各該厚度值。該參考強度是對材料在沉積下一層之前量測所獲得的值，或者是完美參考樣品的期望數值。例如，該I’₂ 可以通過在形成第三材料的圖案之前或之後，但在沉積第一材料的第一層之前測量XPS信號來獲得。與此相同，在形成第三材料的圖案之後，但在沉積第一種材料之前，也可以通過測量XPS信號獲得I’₃ 。

I₁ 的值表示第二材料上方的厚層和第三材料上方的薄層（如有），兩者的相加貢獻。I₁ ，I₂ 和I₃ 分別以參考強度I’₁ ，I’₂ 和I’₃ 的函數表示，並利用與第一，第二和第三種材料對應的原子靈敏度值（atomic sensitivity value），以及對應於從第一，第二和第三材料各自發射，並穿過其上方相應材料的電子的有效衰減長度，進行修改。該原子靈敏度值和該有效衰減長度值都可以通過實驗確定。

可以使用來自第一材料和第二材料的信號來正規化第三材料的光電子信號。例如，由於該第二層和該圖案通常較厚，並且在所有晶圓上的布置都相同，因此可以該第二層和該圖案作為基準，以正規化來自沉積層的信號。例如，來自沉積的第一層的較厚部分和較薄部分的兩種貢獻值，就可以採用比率I₁ /I₂ 和I₁ /I₃ 做正規化。

本發明提供一種計算材料厚度的方法，用來計算沉積在第二層上的第一層的的第一厚度，以及沉積在該第二層中的圖案上方的第一層的第二厚度。其方法包括：使用個別電子能量帶的電子計量，產生強度值I₁ ，I₂ 和I₃ ，分別對應於從第一，第二和第三材料發射的光電子；使用迭代運算，計算模型化強度值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ ，以獲得該第一厚度和第二厚度的估計值，該強度值分別對應於從第一，第二和第三材料發射的光電子；最小化該測量所得的強度值I₁ ，I₂ 和I₃ 的比例，與該模型化強度值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ 的比例，兩者之間的差值，以得到該第一厚度和第二厚度的真正值。該方法還可以包括將各強度值I₁ ，I₂ 和I₃ ，表為各模型化的強度值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ ，各該第一，第二材料和第三材料個別相關聯的原子靈敏度因子，以及從各該第一材料，第二材料和第三材料中發出的光電子的有效衰減長度的函數，以及使用從最小化步驟獲得的值，以獲得第一厚度值和第二厚度值。該最小化步驟可以包括對測量得到的強度值比例與模型化的強度值比例之間的差值，進行回歸運算的步驟。

此外，可以通過以下方式計算沉積在第二層上方的第一層的第一厚度，以及沉積在第二層內的圖案上方的第一層的第二厚度：使用每個電子能量帶的電子計量來產生強度值I₁ ，I₂ 和I₃ ，該強度值分別對應於從第一，第二和第三材料發出的光電子；將預期強度I’₁ 設定為對應於沉積在第二材料上方的第一層的較厚部分所發射，且與該第一厚度相關聯的第一貢獻，與沉積在第三材料上方的第一層的較薄部分所發射，且與該第二厚度相關聯的第二貢獻，兩者的總和，其中，將第一材料的材料常數和第一材料的有效衰減長度應用於該第一貢獻和該第二貢獻中的每一個；將預期強度值I’₂ 設定成與從該第二層發射並穿過該第一厚度的光電子相對應，並以第二材料的材料常數和第二材料的有效衰減長度調節；將預期強度值I’₃ 設定成與從該圖案發射並穿過該第二厚度的光電子相對應，並以第三材料的材料常數和第三材料的有效衰減長度調節；以及使用該強度值I₁ ，I₂ 和I₃ ，及該預期的強度值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ 計算第一厚度和第二厚度。此外，可以使用對第一厚度和第二厚度的不同估計值，對該預期強度值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ 做迭代運算；在每次迭代運算中，確定強度值I₁ ，I₂ 和I₃ 與預期值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ 之間的殘留值；將可產生最小殘留值的第一厚度和第二厚度的估計值，設定成的第一厚度和第二厚度真正值。

應當理解的是，本說明書所描述的程序和技術並非必然與任何特定裝置相關，並且可以通過各種元件的任何合適的組合來實現。此外，可以根據本說明書的教導，使用各種類型的通用設備達成本發明。本發明已經根據具體的實施例描述如上，但說明內容無論如何都只是在說明，而不是用來限制本發明。本領域技術人員都可理解，許多不同的組合方式都可適用於實施本發明。

此外，只要閱讀本件專利說明書並實踐說明書所記載的發明，本發明的其他實施方式對於此行業人士即屬顯而易見，而能推知。值得注意的是，本案揭露的表達式是提供作為本發明實施例圖案層的特定幾何形狀的示例，如實施例所示。所述的實施例中的各種面向及/或元件可以單獨使用，也可以任何組合方式使用。因此，本專利說明書及其實施例的說明，目的僅是示例，不得用以限制本發明之範圍。本發明的真實範圍應由以下的申請專利範圍所規範。

A:材料 B:材料 C:材料 100:基底層 105:絕緣體/二氧化矽層 110:孔或溝槽 115:二氧化鋯層 125:ZrO₂層 200:X射線系統 205:電腦 210:電子槍 215:陽極 220:單色儀 225:晶圓 230:通量檢測器 240:XPS能量分析器 245:XPS檢測器 250:監視器

本發明的其他技術特徵和面向可由以下詳細說明，並參考所附圖式更形清楚。應該理解的是，詳細說明和附圖都是在提供由所附申請專利範圍所限定的本發明各種實施例的各種非限制性示例。

所附的圖式納入本專利說明書中，並成為其一部份，是用來例示本發明的實施例，並與本案的說明內容共同用來說明及展示本發明的原理。圖式的目的旨在以圖型方式例示本發明實施例的主要特徵。圖式並不是用來顯示實際上的範例的全部特徵，也不是用來表示其中各個元件之相對尺寸，或其比例。

圖1是選擇性沉積結構的局部剖視圖，顯示根據本發明的實施方案所量測的結果，而圖1A則顯示本發明一種實施方案中，判斷材料層厚度的示意圖。圖2顯示根據本發明一個實施例的一種測量裝置。

200:X射線系統

205:電腦

210:電子槍

215:陽極

220:單色儀

225:晶圓

230:通量檢測器

240:XPS能量分析器

245:XPS檢測器

250:監視器

Claims

一種監控沉積加工的方法，該方法包括：提供一樣品，該樣品具有含第一材料的第一層，沉積在含第二材料的第二層上，該第二層之中具有含第三材料的圖案；產生X射線束，並將X射線束導向該樣品，以照射該樣品；用X射線偵測器攔截該X射線束的部分，以產生X射線通量值；收集從該樣品發出的電子，並根據電子能量將電子分離；確定每個電子能量帶的電子計量；及使用該X射線通量值正規化對應到從第三材料的圖案發射的電子的電子能量帶的電子計量，以判斷在第三材料的圖案上存在第一材料，並將得到的正規化電子計量與參考電子計量比較。
如申請專利範圍第1項的方法，其中將得到的正規化電子計量與參考電子計量比較的步驟包括獲得所得的正規化電子計量與參考電子計量的比值的步驟。
如申請專利範圍第2項的方法，另包括使用縮放該比值的自然對數值，以確定該圖案上方的第一層的厚度的步驟。
如申請專利範圍第3項的方法，其中的縮放包括乘以從該第三材料發射並通過該第一材料的光電子的有效衰減長度。
如申請專利範圍第1項的方法，另包括判斷在該第二材料層上的第一層的厚度的步驟，該步驟包括使用該X射線通量值，來正規化對應到從第二材料發射的電子的電子能量帶的電子計量，以及應用一校正因子的步驟。
如申請專利範圍第1項的方法，其中，該校正因子包括從該第二材料發射並通過該第一材料的光電子的有效衰減長度。
如申請專利範圍第1項的方法，其中，該第一材料和第二材料是介電質，且該第三材料是導體，或者該第一材料和第二材料是導體，且該第三材料是介電質。
如申請專利範圍第7項的方法，其中提供該樣品的步驟包括執行自對準沉積加工，以在該第二層上方沉積該第一層。
如申請專利範圍第1項的方法，其中，該參考電子計量值是在沉積該第二層之前，照射該樣品所獲得。
如申請專利範圍第1項的方法，其中，沉積在該第二層上的第一層的第一厚度，與沉積在該圖案上的第一層的第二厚度，是以下示方法計算：使用個別電子能量帶的電子計量，以產生強度值I₁ ，I₂ 和I₃ ，該強度值分別對應於從第一，第二和第三材料發射的光電子；使用迭代運算，計算模型化強度值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ ，以獲得該第一厚度和第二厚度的估計值，該強度值分別對應於從第一，第二和第三材料發射的光電子；最小化該測量所得的強度值I₁ ，I₂ 和I₃ 的比例，與該模型化強度值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ 的比例，兩者之間的差值，以得到該第一厚度和第二厚度的真正值。
如申請專利範圍第10項的方法，進一步包括：將各強度值I₁ ，I₂ 和I₃ ，表為各模型化的強度值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ ，各該第一，第二材料和第三材料個別相關聯的原子靈敏度因子，以及從各該第一材料，第二材料和第三材料中發出的光電子的有效衰減長度的函數，以及使用從最小化步驟獲得的值，以獲得第一厚度值和第二厚度值的步驟。
如申請專利範圍第10項的方法，其中，該最小化步驟包括對測得的強度值比率與模型化的強度值比率之間的差值，進行回歸運算的步驟。
如申請專利範圍第12項的方法，其中該測量所得的比例和該模型化的比例之間的差值，以下式表示：[(I’₁ /I’₂ ) - (I₁ /I₂ )] 及[(I’₁ /I’₃ ) - (I₁ /I₃ )]。
如申請專利範圍第12項的方法，其中，該回歸運算包括執行非線性回歸運算，以最小化以下表達式： {[(I’₁ /I’₂ ) - (I₁ /I₂ )]² }/(I₁ /I₂ )² + {[(I’₁ /I’₃ ) - (I₁ /I₃ )]² }/(I₁ /I₃ )² 。
如申請專利範圍第項1的方法，其中，沉積在第二層上方的第一層的第一厚度，以及沉積在第二層內的圖案上方的第一層的第二厚度，是以如下方式計算得到：使用每個電子能量帶的電子計量來產生強度值I₁ ，I₂ 和I₃ ，該強度值分別對應於從第一，第二和第三材料發出的光電子；將預期強度值I’₁ 設定為對應於沉積在第二材料上方的第一層的較厚部分所發射，且與該第一厚度相關聯的第一貢獻，與沉積在第三材料上方的第一層的較薄部分所發射，且與該第二厚度相關聯的第二貢獻，兩者的總和，其中，將第一材料的材料常數和第一材料的有效衰減長度應用於該第一貢獻和該第二貢獻中的每一個；將預期強度值I’₂ 設定成與從該第二層發射並穿過該第一厚度的光電子相對應，並以第二材料的材料常數和第二材料的有效衰減長度調節；將預期強度值I’₃ 設定成與從該圖案發射並穿過該第二厚度的光電子相對應，並以第三材料的材料常數和第三材料的有效衰減長度調節；以及使用該強度值I₁ ，I₂ 和I₃ ，及該預期的強度值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ 計算第一厚度和第二厚度。
如申請專利範圍第15項的方法，包括以下步驟：使用對第一厚度和第二厚度的不同估計值，對該預期強度值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ 做迭代運算；在每次迭代運算中，確定強度值I₁ ，I₂ 和I₃ 與預期值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ 之間的殘留值；將可產生最小殘留值的第一厚度和第二厚度的估計值，設定成的第一厚度和第二厚度真正值。
一種用於監測沉積加工的方法，該方法包括：提供樣品，該樣品具有含第一材料的第一層，沉積在含第二材料的第二層上，該第二層中具有含第三材料的圖案；產生X射線束，並將X射線束導向該樣品以照射該樣品；收集從樣品發出的電子，並根據電子能量將電子分離；判斷各電子能量帶的電子計量，各該電子能量帶分別對應到從第一材料，　　第二材料和第三材料的物種發出的電子；使用該電子計量產生光電子的強度值I₁ ，I₂ 和I₃ ，該強度值分別對應到從第一，第二和第三材料發射的光電子；將從第一材料的物種發射的電子的模型化強度值表示為I’₁ ，該強度值對應至與較厚部分的厚度相關的第一貢獻值，和與較薄部分的厚度相關的第二貢獻值，兩者之和，其中將第一材料的材料常數與第一材料的有效衰減長度應用於各該第一貢獻值和第二貢獻值的計算；將從第二種材料的物種發射的電子的模型化強度值表示為I’₂ ，該值對應至較厚部分的厚度，並以第二材料的材料常數和第二材料的有效衰減長度調整；將從第三種材料的物種發射的電子的模型化強度值表示為I’₃ ，該值對應於較薄部分的厚度，並以第三種材料的材料常數和第三種材料的有效衰減長度進行調整；以及使用該強度值I₁ ，I₂ 和I₃ 以及該模型值I’₁ ，I’₂ 和I’₃ 計算，以獲得該較厚部分的厚度和該較薄部分的厚度。
如申請專利範圍第17項的方法，其中，以材料常數和有效衰減長度對各相應的材料的相關強度值進行調整的步驟，包括將該材料常數應用於該厚度對該有效衰減長度之比值的指數。
如申請專利範圍第17項的方法，進一步包括將非線性回歸運算應用於I₁ ，I₂ 和I₃ ，和I’₁ ，I’₂ 和I’₃ 的比率差異值的步驟。
一種用於監控沉積加工的系統，該系統包括：用於支撐晶圓的工作台； X射線源，用於產生X射線束，以照射該晶圓的至少一個區域，該區域具有含第一材料的第一層，沉積在含第二材料的第二層上，且該第二層之中具有含第三材料的圖案； X射線偵測器，用於攔截該X射線束的部分，以產生X射線通量信號；電子分析儀，將從該晶圓發射的電子，根據電子能量的不同做空間上的分離；電子檢測器，用以檢測通過該電子分析儀的電子，並輸出檢測信號；處理器，用於接收該檢測信號，並根據該檢測信號判斷與從第三材料發射的電子相對應的能量帶中電子的信號強度，及使用該X射線通量信號對該信號強度進行正規化，以識別在第三材料的圖案上有第一材料存在。
如申請專利範圍第20項的系統，其中，該處理器進一步計算所得的正規化電子計量與一個參考電子計量的比率。