TW202144764A - 用於評估基板上的薄膜厚度的方法 - Google Patents

Abstract

一種用於評估基板上的薄膜厚度的方法，包括檢測薄膜對電磁光譜的紅外部分中的電磁輻射的暴露的原子力響應。使用原子力顯微鏡評估薄膜厚度以避免在利用光學量測技術評估薄膜厚度時經常遇到的底層雜訊。這種底層雜訊不利地影響了厚度評估的準確性。

Description

用於評估基板上的薄膜厚度的方法

本揭露實施例係有關於一種用於評估薄膜厚度的方法，特別係有關於一種用於評估基板上的薄膜厚度的方法。

對於包括智慧型手機、平板電腦、桌上型電腦、筆記型電腦以及許多其他類型的電子裝置的電子裝置，一直存在對提高計算能力的持續需求。積體電路為這些電子裝置提供計算能力。 增加積體電路中計算能力的一種方式是增加半導體基板的給定區域可以包括的電晶體以及其他積體電路特徵的數量。可以藉由減小電晶體的尺寸來增加半導體基板的給定區域可以包括的電晶體的數量。減小電晶體的尺寸可能涉及改變材料層的厚度以及在半導體基板上產生的特徵的幾何形狀。在減小電晶體尺寸的設計過程中，重要的是評估用於形成電晶體的材料層的厚度。

根據本揭露的一些實施例，提供一種用於評估基板上薄膜厚度的方法，包括將薄膜暴露於不可見電磁輻射，檢測薄膜對將薄膜暴露於不可見電磁輻射的一力響應，利用來自檢測操作的薄膜的力響應以判斷薄膜的厚度。

根據本揭露的一些實施例，提供一種用於判斷基板上的薄膜的厚度的方法，包括將薄膜暴露於紅外電磁輻射，在將薄膜暴露於紅外電磁輻射的同時，使用原子力顯微鏡在薄膜上執行一力測量，使用薄膜上的力測量的結果判斷薄膜的厚度。

根據本揭露的一些實施例，提供一種用於評估基板上的薄膜的厚度的方法，包括將基板上的複數個薄膜暴露於電磁光譜的紅外部分中的電磁輻射，在將複數個薄膜暴露於電磁光譜的紅外部分中的電磁輻射的同時，使用以非接觸模式操作的原子力顯微鏡對複數個薄膜執行力測量，檢測在電磁光譜的紅外部分中電磁輻射的第一波長處的複數個薄膜的力響應，檢測在電磁光譜的紅外部分中電磁輻射的第二波長處的複數個薄膜的力響應，以及使用在第一波長處的檢測到的力響應以及在第二波長處的檢測到的力響應來評估複數個薄膜之一的厚度。

以下的揭露提供各種許多不同的實施例或範例以實行本揭露之不同特徵。以下敘述各個構件以及排列方式的特定範例，以簡化本揭露。當然，這些僅為範例且非意圖作為限制。例如，若說明書敘述了第一特徵形成於第二特徵之上，即表示可包括上述第一特徵與上述第二特徵係直接接觸的實施例，亦可包括有附加特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與第二特徵可未直接接觸的實施例。除此之外，在各種範例中，本揭露可能使用重複的參考符號及/或字母。這樣的重複係為了簡化以及清楚之目的，並不表示所討論的各種實施例及/或配置之間的關聯。

此外，空間相關用詞，如：「在…下方」、 「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」等等的類似用詞，可在這裡使用以便於描述圖式中一個元件或特徵與另一個（些）元件或特徵之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用詞意圖涵罩蓋使用中或運算中的裝置之不同方位。裝置可被轉向不同方位（旋轉90度或其他方位），且在此使用的空間相關用詞亦可依此相同解釋。

本文描述的一實施例是一種用於評估基板上的薄膜的厚度的方法。薄膜的實例包括在基板（例如半導體基板，像是矽晶圓）上的材料的導電層以及非導電層。在一些實施例中，檢測基板上的一個或多個材料薄膜對暴露於不可見電磁輻射的一個或多個波長的力響應。所檢測到的力響應用於判斷薄膜的厚度。在一些實施例中，檢測到的力響應是將多於一個的薄膜層（例如，基板上的複數個薄膜層）暴露於不可見電磁輻射的結果。根據一些揭露的實施例，藉由在用於形成薄膜的材料的力響應與薄膜厚度之查找表中識別薄膜的厚度來評估（例如，判斷）薄膜的厚度。在其他實施例中，檢測基板上的一個或多個材料薄膜的電容響應。檢測到的電容響應用於評估（例如，判斷）薄膜的厚度。根據一些揭露的實施例，藉由在用於形成薄膜的材料的電容響應與薄膜厚度之查找表中識別薄膜的厚度來評估（例如，判斷）薄膜的厚度。

用於製造例如電晶體的半導體裝置的製程的優化涉及評估形成在半導體基板上的材料、厚度、寬度、間距、幾何形狀、以及其他特徵的變化。半導體基板通常包括幾十個（如果不是數百個）薄膜層。已經使用光學量測技術評估了半導體基板上的薄膜層的厚度。參考第1圖，示出了光學量測技術的示例。在第1圖中，經受光學量測技術的製品包括晶圓基板10，在其上已經在晶圓基板10上形成了第一薄膜12，並且已經在第一薄膜12上形成了第二薄膜14。光學量測儀器將可見光18引導至第二薄膜（層）14的上表面16上。一部分入射可見光穿過第二薄膜（層）14並到達第一薄膜（層）12。到達第一薄膜（層）12的一些入射可見光可以到達第一薄膜（層）12與晶圓基板10之間的界面。入射的可見光18的部分20被第二薄膜14反射。入射的可見光18的部分22以及24被第一薄膜12反射，並且相對於由反射的可見光的部分20表示的訊號導致不期望的「底層｣雜訊。這樣的底層雜訊降低了用於評估第二薄膜14的厚度（例如表面層薄膜14的厚度）由可見光的部分20表示的訊號的有用性。

參考第2圖，根據本揭露的一些實施例，使用紅外原子力顯微鏡（infrared atomic force microscopy, IR-AFM）以評估基板上的薄膜層的厚度。由紅外原子力顯微鏡產生的訊號較不易產生與光學量測技術相關的底層雜訊。在第2圖中，示出了有用於根據本揭露的實施例的紅外原子力顯微鏡系統100的方塊圖。 紅外原子力顯微鏡系統100包括計算機102，計算機102控制紅外原子力顯微鏡系統的各個構件並處理所產生的紅外原子力（infrared atomic force, IR-F）訊號。紅外原子力顯微鏡系統100更包括具有探針尖端106的懸臂104、壓電轉換器（piezoelectric transducer）或顫動壓電（dither piezo）108、鎖相迴路（phase locked loop, PLL）懸臂驅動器110、以及偏轉感測器（deflection sensor）112。在一些實施例中，當探針在關注的樣本114上方移動以使樣本成像時，顫動壓電108在懸臂104上產生振動以使探針尖端106振盪，例如，以懸臂的多種共振模式中之一種。顫動壓電108藉由鎖相迴路懸臂驅動器110驅動，鎖相迴路懸臂驅動器110向顫動壓電108提供驅動訊號。鎖相迴路懸臂驅動器110連接至偏轉感測器112，偏轉感測器112使用光源（例如，雷射二極體）以及光檢測器（例如，光二極體檢測器（未圖示））來光學地感測懸臂104的振動（例如，頻率以及/或振幅）或位移。作為偏轉感測器112的替代，紅外原子力顯微鏡系統100可以包括能夠檢測探針尖端106以及/或懸臂104與樣本114的上表面16之間的距離變化的感測器。在一些實施例中，鎖相迴路懸臂驅動器110產生驅動訊號，由於作用於探針尖端106以及樣本114之間的力梯度（可包括紅外原子力），驅動訊號的頻率可追踪（track）懸臂104的共振頻率的變化。此頻率追踪藉由鎖相迴路懸臂驅動器110中的鎖相迴路完成，鎖相迴路測量懸臂振動相對於其驅動訊號的相位，並調整驅動訊號的頻率以保持驅動訊號與懸臂振動之間的固定相位關係。具有探針尖端106的懸臂104、顫動壓電108、鎖相迴路懸臂驅動器110、以及偏轉感測器112以及其他示出的構件常見於原子力顯微鏡中，因此不提供其細節的進一步描述。

紅外原子力顯微鏡系統100更包括訊號產生器116，其將紅外原子力調變（modulation）訊號提供給光子源118，光子源在此實施例中是可調諧雷射。紅外原子力調變訊號的頻率高於形貌跟隨（topographic following）的關注範圍（例如，通常在數十或數百赫茲（Hz）中），但遠低於用於形貌成像的模式的頻率（或較低的模式頻率，如果多種模式被使用於形貌成像）。作為示例，紅外原子力調變訊號的頻率可以在1千赫茲（kHz）至200千赫茲（kHz）的範圍內。在一些實施例中，可調諧雷射118的波長由計算機102控制，使得波長范圍落在電磁光譜的紅外部分（infrared portion）內，並且可以被掃掠以產生紅外原子力對入射輻射波長的圖。在一些實施例中，施加到可調諧雷射118的紅外原子力調變訊號開啟以及關閉可調諧雷射，使得可調諧雷射以紅外原子力調變訊號的頻率開啟。來自可調諧雷射的光束被引導到探針尖端/樣本界面，並且響應於雷射輻射的紅外原子力被探針尖端106/懸臂104檢測到。

在一些實施例中，紅外原子力顯微鏡系統100更包括調頻解調器（FM demodulator）120、低通濾波器122、形貌伺服器124、z方向壓電轉換器或z壓電126、以及以鎖相檢測器或放大器128形式的訊號處理電路。調頻解調器120接收來自鎖相迴路懸臂驅動器110的追踪訊號，並測量懸臂104的頻率變化，懸臂104的頻率變化包括由於紅外原子力引起的變化。在一些實施例中，當懸臂104的振動頻率訊號偏離參考電壓時，調頻解調器120產生相對於電壓改變的訊號。調頻解調器120的輸出訊號經由低通濾波器傳輸，以僅允許較低的訊號頻率，輸出訊號用於維持探針尖端106與關注的樣本114之間的所需距離。特別是，低通濾波的訊號被傳輸到形貌伺服器124，訊號控制z壓電126以保持探針尖端106與關注的樣本114之間的所需距離。

在一些實施例中，調頻解調器120的輸出訊號也被傳輸到鎖相檢測器128，以使用來自訊號產生器116的紅外原子力調變頻率訊號作為鎖相參考訊號以檢測紅外原子力訊號。鎖相檢測器128的輸出對應於以紅外原子力調變頻率調變的調頻解調器輸出的分量的振幅。由於雷射是在紅外原子力調變頻率下調變的，因此紅外原子力在此頻率下被調變，而懸臂的共振頻率將在此頻率下被調變，並且調頻解調器的輸出將包含在此頻率下調變的分量。因此，鎖相檢測器128的輸出是其大小與紅外原子力梯度的大小成比例的訊號。紅外原子力訊號可以由計算機102處理以產生關注的樣本114的圖像或橫跨雷射器產生的波長範圍的紅外原子力訊號。

需注意的是，在以上討論中，僅描述了單個振動模式以跟隨形貌並產生紅外原子力訊號。也可以使用兩個單獨的模式，以便也可以得出紅外原子力振幅訊號。雖然此訊號的響應時間將受到懸臂品質因數Q的限制，但生成此訊號以及從上述調頻模式得出的訊號可能會很有用，從而允許使用者可以根據需要的測量類型來查看兩種訊號。

在這兩種模式的方法中，以兩個頻率調變雷射。第一頻率對應於相關的紅外原子力顯微鏡，其通常是用於形貌感測以及紅外原子力感測的模式之間的差頻，但是也可以是兩種模式的總和。此外，還會應用如上選擇用於調頻的較慢的調變，例如1千赫茲。藉由這種安排，放大的紅外原子力訊號在紅外原子力顯微鏡模式下產生，並且調頻紅外原子力訊號在兩種模式下都會產生。然而需注意的是，由於紅外原子力模式（其僅響應於紅外原子力）未被驅動，因此有時會具有較低甚至為零的振幅，從而無法在一進行中的基準測量其頻率。由於形貌模式是不斷被驅動的，因此可以隨時測量其頻率。

需注意的是，即使無意以其自身的懸臂模式得出紅外原子力振幅訊號，使用兩個調變頻率也是有用的。例如，假設雷射器僅能夠短脈衝，但允許高達10百萬赫茲的脈衝重複率。當此脈衝以最大頻率發生時，將發生最高有效佔空比（effective duty cycle）。因此，以1百萬赫茲以及1千赫茲進行調變將是一種用於形貌成像的模式下產生成紅外原子力調頻訊號的有效方法。實際上，將快速脈衝雷射當作是連續波（continuous wav）源，並以紅外原子力調變頻率進行調變。

根據本揭露的實施例，可以藉由利用接觸以及非接觸模式的紅外原子力顯微鏡來測量薄膜的紅外原子力響應。接觸模式包括探針尖端與薄膜的上表面接觸的模式。非接觸模式包括探針尖端不與薄膜的上表面接觸的模式。在接觸模式的示例中，薄膜的力響應被偏轉感測器112檢測為懸臂104的偏轉。在接觸模式的另一個示例中，振盪探針尖端以使得其周期性地接觸薄膜的上表面（例如，藉由輕拍薄膜的上表面），並且將薄膜對電磁能量暴露的力響應檢測為探針尖端的振盪振幅或頻率的變化。在非接觸模式的示例中，探針尖端不接觸薄膜表面並且被振盪或振動。在此非接觸模式下，薄膜對電磁能量暴露的力響應被檢測為探針尖端的振盪或振動的振幅或頻率的變化。在非接觸模式的另一示例中，探針尖端不接觸薄膜表面並且以其共振頻率被振盪或振動。薄膜對電磁能量暴露的力響應被檢測為探針尖端/懸臂的共振頻率的變化。

根據本揭露的實施例，在將薄膜暴露於電磁光譜的紅外部分中的電磁輻射期間或之後立即判斷力響應。所判斷的力響應用於評估被分析的薄膜的厚度。此評估包括在用於組成薄膜的材料的力響應與厚度的查找表中，識別薄膜厚度並與檢測到的力響應相關。根據一些實施例，針對組成薄膜的材料以產生力響應與厚度的查找表。在一些實施例中，針對組成關注的薄膜以及在關注的薄膜下方的一個或多個附加薄膜的材料以產生力響應與厚度的查找表。參考第5圖，示出了針對材料1的查找表的示例。查找表特定於組成薄膜的材料1，以使操作者評估厚度。查找表包括複數個力響應A至I，其與所討論的材料的薄膜的測得厚度1至9相關。查找表包括半導體裝置製造中使用的導電材料以及非導電材料的材料的示例將會很有用。這種導電材料的示例包括金屬或金屬化合物，包括但不限於釕、鈀、鉑、鎢、鈷、鎳，鉿、鋯、鈦、鉭、鋁化鋁以及/或導電金屬碳化物（例如碳化鉿、碳化鋯、碳化鈦以及碳化鋁）、以及其他適用於N型金屬材料的材料（例如Ta、TiAl、TiAlN、TaCN、其他N型功函數金屬、或其組合）、以及合適的P型功函數金屬材料（包括TiN、TaN、其他P型功函數金屬、或其組合）。非導電材料的示例包括高介電常數（高K值）介電材料（例如氧化鉿（HfO2）、矽氧化鉿（HfSiO）、矽氧氮化鉿（HfSiON）、鉭氧化鉿（HfTaO）、鈦氧化鉿（HfTiO）、鋯氧化鉿（HfZrO））、低K值介電材料（例如氮氧化矽（SiOxNy）、Si₃ N₄ 、SiO、SiO₂ 、SiONC、SiOC）、以及其他介電材料或其他合適的材料組合。其他針對查找表將有用的材料包括鍺或矽鍺、SiGeB、SiP、SiC或SiCP。

如下所述更多細節，查找表中反映的力響應是使用紅外原子力顯微鏡而產生。查找表中測量的厚度值是藉由用以判斷基板上薄膜的厚度的任何已知的技術而獲得的。根據本文描述的實施例的用於判斷基板上的薄膜的厚度以產生查找表的目的的技術的一個示例包括在承載關注的薄膜的晶圓基板的剖面上使用穿透式電子顯微鏡。根據本揭露的一些實施例，不限於在晶圓基板的剖面上使用穿透式電子顯微鏡以判斷將用於建立查找表的基板上的薄膜的厚度。根據本揭露的一些實施例，可以使用提供對半導體基板上的薄膜的厚度的精確測量的其他量測技術。

參考第3A圖、第3B圖以及第5圖，描述了根據本揭露的用於評估基板上的薄膜的厚度的方法的實施例。第3A圖示出了晶圓基板310以及晶圓基板310上的兩個薄膜312以及314。晶圓基板310以及薄膜312以及314類似於以上關於第1圖描述的晶圓基板10以及薄膜12以及14。根據本揭露的一些實施例，紅外調頻（IR-FM）探針被示意性地示出為被支撐在懸臂318的端部的原子力顯微鏡探針尖端316。根據此實施例，基於是否僅期望最上層薄膜314的力響應或是否期望最上層薄膜314以及下層薄膜312的力響應來選擇探針尖端316的尺寸。如果僅期望最上層薄膜314的力響應，則選擇使得感測深度等於或小於最上層薄膜314的估計厚度的探針尖端的尺寸。如果期望最上層薄膜以及下層薄膜312的力響應，則選擇使得感測深度大於最上層薄膜314的估計厚度或最上層薄膜314以及下層薄膜312的估計總厚度的探針尖端的尺寸。紅外調頻探針尖端的感測深度在約1奈米至約100奈米的範圍內，例如40奈米或更小。根據本文所述的一些實施例有用的紅外調頻探針尖端不限於這些深度範圍。例如，根據本揭露的實施例，可以使用具有更大或更小的感測深度的探針尖端。如上所述，第3A圖中示意性示出的紅外調頻系統包括電磁輻射源320，例如，具有在電磁光譜的紅外部分內的波長的電磁輻射源。根據本揭露的實施例，對薄膜314的厚度的評估包括在一定範圍的波長上照射原子力顯微鏡探針尖端316接觸或非常接近薄膜314的上表面322的區域。在此輻射期間，薄膜314以及探針尖端316之間的力的變化被監測並記錄為原子力顯微鏡尖端力（AFM尖端力）。可以使用如上所述的接觸模式下的原子力顯微鏡或如上所述的非接觸模式下的原子力顯微鏡來判斷這些記錄的力響應。

第3B圖示出了在具有材料1的薄膜314以及材料2的薄膜312的樣本（如第3A圖所示）上實行的原子力顯微鏡尖端力測量的一部分結果的示例。藉由在收集原子力顯微鏡尖端力測量值的同時將樣本表面暴露於紅外電磁輻射掃描（scan of infrared electromagnetic radiation）以產生第3B圖中所示的圖。第3B圖示出了在大約1000奈米波長處的原子力顯微鏡尖端力的尖峰以及在大約2000奈米處的尖端力的較小的尖峰。在大約1000奈米處的尖峰表示薄膜314的力響應，並且在大約2000奈米處的尖峰反映下層薄膜312的力響應。根據本揭露的一些實施例，藉由將第3B圖所示的力響應與例如第5圖中所示的查找表進行比較來評估薄膜314的厚度。第5圖中的查找表包括力響應值以及測得厚度，測得厚度是藉由在晶圓基板310上的材料1的一層而獨立得到的，例如藉由在多個均帶有材料1的薄膜的基板的剖面上進行穿透式電子顯微鏡觀察，每個基板上承載著不同厚度的材料1的薄膜。第5圖中的查找表中的力響應可以是在大約1000 奈米處的峰值力響應，或者查找表中的力響應可以是與尖峰痕跡（trace of the spike）下的積分面積相關的值。根據本揭露的實施例不限於原子力顯微鏡尖端力的這些表示。原子力顯微鏡尖端力與波長關係圖的其他特徵可用於與被分析薄膜的測得力響應相關。根據其他實施例，藉由從樣本中收集力響應數據以產生查找表，樣本包括基板，基板包括與所討論的基板具有相同或相似組成的薄膜層，並使用穿透式電子顯微鏡或類似技術測量上層薄膜的厚度。

在替代實施例中，根據本揭露的一些實施例，採用諸如第6圖所示的查找表。第6圖中的查找表類似於第5圖中的查找表。然而，第6圖中的查找表的不同之處在於，它是藉由對具有材料2的薄膜（層）312以及材料1的薄膜（層）314的樣本實行紅外調頻，並記錄兩個或多個波長處（例如，薄膜（層）312的材料2表現出力響應的尖峰的波長處，以及薄膜（層）314的材料1表現出力響應的尖峰的波長處）的力響應，並藉由在承載材料1的薄膜（層）314以及材料2的薄膜（層）312的基板的剖面上進行穿透式電子顯微鏡觀察，以判斷至少薄膜（層）314的厚度。本文描述的一些實施例不限於使用包括對於單層或雙層薄膜在一個或兩個波長處的力響應的查找表。本文描述的一些實施例包括那些利用包括在兩個以上波長處的力響應，並且包括用於單層薄膜以上的測得厚度值的查找表。

參考第4A圖以及第4B圖，描述了根據本揭露的用於評估基板上的薄膜的厚度的方法的另一些實施例。第4B圖示出了晶圓基板410以及兩個薄膜412以及414。晶圓基板410以及薄膜412以及414類似於以上關於第1圖描述的晶圓基板10以及薄膜12以及14、以上關於第3A圖描述的晶圓基板310以及兩個薄膜312以及314。根據第4A圖以及第4B圖的一些實施例，薄膜412的厚度與第3A圖中的薄膜312相似。然而，薄膜414比第3A圖中的薄膜314更薄。第4A圖所示的探針尖端416、懸臂418以及電磁輻射源420與以上參考第3A圖描述的探針尖端316、懸臂318以及電磁輻射源320相同。用於產生第4B圖的探針尖端與用​​於產生第3B圖的探針尖端相同，並且具有與用於產生第3B圖的探針尖端相同的感測深度。為了簡潔起見，在此將不重複對探針尖端的描述。與第3A圖的實施例一樣，根據此實施例，基於是否僅期望最上層薄膜414的力響應或者是否期望最上層薄膜414以及下層薄膜412的力響應來選擇探針尖端416的尺寸。如果僅期望最上層薄膜414的力響應，則選擇使得感測深度等於或小於最上層薄膜414的估計的近似厚度的探針尖端的尺寸。如果期望最上層薄膜以及下層薄膜412的力響應，則選擇使得感測深度大於最上層薄膜414的估計的近似厚度或最上層薄膜414以及下層薄膜412的估計總厚度的探針尖端的尺寸。如上所示，第4A圖中示意性地示出的紅外調頻系統包括電磁輻射源320，例如，具有在電磁光譜的紅外部分內的波長的電磁輻射源。根據本揭露的一些實施例，對薄膜414的厚度的評估包括在一定範圍的波長上照射原子力顯微鏡探針尖端416接觸或非常接近薄膜414的上表面422的區域。在此輻射期間，監測由探針尖端416檢測到的力的變化並將其記錄為原子力顯微鏡尖端力（AFM尖端力）。可以使用如上所述的接觸模式下的原子力顯微鏡或如上所述的非接觸模式下的原子力顯微鏡來判斷這些記錄的力響應。

第4B圖示出了第4A圖所示的對具有材料1的薄膜414以及材料2的薄膜412的樣本實行的原子力顯微鏡尖端力測量的一部分結果的示例。第4B圖的圖是藉由在收集原子力顯微鏡尖端力測量值的同時將樣本表面暴露於紅外電磁輻射的掃描而產生的。第4B圖示出了在大約1000奈米波長處的原子力顯微鏡尖端力的尖峰以及在大約2000奈米處的稍大的峰值的尖端力的尖峰。在大約1000奈米處的尖峰表示薄膜414的力響應，並且在大約2000奈米處的尖峰反映下層薄膜412的力響應。根據與第3A圖以及第3B圖的實施例相同的實施例，薄膜414的厚度藉由將第4B圖中所示的力響應與第5圖中所示的查找表或第6圖的查找表比較來進行評估。

如第4B圖所示，與第3B圖中1000奈米處的原子力顯微鏡尖端力的峰值相比，在1000奈米處的尖峰的峰值更小。此差異可歸因於第4A圖中的薄膜414比第3A圖中的薄膜314更薄。因為薄膜414比薄膜314更薄，所以探針尖端416更靠近下層薄膜412。與探針尖端316以及薄膜312之間的距離相比，薄膜414減小的厚度以及導致探針尖端416以及薄膜412之間的距離減小，導致在1000奈米處較小的力響應（薄膜414的力響應）以及在2000奈米處的較大的力響應（薄膜412的力響應）。根據本揭露的另一些實施例，可以藉由使用薄膜312或412在2000奈米處的力響應與查找表在2000奈米處的力響應進行比較來評估第3A圖中的薄膜312以及第4A圖中的薄膜412的厚度，查找表包括由基板判斷的獨立判斷的力響應以及厚度，基板包括與被分析樣本的上層薄膜相同材料的上層薄膜以及與被分析樣本的下層薄膜相同材料的下層薄膜。

在另一些實施例中，分別利用來自下層薄膜312或412的力響應來評估薄膜314或薄膜414的厚度。在這些實施例中，藉由將薄膜312或412在2000奈米處的力響應與查找表進行比較來評估薄膜314或414的厚度，查找表包括在2000奈米處與薄膜314或414的獨立推導的厚度值相關的獨立推導的力響應，薄膜314或414的獨立推導的厚度值是由包括與被分析樣本的上層薄膜具有相同材料的上層薄膜以及與被分析樣本的下層薄膜具有相同材料的下層薄膜的基板判斷。

根據本揭露的另一些實施例，第3B圖以及第4B圖中所示的原子力顯微鏡尖端力掃描用於定性評估薄膜312、314、412以及414的相對厚度。例如，第3B圖中所示的原子力顯微鏡尖端力掃描與第4B圖的原子力顯微鏡尖端力掃描的比較顯示，第3B圖中的原子力顯微鏡尖端力在1000奈米波長處與第4B圖中相同波長處的原子力顯微鏡尖端力相比更大。這將表示產生第3B圖的薄膜314比產生第4B圖的薄膜414厚。

根據本揭露的一些實施例，可以以小於10微米、小於1微米、小於500奈米、小於250奈米、小於150奈米、小於100奈米或小於50奈米等級的水平分辨率（horizontal resolution）評估基板上的層的厚度。例如，在一些實施例中，水平分辨率為大約100奈米。本揭露的一些實施例的益處允許評估形成基板上的奈米尺寸的臨界特徵（critical feature）的一部分的層的厚度。

根據本揭露的其他實施例，使用諸如掃描電容顯微鏡（scanning capacitance microscopy, SCM）之類的紅外原子力顯微鏡的替代物來評估基板上的薄膜的厚度。掃描電容顯微鏡是多種掃描探針顯微鏡，其中將一個狹窄的探針電極放置在與樣本表面接觸或非常接近的位置並進行掃描。掃描電容顯微鏡使用從表面以及探針之間的靜電電容變化獲得的資訊來表徵樣本的表面。當根據本揭露的一些實施例使用掃描電容顯微鏡時，使用掃描電容顯微鏡設備判斷薄膜的電容。將判斷的表面薄膜的電容與查找表進行比較，查找表包括獨立判斷的電容值以及與組成被分析薄膜的材料相同的材料的表面薄膜厚度的獨立測量值。在包括與被分析樣本具有相同材料的薄膜的基板的剖面，使用穿透式電子顯微鏡觀察得出與組成被分析薄膜的材料相同的材料的表面薄膜的獨立測量厚度。

參考第7圖，示出了根據本揭露的一些實施例的用於評估基板上的薄膜的厚度的方法700。方法包括操作702，將薄膜暴露於電磁光譜的紅外部分中的電磁輻射。在將薄膜暴露於電磁光譜的紅外部分中的電磁輻射期間，在操作704，如上所述，使用紅外調頻檢測被照射的薄膜的力響應。然後在操作706，使用檢測到的力響應來評估被分析薄膜厚度。評估被分析的薄膜的厚度包括將檢測到的力響應與查找表進行比較，查找表包括與被分析的薄膜相同材料的複數個薄膜的獨立測量的力響應以及獨立判斷的複數個薄膜的厚度。

第8圖示出了根據本揭露的一些實施例的用於評估基板上的表面薄膜的厚度的另一種方法800。在第8圖的方法中，在操作802，將包括複數個薄膜的基板暴露於來自電磁光譜的紅外部分的電磁輻射。在照射操作802期間，在操作804使用紅外調頻在非接觸模式下執行力測量。在操作806，在紅外光譜的第一波長處檢測力響應。在操作808，在紅外光譜的第二波長處檢測力響應。在操作810，在紅外光譜的第一波長處檢測的力響應以及在紅外光譜的第二波長處檢測的力響應用於評估表面薄膜的厚度。在操作810，評估被分析的表面薄膜的厚度包括將在不同波長下的檢測的力響應與查找表進行比較，查找表包括針對與被分析薄膜相同材料的複數個膜在兩個不同波長下獨立測量的力響應，並獨立判斷複數個薄膜的厚度。

參考第9圖，根據本揭露的用於評估基板上的薄膜的另一種方法900包括在操作902將複數個薄膜暴露於來自電磁光譜的紅外部分的電磁輻射的操作。在操作904，照射多個薄膜的期間，並在薄膜上執行原子力顯微鏡力測量。在操作906，檢測在第一波長處第一薄膜的力響應。第一薄膜可以是上表面薄膜，但不限於上表面薄膜。在操作908，檢測在第二波長處第二薄膜的力響應。在一些實施例中，第二薄膜是上表面薄膜下方的下層薄膜。在操作910，使用在第二波長處檢測到的第二薄膜的力響應來評估第一薄膜的厚度。藉由將所討論的薄膜的力響應與查找表進行比較來評估第一薄膜的厚度，查找表包括在所討論的波長處與獨立推導的薄膜的厚度值相關的獨立推導的力響應，獨立推導的薄膜的厚度值由包括與被分析樣本的上層薄膜具有相同材料的上層薄膜以及與被分析樣本的下層薄膜具有相同材料的下層薄膜的基板判斷。

在本揭露的一些實施例中，評估基板上的薄膜的厚度。在這些實施例中，將薄膜暴露於不可見電磁輻射，例如電磁光譜的紅外部分中的電磁輻射。將曝光的薄膜經受原子力顯微鏡技術以檢測薄膜對電磁輻射的力響應。使用檢測到的力響應來判斷薄膜的厚度。在一些實施例中，將薄膜暴露於不可見電磁輻射包括將薄膜暴露於電磁光譜的近紅外部分中的電磁輻射。在一些實施例中，檢測薄膜的力響應包括使用原子力顯微鏡判斷薄膜的力響應。在一些實施例中，使用原子力顯微鏡之操作以非接觸模式施行。在一些實施例中，使用原子力顯微鏡之操作以接觸模式施行。在一些實施例中，用於評估基板上薄膜厚度的方法，更包括將薄膜下方的第一下層薄膜暴露於不可見電磁輻射，檢測第一下層薄膜對將第一下層薄膜暴露於不可見電磁輻射的力響應，以及將來自用於第一下層薄膜的該檢測操作的第一下層薄膜的力響應與來自用於薄膜的檢測操作的薄膜的力響應結合，以判斷薄膜的厚度。在一些實施例中，用於評估基板上薄膜厚度的方法更包括將第二下層薄膜暴露於不可見電磁輻射，第二下層薄膜在薄膜以及第一下層薄膜下方，檢測第二下層薄膜對將下層薄膜以及第一下層薄膜暴露於不可見電磁輻射的力響應，以及將來自用於下層薄膜的檢測操作的第二下層薄膜的力響應與來自用於薄膜的檢測操作的薄膜的力響應結合，以判斷薄膜的厚度。在一些實施例中，薄膜的力響應發生在不可見電磁輻射的一第一波長處，並且下層薄膜的力響應發生在不同於第一波長的電磁輻射的第二波長處。在一些實施例中，使用來自用於薄膜的檢測操作的薄膜的力響應來判斷薄膜的一厚度包括：在組成薄膜的材料的力響應與薄膜厚度之查找表中，識別與力響應相關的厚度。

在本揭露的另一些實施例中，將基板上的薄膜的厚度暴露於紅外電磁輻射。在將薄膜暴露於紅外電磁輻射的同時，將原子力顯微鏡技術應用於薄膜以檢測薄膜對電磁輻射的力響應。然後使用原子力顯微鏡技術的結果判斷薄膜的厚度。在一些實施例中，使用原子力顯微鏡的力測量利用了在原子力顯微鏡中使用的一力探針的共振頻率的變化。在一些實施例中，使用原子力顯微鏡的力測量利用了在原子力顯微鏡中使用的力探針的振盪振幅的變化。在一些實施例中，使用原子力顯微鏡的力測量利用了在原子力顯微鏡中使用的力探針的偏轉的變化。在一些實施例中，紅外電磁輻射是一近紅外電磁輻射。在一些實施例中，力測量以非接觸模式實行。

在另一些實施例中，將基板上的複數個薄膜暴露於電磁光譜的紅外部分中的電磁輻射中。在照射期間，將非接觸原子力顯微鏡技術應用於基板上的薄膜，以檢測在輻射的第一波長處以及輻射的第二波長處薄膜的力響應。使用這些檢測到的力響應來評估複數個薄膜之一的厚度。在一些實施例中，使用在第一波長處的檢測到的力響應以及在第二波長處的檢測到的力響應來評估薄膜之一的厚度包括：在組成複數個薄膜之一的材料在第一波長處的力響應與在第二波長處的力響應的查找表中，識別與在第一波長處的力響應與在第二波長處的力響應的組合相關的厚度。在一些實施例中，複數個薄膜的總厚度小於40奈米。在一些實施例中，複數個薄膜之一是最上層薄膜。在一些實施例中，複數個薄膜中之一不是最上層薄膜

前面概述數個實施例之特徵，使得本技術領域中具有通常知識者可更好地理解本揭露之各方面。本技術領域中具有通常知識者應理解的是，可輕易地使用本揭露作為設計或修改其他製程以及結構的基礎，以實現在此介紹的實施例之相同目的及/或達到相同優點。本技術領域中具有通常知識者亦應理解的是，這樣的等效配置並不背離本揭露之精神以及範疇，且在不背離本揭露之精神以及範疇的情形下，可對本揭露進行各種改變、替換以及更改。

10,310,410:晶圓基板 12:第一薄膜（層） 14:第二薄膜（層）/表面層薄膜 16,322:上表面 18:可見光 20,22,24:部分 100:紅外原子力顯微鏡系統 102:計算機 104,318,418:懸臂 106,316,416:探針尖端 108:顫動壓電 110:鎖相迴路懸臂驅動器 112:偏轉感測器 114:樣本 116:訊號產生器 118:光子源/可調諧雷射 120:調頻解調器 122:低通濾波器 124:形貌伺服器 126:z壓電/z方向壓電轉換器 128:鎖相檢測器/放大器 312,314,412,414:薄膜 320,420:電磁輻射源 700,800,900:方法 702,704,706,802,804,806,808,810,902,904,906,908,910:操作

從以下的詳細描述並閱讀所附圖式以最佳理解本揭露之各方面。應注意的是，不同特徵並未一定按照比例繪製。事實上，可能任意的放大或縮小不同特徵的大小及幾何尺寸，以做清楚的說明。 第1圖是其上已經沉積了兩個薄膜並且經受光學量測製程的基板的剖面圖。 第2圖是有用於本揭露的一些實施例的紅外原子力顯微鏡系統的示意圖。 第3A圖是根據本揭露的一些實施例的基板的剖面圖，在此基板上已經沉積了兩個薄膜並且基板正經受紅外原子力顯微鏡製程。 第3B圖是根據本揭露的一些實施例的原子力顯微鏡尖端力作為第3A圖的薄膜暴露於掃描紅外輻射波長的函數的圖。 第4A圖是根據本揭露的一些實施例的基板的剖面圖，在此基板上已經沉積了兩個薄膜並且該基板正經受紅外原子力顯微鏡製程。 第4B圖是根據本揭露的一些實施例的原子力顯微鏡尖端力作為第4A圖的薄膜暴露於掃描紅外輻射波長的函數的圖。 第5圖是根據本揭露的一些實施例的由紅外原子力顯微鏡產生與測量的薄膜厚度相關的力響應的查找表的示例。 第6圖是根據本揭露的一些實施例的由紅外原子力顯微鏡產生的與測量的薄膜厚度相關的在兩個不同波長處的力響應的查找表的示例。 第7圖是根據本揭露的一些實施例的評估基板上的薄膜厚度的方法的流程圖。 第8圖是根據本揭露的一些實施例的評估基板上的薄膜的厚度的方法的流程圖。 第9圖是根據本揭露的一些實施例的評估基板上的薄膜的厚度的方法的流程圖。

無

700:方法

702,704,706:操作

Claims (1)

1. 一種用於評估基板上薄膜厚度的方法，包括： 將一薄膜暴露於一不可見電磁輻射； 檢測該薄膜對將該薄膜暴露於該不可見電磁輻射的一力響應；以及 利用來自該檢測操作的該薄膜的該力響應以判斷該薄膜的一厚度。

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