專利名稱：確定層厚度的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及確定半導(dǎo)體晶片上層厚度的一種方法，更具體地說涉及確定不透明層的厚度的一種方法。本發(fā)明還涉及確定半導(dǎo)體晶片上層厚度的一種系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
有幾種半導(dǎo)體晶片加工技術(shù)，其中薄層或膜被沉積和/或去除。通過層厚度的知識(shí)這些技術(shù)可以被改進(jìn)。通常地，光學(xué)技術(shù)被用于確定層厚。但是，這些技術(shù)僅適用于測(cè)量透明層。
例如，電鍍是一種用于沉積銅膜至集成電路結(jié)構(gòu)的新興加工技術(shù)。電鍍技術(shù)目前受限于缺乏包括沉積終止的過程控制機(jī)理。該過程通常以不保證帶有精確厚度的沉積的計(jì)時(shí)處理步驟執(zhí)行。
作為另一示例，等離子蝕刻加工技術(shù)目前受限于不直接基于膜厚目標(biāo)而是基于間接方法的終點(diǎn)方案。例如，這種間接方法為光發(fā)射光譜，或基于事先運(yùn)行試驗(yàn)晶片的計(jì)時(shí)方法。此外，隨著膜厚的減小，干涉測(cè)量法可以被用作一種間接終點(diǎn)確定方法。
同樣，濕加工(wet tool)技術(shù)目前受限于不直接基于膜厚目標(biāo)的終點(diǎn)方案。同樣在這種情況下，使用基于事先運(yùn)行試驗(yàn)晶片的計(jì)時(shí)方法。
類似地，在擴(kuò)散過程技術(shù)中，使用間接方法。同樣在這種情況下，采用干涉測(cè)量法或基于事先運(yùn)行試驗(yàn)晶片的計(jì)時(shí)方法。
晶片上層厚度為目標(biāo)的其它技術(shù)是化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)。同樣在這些方法中，目前的測(cè)量技術(shù)受限于缺乏控制機(jī)理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供可靠并精確地確定半導(dǎo)體晶片上的層厚的一種新方法和一種新系統(tǒng)，試圖解決上述問題。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種確定至少一個(gè)半導(dǎo)體晶片上的至少一層的厚度的方法，該方法包括以下步驟在所述至少一層的表面上投射第一激光脈沖，從而由于對(duì)所述至少一層的表面的加熱而產(chǎn)生聲波，在聲波的傳播時(shí)間之后，在所述至少一層的表面上投射一組第二激光脈沖，測(cè)量第二激光脈沖的被反射激光脈沖，從而檢測(cè)所述至少一層的表面反射特性改變時(shí)間，和通過分析反射特性改變的時(shí)間確定所述至少一層的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種確定至少一個(gè)半導(dǎo)體晶片上的至少一層的厚度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于在所述至少一層的表面上投射第一激光脈沖，從而由于對(duì)所述至少一層的表面的加熱而產(chǎn)生聲波的裝置，用于在所述至少一層的表面上投射一組第二激光脈沖的裝置，用于測(cè)量第二激光脈沖的被反射激光脈沖，從而檢測(cè)所述至少一層的表面的反射特性改變時(shí)間的裝置，和通過分析反射特性改變的時(shí)間確定所述至少一層的厚度的裝置。


圖1表示例示本發(fā)明的帶有不同層的半導(dǎo)體晶片的兩示意截面圖；圖2為例示如本發(fā)明的一種系統(tǒng)的等離子蝕刻室的截面圖；圖3為例示如本發(fā)明的一種系統(tǒng)的濕加工槽的頂視圖；圖4為例示如本發(fā)明的另一種系統(tǒng)的濕加工槽的頂視圖；圖5為例示如本發(fā)明的另一種系統(tǒng)的濕加工配置的側(cè)視圖；圖6為例示如本發(fā)明的另一種系統(tǒng)的擴(kuò)散管的側(cè)視圖；圖7為例示如本發(fā)明的另一種系統(tǒng)的表示化學(xué)氣相沉積室或等離子蝕刻室的室的側(cè)視圖；圖8為如圖7的室的側(cè)視圖，例示如本發(fā)明的方法的處理步驟；圖9為如圖7和8的室的側(cè)視圖，例示如本發(fā)明的方法的另一處理步驟；圖10為例示如本發(fā)明的另一種系統(tǒng)的物理氣相沉積濺射室的側(cè)視圖；圖11為如圖10的物理氣相沉積濺射室的側(cè)視圖，例示如本發(fā)明的方法的處理步驟；圖12為如圖10和11的物理氣相沉積濺射室的側(cè)視圖，例示如本發(fā)明的方法的另一處理步驟；圖13為例示如本發(fā)明的另一種系統(tǒng)的處理室和傳送室的側(cè)視圖；圖14的流程圖表示如本發(fā)明的方法。
具體實(shí)施例方式
如本發(fā)明，提供一種確定至少一個(gè)半導(dǎo)體晶片12上的至少一層10的厚度的方法，該方法包括以下步驟-在至少一層10的表面16上投射第一激光脈沖14，從而由于至少一層10的表面16的加熱產(chǎn)生聲波，-在聲波的傳播時(shí)間之后，在至少一層10的表面16上投射一組第二激光脈沖18，-測(cè)量第二激光脈沖18的被反射激光脈沖20，從而檢測(cè)至少一層10的表面16上的反射特性改變時(shí)間，和-通過分析反射特性改變的時(shí)間確定至少一層10的厚度。
如本發(fā)明，還提供一種確定至少一個(gè)半導(dǎo)體晶片12上的至少一層10的厚度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-裝置22、28、30，用以在至少一層10的表面16上投射第一激光脈沖14，從而由于至少一層10的表面16的加熱產(chǎn)生聲波，-裝置24、28，用以在至少一層10的表面16上投射一組第二激光脈沖18，-裝置30，用以測(cè)量第二激光脈沖18的被反射激光脈沖20，從而檢測(cè)至少一層10的表面16上的反射特性改變時(shí)間，和
-通過分析反射特性改變的時(shí)間確定至少一層10的厚度的裝置。
聲波技術(shù)使用第一激光脈沖在晶片表面上產(chǎn)生瞬時(shí)加熱的精細(xì)斑點(diǎn)。這產(chǎn)生沿膜層傳播的局部聲波。當(dāng)?shù)竭_(dá)界面時(shí)，返回部分回波信號(hào)。一部分聲波穿過界面并且沿下面的膜層傳播。該過程繼續(xù)通過所有層。返回表面的各回波改變表面反射特性。通過第二激光脈沖測(cè)量該反射特性改變。這些探測(cè)脈沖可以通過分束器被從第一激光脈沖分出。在第二激光脈沖的檢測(cè)之后，信號(hào)的軟件分析將聲波產(chǎn)生與回波檢測(cè)之間的時(shí)間轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確的薄膜厚度值。多層薄膜疊層(stack)可以被單獨(dú)或同時(shí)測(cè)量。這種技術(shù)的重要優(yōu)點(diǎn)與測(cè)量不能被光學(xué)測(cè)量的被沉積在晶片上的不透明膜層的可能性有關(guān)。此外，激光束可以被移動(dòng)至沿晶片的多個(gè)位置以測(cè)量晶片內(nèi)均勻性。
所述技術(shù)可以被用于測(cè)量通過電鍍沉積的薄膜的厚度。有可能測(cè)量包括例如銅的電鍍材料的溶液內(nèi)的膜厚。例如，通過浸入一種溶液并應(yīng)用電流獨(dú)立地沉積各晶體，執(zhí)行這種電鍍。當(dāng)晶片被從溶液去除時(shí)可以實(shí)施測(cè)量技術(shù)?；跍y(cè)量結(jié)果，可以執(zhí)行附加沉積。如本發(fā)明的系統(tǒng)可以被用作終點(diǎn)系統(tǒng)，如果它被在沉積溶液中直接采用。在這種情況下，測(cè)量技術(shù)可以被使用具有無晶片的相同溶液的分離槽參考，以減去液體對(duì)測(cè)量結(jié)果的貢獻(xiàn)。這種基準(zhǔn)槽也可以被用于確定溶液的性質(zhì)。這可以通過采用不被用于處理的基準(zhǔn)槽被獲得。
圖1表示例示本發(fā)明的帶有不同層的半導(dǎo)體晶片的兩示意截面圖。圖2為例示如本發(fā)明的一種系統(tǒng)的等離子蝕刻室的截面圖。
在圖1的上部分半導(dǎo)體晶片12被在等離子蝕刻過程中第一次表示。在圖1的下部分半導(dǎo)體晶片12被第一次之后第二次表示。半導(dǎo)體12具有通過等離子蝕刻被去除的層10。在層10上提供另一結(jié)構(gòu)56。在該結(jié)構(gòu)56的下面保持層10。在層10的表面16上投射第一激光脈沖14。因此，由于表面16的加熱產(chǎn)生一種聲學(xué)晶片。第二激光脈沖18被投射在表面16上，并且它被反射。被反射激光脈沖20可以被檢測(cè)。由于表面16的反射特性變化取決于層10的厚度，因此通過測(cè)量反射特性的變化可以檢測(cè)層10的厚度。
在圖2中提供一種等離子蝕刻處理室32，它帶有第一激光脈沖的窗口36、入射第二激光脈沖的窗口38和被反射第二激光脈沖20的窗口40。在等離子蝕刻處理室中建立等離子體34。由于該結(jié)構(gòu)，層10的厚度的原位測(cè)量可能。
所述等離子蝕刻室測(cè)量方法被設(shè)計(jì)為工作于帶有和沒有形貌學(xué)的區(qū)域。該方法消除對(duì)測(cè)驗(yàn)晶片的需要和與未圖案化晶片相對(duì)于有形貌和特征的晶片的目標(biāo)沉積時(shí)間相關(guān)的錯(cuò)誤。另一可實(shí)現(xiàn)的測(cè)量特征是室中側(cè)壁沉積的分布(profiling)。此外，去除一定部分的膜層同時(shí)停止在相同層的方法，例如凹進(jìn)刻蝕，可以從如本發(fā)明的方法和系統(tǒng)中受益。
聲波計(jì)量學(xué)允許不同不透明膜的測(cè)量，例如金屬、單獨(dú)的氧化物或介電薄膜、和由氧化物和金屬構(gòu)成的膜疊層。使用圖案識(shí)別系統(tǒng)或掃描區(qū)域可以準(zhǔn)確選擇樣本區(qū)域。也可以在等離子蝕刻處理過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光致抗蝕劑選擇性。過程可以被修改以響應(yīng)測(cè)量結(jié)果，例如觸發(fā)用以終點(diǎn)的過刻蝕步驟，或者降低參數(shù)以使刻蝕變慢獲得精確的去除目標(biāo)。
圖3為濕加工槽42的頂視圖，表示如本發(fā)明的系統(tǒng)。在濕加工槽42中多個(gè)晶片12被布置。僅有這些晶片12的其中之一被通過如本發(fā)明的系統(tǒng)和方法監(jiān)測(cè)。通過窗口36第一激光脈沖14被投射在第一晶片12上。通過另一窗口38一組第二激光脈沖18被投射。這兩激光脈沖可以從不同激光器22、24被投射。替換地，激光脈沖14、18可以被由相同激光器產(chǎn)生并通過分束器分離。被反射激光脈沖20通過第三窗口40或觀察口傳播，并且它被檢測(cè)器26檢測(cè)。
圖4為濕加工槽42的頂視圖，表示如本發(fā)明的另一系統(tǒng)。在這種結(jié)構(gòu)中同樣多個(gè)晶片12被布置在濕加工槽42中。但是，可以監(jiān)測(cè)一個(gè)以上的晶片12。為了獲得此目標(biāo)，石英容器(boat)44和鏡46被用于傳送激光束14、18、20。功能塊30可以作為激光器操作，因此第一激光脈沖可以被從兩側(cè)投射在晶片12上。在第二激光脈沖18的傳送過程中，功能塊30作為檢測(cè)器操作以測(cè)量被反射第二激光脈沖20。
圖5為例示如本發(fā)明的另一種系統(tǒng)的濕加工配置的側(cè)視圖。包含晶片12的容器50被從濕加工槽42去除以執(zhí)行如本發(fā)明的方法。提供可以被在晶片12上方移動(dòng)的測(cè)量系統(tǒng)48。所有晶片位置可以被測(cè)量。同樣可能從兩側(cè)將第一激光束14投射在晶片上。第二激光脈沖18被從激光源28投射，并且被反射脈沖20被檢測(cè)器30檢測(cè)。此外，提供N2源以干燥測(cè)量區(qū)域。
參照?qǐng)D3至5所述的濕加工配置最好使用主要由酸構(gòu)成的濕溶液。如本發(fā)明的系統(tǒng)和方法在從晶片表面去除大量材料層的溶液中適用。通過使用去離子(DI)水的單獨(dú)槽以減去液體對(duì)測(cè)量的貢獻(xiàn)，有可能提供一種基準(zhǔn)。此外，可以參考不含晶片的DI水槽測(cè)量液體性質(zhì)，例如密度。這可以參考不含晶片且不被用于加工的酸或蝕刻劑溶液槽完成，信號(hào)信息被存儲(chǔ)在處理器中作為基準(zhǔn)。液體性質(zhì)的測(cè)量可以被用于確定合成物，例如蝕刻劑或酸的濃度。
圖6為例示如本發(fā)明的另一種系統(tǒng)的擴(kuò)散管54的側(cè)視圖。在石英擴(kuò)散管54中多個(gè)晶片被布置。激光束被通過石英容器44并通過鏡46傳送，與如圖4的實(shí)施方式類似。同樣，激光束28、30和檢測(cè)器30的布置類似于如圖4的實(shí)施方式的布置。
同樣在擴(kuò)散方法技術(shù)的情況下，如本發(fā)明的系統(tǒng)和方法工作于帶有和沒有形貌學(xué)的區(qū)域。本發(fā)明可以被應(yīng)用于所有薄膜沉積擴(kuò)散方法上。除厚度之外的附加信息可以為薄膜或膜疊層的單層的成分和密度。如本發(fā)明的方法消除對(duì)測(cè)驗(yàn)晶片的需要和與未圖案化晶片相對(duì)于產(chǎn)品、即有形貌和特征的晶片的目標(biāo)沉積時(shí)間相關(guān)的錯(cuò)誤。如本發(fā)明的方法可以從擴(kuò)散管的內(nèi)部或外部，或者在被屏蔽裝置中的管內(nèi)被執(zhí)行?？梢詼y(cè)量疊層晶片的邊緣。該系統(tǒng)可以通過系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)被傾斜(angled)或掃描以執(zhí)行所需的逐區(qū)、或者如果需要最終所有晶片的測(cè)量。也可能從管外部執(zhí)行修正以通過使用基準(zhǔn)信號(hào)方法減去擴(kuò)散管的影響。對(duì)于快速熱過程(RTP)而言燈可以被關(guān)閉用以測(cè)量，在過程被確定之前。在處理完成之前可以執(zhí)行附加沉積。
圖7為例示如本發(fā)明的另一種系統(tǒng)的代表化學(xué)氣相沉積室或等離子蝕刻室的室58的側(cè)視圖。在室58內(nèi)反應(yīng)氣60被從噴頭64提供。在氣體混合區(qū)66中所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物被沉積在位于基座62上的晶片12上。氣體混合可以為等離子體輔助的。除常規(guī)室之外，提供窗口38、40，窗口的功能在下文被進(jìn)一步說明。
圖8為如圖7的室58的側(cè)視圖，例示如本發(fā)明的方法的處理步驟。來自激光源22的第一激光脈沖14通過噴頭64中的端口(未顯示)到達(dá)晶片12，從而產(chǎn)生如本發(fā)明的聲波。
圖9為如圖7和8的室58的側(cè)視圖，例示如本發(fā)明的方法的另一處理步驟。來自激光源24的一組第二激光脈沖18通過室58的窗口38被投射在晶片12上。通過測(cè)量通過室58的窗口40到達(dá)檢測(cè)器26的被反射激光脈沖20，檢測(cè)晶片表面的反射特性改變時(shí)間。因此，可以確定晶片表面上的至少一層的厚度和/或物理和化學(xué)性質(zhì)。
圖10為例示如本發(fā)明的另一種系統(tǒng)的物理氣相沉積(PVD)濺射室68的側(cè)視圖。在PVD濺射室68內(nèi)提供等離子體34。來自等離子體34的離子70沖擊待沉積的金屬并且被濺射金屬72被沉積在晶片72上。除常規(guī)PVD濺射室之外，提供窗口38、40，窗口的功能在下文被進(jìn)一步說明。
圖11為如圖10的物理氣相沉積濺射室68的側(cè)視圖，例示如本發(fā)明的方法的處理步驟。來自激光源22的第一激光脈沖14被分束器74分離，分別被鏡76和鏡78反射，并且它分別通過窗口38和窗口40到達(dá)晶片12，從而產(chǎn)生如本發(fā)明的聲波。
圖12為如圖10和11的物理氣相沉積濺射室68的側(cè)視圖，例示如本發(fā)明的方法的另一處理步驟。該處理步驟類似于參照?qǐng)D9所述的處理步驟。
圖13為例示如本發(fā)明的另一種系統(tǒng)的處理室56、68和傳送室80的側(cè)視圖。例如，處理室58、68可以為CVD、等離子蝕刻、PVD、或RTP室。晶片12已經(jīng)通過機(jī)械處理系統(tǒng)84被從處理室58、68提取。因此，如本發(fā)明的測(cè)量方法可以在處理室58、68的外部被執(zhí)行。來自激光源22的第一激光脈沖14和來自激光源24的一組第二激光脈沖24、26被通過相同的窗口82或觀察口投射。同樣被反射激光束20通過相同的窗口82到達(dá)檢測(cè)器26。在本發(fā)明的領(lǐng)域內(nèi)還有另一實(shí)施方式，其中傳送室包含一個(gè)以上的各激光束的窗口。
有幾個(gè)與如圖13的外部測(cè)量系統(tǒng)和方法相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。許多系統(tǒng)已經(jīng)在傳送室80上具有觀察口。例如，有可能使用多個(gè)處理室58、68的這些觀察口位置的其中之一。此外，沒有由于測(cè)量設(shè)備和過程的干涉產(chǎn)生復(fù)雜化。并且，晶片12可以被保持在真空中，因此有可能再處理。此外，同時(shí)使用機(jī)械處理系統(tǒng)84的自動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，可以測(cè)量沿晶片的均勻性。
圖14的流程圖表示如本發(fā)明的方法。在第一步驟S01第一激光脈沖被投射在半導(dǎo)體晶片上的層的表面上。因此，表面被局部加熱并且產(chǎn)生聲波。聲波沿層傳播并在鄰近層的界面處被部分反射。上層表面處的返回的回波改變晶片的反射特性。為了檢測(cè)反射特性，在步驟S02第二激光脈沖被投射在半導(dǎo)體晶片表面上。在步驟S03通過測(cè)量被反射第二激光脈沖檢測(cè)反射特性改變。在步驟S04通過分析反射特性改變時(shí)間確定層的厚度。
盡管已經(jīng)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)、設(shè)備和方法說明本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將基于本文的說明理解本發(fā)明不僅限于這些實(shí)施例并且本發(fā)明的完全領(lǐng)域通過以下的權(quán)利要求被適當(dāng)確定。
權(quán)利要求
1.一種確定至少一個(gè)半導(dǎo)體晶片上的至少一層的厚度的方法，該方法包括以下步驟在所述至少一層的表面上投射第一激光脈沖，從而由于對(duì)所述至少一層的表面的加熱而產(chǎn)生聲波，在聲波的傳播時(shí)間之后，在所述至少一層的表面上投射一組第二激光脈沖，測(cè)量第二激光脈沖的被反射激光脈沖，從而檢測(cè)所述至少一層的表面反射特性改變時(shí)間，和通過分析反射特性改變的時(shí)間確定所述至少一層的厚度。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中第一激光脈沖由第一激光源產(chǎn)生，以及一組第二激光脈沖由第二激光源產(chǎn)生。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中第一激光脈沖和一組第二激光脈沖由相同的激光源產(chǎn)生。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中第一激光脈沖和一組第二激光脈沖在激光源與所述至少一個(gè)半導(dǎo)體晶片之間的不同光路上傳播。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中第一激光脈沖和一組第二激光脈沖在激光源與所述至少一個(gè)半導(dǎo)體晶片之間的實(shí)質(zhì)上相同的光路上傳播。
6.一種確定至少一個(gè)半導(dǎo)體晶片上的至少一層的厚度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于在所述至少一層的表面上投射第一激光脈沖，從而由于對(duì)所述至少一層的表面的加熱而產(chǎn)生聲波的裝置，用于在所述至少一層的表面上投射一組第二激光脈沖的裝置，用于測(cè)量第二激光脈沖的被反射激光脈沖，從而檢測(cè)所述至少一層的表面的反射特性改變時(shí)間的裝置，和通過分析反射特性改變的時(shí)間確定所述至少一層的厚度的裝置。
7.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，還包括用于產(chǎn)生第一激光脈沖的第一激光源，以及用于產(chǎn)生一組第二激光脈沖的第二激光源。
8.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，還包括用于產(chǎn)生第一激光脈沖和一組第二激光脈沖的一個(gè)激光源。
9.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中第一激光脈沖和一組第二激光脈沖在激光源與至少一個(gè)半導(dǎo)體晶片之間的不同光路上傳播。
10.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中第一激光脈沖和一組第二激光脈沖在激光源與至少一個(gè)半導(dǎo)體晶片之間的實(shí)質(zhì)上相同的光路上傳播。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種確定至少一個(gè)半導(dǎo)體晶片(12)上的至少一層的厚度的方法，該方法包括以下步驟在至少一層(10)的表面(16)上投射第一激光脈沖(14)，從而由于對(duì)至少一層(10)的表面的加熱而產(chǎn)生聲波；在聲波的傳播時(shí)間之后，在至少一層(10)的表面(16)上投射一組第二激光脈沖(18)；測(cè)量第二激光脈沖(18)的被反射激光脈沖(20)，從而檢測(cè)至少一層(10)的表面(16)的反射特性改變時(shí)間；和通過分析反射特性改變的時(shí)間確定至少一層(10)的厚度。本發(fā)明還涉及一種確定半導(dǎo)體晶片(12)上層(10)的厚度的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01B11/06GK1759297SQ02823481
公開日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2002年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月26日
發(fā)明者拉里·弗利薩, 卡爾·莫茲 申請(qǐng)人:自由度半導(dǎo)體公司