TW523852B - Automated control of metal thickness during film deposition - Google Patents

Description

523852 五、發明說明（1) [發明領域] 本發明係有關於半導體裝置製造，尤指使用X射線螢 · 光法（X-ray f luorescence， XRF)偵測於薄膜沉積期間自 動地控制金屬厚度。 [發明背景] 在半導體裝置製造期間，將薄金屬層沉積係於半導體 晶圓上以形成通道（vias)、線路（line )及諸如擴散阻障層 (diffusion barriers)、黏著層或種子層(seed layer)、 初級導體層（primary conductors)、防反射光阻塗佈 (antireflection coating)及钮刻中止層（etch stops)# W 各種不同的膜層。舉例來說，亦如熟知的物理氣相沉積 (physical vapor deposition， PVD)，濺鍍沉積（sputter deposit ion)係廣泛地使用在半導體晶圓上之金屬薄膜結 構的製造上。濺鍍方法即是從固體金屬移除原子並於相近 的基板上沉積該氣相沉積用之蒸氣（resultant vapor)。 錢鍵沉積通常於熟知之如磁控管（magnetrons)等二極 體電漿糸統中執行’其中該陰極由離子轟擊丨賤鑛並發射原 子，然後其係以薄膜的形式於晶圓上沉積。根據微術 (lithography scheme)，該等薄膜係接著藉由反應離子蝕 刻（react ive i〇n etching, RIE)來蝕刻或使用化學機械 謝 研磨法（chemical-mechanical polishing, CMP)來拋光以 協助形成電路特徵。 一般使用於金屬、合金以及化合物之高速率沉積的系 統之基本型態有如熟知的磁控管陰極系統者，這種型態的

92029.ptd 第5頁 523852 五、發明說明（2) '~~'~一- 工具利用在電漿中之電子的磁性限制，而形成比無線電頻 f ( r f )或直流電（dc )二極體系統為較高的電漿密度，該較 高的電漿密度減少了放電阻抗並導致較高電流、較低電壓 之電荷。舉一粗略的例子來說，以2kW瓦操作之rf二極體 工具可具有超過2 0 0 0伏特之峰對峰電壓，以2kw瓦操作之 習用磁控管陰極系統可具有4〇〇伏特之放電電壓以及5安培 之離子電流至該陰極。 當前製造規模之磁控管系統係由不銹鋼構成，通常這 些系統係用大直徑的閥安裝直接連接至其沉積室之冷凍 泵，且通常該結果之基本壓力對大部分的陰極係在低的 1 0 T 0 r r範圍内、對鈦在1 〇 -9 T 〇 r r範圍内，使其沉積薄膜 之化學的活性本質可明顯地有助於該系統之淨抽吸速度。 在濺鏟期間之運轉壓力係通常為〇· 5至3〇in Torr，該 運轉需要許多ίο進位的每秒標準立方公分（standard cubic centimeters per minute, seem)之氣體流量，因 為基本壓力考量’在沉積期間製造水平系統不會受阻礙並 因此幾乎保持該腔室之真實基本壓力。作為大規模半導體 應用之磁控管室係建構成為如在積體製程負載鎖固工具 (integrated-process l〇a(j locked tool)上之通道，而 將晶圓經由負載鎖固引而進該沉積室。 錢鑛沉積係由濺鍍時間來管理，其速率係對照時間校 準，然後以一定的時間週期沉積薄膜。然而，由於製程差 異’在薄膜沉積期間作為特定晶圓或成品之沉積薄膜的厚 度很難加以控制。通常，在某些相同樣品的晶圓上濺鍍後 第6頁

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523852 五、發明說明（3) 即偵測金屬薄膜厚度。 然而，製造半導體裝置之機械及電的性質強烈地依賴 金屬薄膜厚度，厚度差異大大地影響該裝置之性能。因 此，希望在薄膜沉積期間可控制於每一個晶圓上之金屬薄 膜厚度。 [發明概述] 本發明提供一種在半導體裝置製造期間監視沉積至晶 圓上之金屬薄膜之參數的新方法，該方法包含在金屬薄膜 沉積期間於沉積室中之晶圓上產生引導射向金屬薄膜之X 射線束，並偵測該金屬薄膜之X射線螢光以決定該薄膜需 _ 要的參數。 比較該決定的參數與該預設值，若該決定的參數不同 於預設值，即繼續該金屬薄膜之沉積。當該決定的參數與 該預設值相同時，則可停止該金屬薄膜之沉積。 根據本發明之一態樣，係在薄膜沉積期間藉由產生並 引導至金屬薄膜之X射線束，偵測該薄膜之X射線螢光以自 動地控制沉積至晶圓上之金屬薄膜的厚度。 依據該偵測的X射線螢光決定之金屬薄膜的厚度可與 該預設值比較而若該決定的厚度小於預設值時則繼續沉 積，當該決定的厚度與達到該預設值時，則可停止沉積。 本發明之其他態樣和優點可從下列之詳細說明該熟悉 此技藝者易於明白，其中，僅就本發明之較佳實施例表示 及說明，該實施例係僅作為實現本發明所構思及之最佳模 式的說明。如可將了解的是，本發明可有其他及不同的實

92029.ptd 第7頁 523852 五、發明說明（4) 施例，且其各別的細節 脫離本發明。因此，該 用，而非作為限制。 [發明之較佳實施例] 雖然本發明具有在 製程期間控制金屬厚度 之濺鍍沉積為例揭露本 明控制金屬厚度之示範 控制放置於沉積室中之 鈦、鎢及銅等金屬之沉 根據本發明之一態 積至晶圓上之金屬薄膜 之未渡波光束以照射樣 可有不同明顯的態樣之修改，均不 圖式及說明應視為本質上示範之 諸如CVD、 PVD、PEVCD等不同沉積 之大體的適用性，以下以金屬薄膜 發明之較佳實施例，第1圖為本發 自動系統1 0的概略圖，該系統1 0可 晶圓上諸如鎳、始、铭、鈦、氮化 積。

樣，係使用X射線螢光（XRF)控制沉 厚度。該X射線螢光作用係和X射線 品為基礎，若應用充分地短波長X 輻射能（X - r a d i a t i ο η )束，可從該激發的樣品（e X c i t e d samp 1 e )觀察到X頻譜。當電子吸附將其提高至較高運行軌 道的X輻射能時產生X射線螢光，且透過一連串的步驟使已 通電的電子於是掉至較低的能量狀態，此製程導致在較低 的能量狀態之光子釋出，該螢光的X射線之造成強度係比 以電子束從直接激發所得之該X射線束之強度較小了將近 1 0 0 0倍之倍數。 該系統1 0包含X射線源1 2，該X射線源1 2發射適於該X 射線螢光偵測之X射線束，可應用X射線管體作為該X射線 源1 2。典型的X射線管體包含鄰接該X射線之重金屬頭部、 維持真空之薄鈹視窗及凹角玻璃殼層。該頭部包含鎢燈

92029.ptd 第8頁 523852 — 五、發明說明（5) 絲’該鎢燈絲由雷流於身 加熱至白熱化並以高1電：摔作來：=中電極之電子以 置在重銅塊上之金屬薄板所=來=;。該陽極由埋 ^將熱導開”匕焦點位置係由該燈絲電赢板從忒焦點位 =之來源。該X射線以透過該鈹視窗轟擊且為該X射 向所有方向發射。 ^金屬頭部浮現而 中作為在晶圓1:】係進配行置全於:近減鍍室14或於該譏鑛室14 應用於PVD沉積。配置於該賤鑛室14之之用。舉例來說’可 Πΐ擊’該氬離子從該乾材18之固體:/Λ18係由氬 该曰曰® 1 6上沉積該合量基氣。 f屬移除原子，在 材18可包含該铜墊板。包含強力材材料之外，該靶 2配置於該乾材18之後，該磁鐵提。=之磁控管陰 磁％以捕捉電子。 ’、仏過该無材表面之 藉由使用該靶材作為陰極之 :為陽極之機鍍室壁或-些其他的漿產生器以及 :3離子。在該等電極之間 3作為乾材腐 ϊϊ:『團及激發的分子，後者能自發ί的電子、 之接地狀態。這些離子、電八ι地綾和其產生光子 粒子靶材擴散至電漿外。刀子一旦產生後，該等即 安褒該X射線源！ 2以便引導哕 ，膜IX射線束導致該金“7//朝向已沉積之金 X射線勞光债測器20係配置於該 ：y線 土 A *甲或靠近於

523852 五、發明說明（6) 該濺鍍室1 4以偵測該X射線螢光，可使用準直器以截擊發 散的X射線並引導平行光束至該偵測器的視窗。若該X射線 源1 2以及該X射線螢光偵測器2 0係安裝於該濺鍍室1 4之外 側，可在該濺鍍室1 4内作X射線透明視窗以容許由該X射線 源1 2製造之X射線束通過該金屬薄膜，並容許由該金屬薄 膜發射之X射線螢光通過該X射線螢光偵測器2 0。 舉例來說，可使用固態半導體X射線螢光偵測器作為 偵測由在該晶圓上沉積的金屬薄膜所發射之X射線螢光。 該固態X射線榮光债測2 0可為由早晶碎半導體構成之裡 飄移偵測器與由鋰擴散至P型矽或鍺中形成之區域。此區 ® 域像三明治般夾在P型和N型區域之間，因為鋰的極高擴散 速率使該鋰飄移X射線螢光偵測器必須以液態氮的溫度維 持。 每次入射的X射線光子被吸收時，在該半導體產生大 量的電洞。可使用低噪音高增益（high gain)的前置擴大 機來放大由該偵測器產生的偵測信號，該熟悉此技藝者將 了解像充氣X射線螢光偵測器以及光電X射線螢光偵測器亦 可用來作為該X射線螢光偵測器2 0使用。 該金屬薄膜之X射線螢光指示包括該薄膜厚度之金屬 薄膜的不同參數，該X射線螢光偵測器2 0產生代表該金屬 薄膜之X射線螢光的輸入信號。舉例來說，可預校準該X射 線螢光偵測器2 0以產生對應於沉積特定金屬的薄膜厚度之 預設值的預定輸出值。該X射線螢光偵測器2 0之輸入信號 係向控制該金屬薄膜之濺鍍沉積的製程控制器2 2。該製程

92029.ptd 第10頁 523852 五、發明說明（7) 控制器2 2作為具有邏輯電路或其他組成之具體設計的晶片 以執行如下所述的功能。可更換地使用一般目的之信號處 理機來執行該控制器2 2並適當的程式化。 茲根據本發明於第2圖的流程圖說明控制金屬薄膜厚 度之方法。在安裝於該濺鍍室1 4中之晶圓上的金屬薄膜之 濺鍍期間（方塊3 2 )，該X射線源1 2發射引導向該金屬薄膜 之X射線束，該X射線螢光偵測器2 0由照射該X射線束之金 屬薄膜發射以偵測該X射線螢光（方塊3 4 )，對應該金屬薄 膜厚度之X射線螢光偵測器2 0的輸出信號係提供至決定該 金屬薄膜厚度之控制器2 2，並且將該偵測的厚度與預設值 相比較。 若該控制器2 2決定該金屬薄膜之厚度小於預設值時 (方塊3 6 )，則控制器2 2控制該濺鍍沉積製程以繼續金屬薄 膜沉積；當該控制器2 2決定該金屬薄膜之厚度達到該預設 值時，則其停止該沉積製程。 因此，本發明使在薄膜沉積期間於每一晶圓上金屬薄 膜厚度之自動定向控制得以沉積具有所需厚度之金屬薄 膜。 該熟悉此技藝者將了解的是本發明允許一些修改，包 含本發明的概念之精神與範圍之内的，舉例來說，如上所 討論，可以一些不同的方式執行該X射線源1 2、該X射線螢 光偵測器2 0及該製程控制器2 2，該濺鍍室1 4可為任何可用 以進行諸如CVD、 PVD、PEVCD等薄膜沉積之任何型態的腔 室或爐以提供諸如鎳、始、铭、鈦、氮化鈦、嫣及銅之金

92029.ptd 第11頁 523852 五、發明說明（8) 屬沉積。 在上述之說明中，其所顯示以及說明的僅為本發明之 較佳實施例，但須了解的是在如此所陳述的本發明的概念 之範圍内，本發明可加以改變以及修正。

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Claims (1)

1. 523852 六、申請專利範圍 1. 一種監視在晶圓上沉積金屬薄膜之參數的方法，該方 法包含之步驟為： 在金屬薄膜沉積期間於沉積室中之晶圓上產生引 導射向該金屬薄膜之X射線束；以及 偵測該金屬薄膜之X射線螢光以決定該金屬薄膜的 參數。 2. 如專利申請範圍第1項之方法，其中，偵測該金屬薄膜 之X射線螢光以控制在該晶圓上沉積該金屬薄膜之厚 度。 3. 如專利申請範圍第1項之方法，其步驟更包含比較該決 定的參數與該預設值，若該決定的參數與預設值不同 時，繼續該金屬薄膜之沉積。 4. 如專利申請範圍第3項之方法，其中，當該決定的參數 與該預設值相同時，停止該金屬薄膜之沉積。 5. 如專利申請範圍第1項之方法，其中，執行該金屬薄膜 之沉積係使用濺鍍沉積。 6. —種自動地控制在晶圓上沉積金屬薄膜之厚度的方 法，該方法包含之步驟為： 在金屬薄膜沉積期間於沉積室中之晶圓上產生引 導向該金屬薄膜之X射線束；以及 嫌· 在沉積期間偵測該金屬薄膜之X射線螢光以自動地 控制該金屬薄膜之厚度。 7. 如專利申請範圍第6項之方法，其步驟更包含依據該偵 測的X射線螢光決定該金屬薄膜之厚度。

   92029.ptd 第14頁 523852 六、申請專利範圍 8. 如專利申請範圍第7項之方法，其步驟更包含將所決定 之該金屬薄膜之厚度與該預設值相比較，而若該決定 的厚度小於預設值時，繼續該金屬薄膜之沉積。 9. 如專利申請範圍第8項之方法，其中，若該決定的厚度 達到該預設值時，則其停止該金屬薄膜之沉積。 1 0 .如專利申請範圍第6項之方法，其中，使用濺鍍沉積來 該沉積金屬薄膜。

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