專利名稱：使用瞬態(tài)熱響應確定構(gòu)圖薄膜金屬結(jié)構(gòu)特性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定諸如薄膜結(jié)構(gòu)的樣品特性的光學計量領(lǐng)域。
微電子器件的制作通常包括利用多步薄膜淀積和構(gòu)圖(pattering)工藝形成的金屬結(jié)構(gòu)。例如，在一種工藝中，將金屬諸如銅淀積在具有介電層的晶片上，該介電層經(jīng)過蝕刻構(gòu)圖為具有一系列挖剪圖形(cutout)或溝槽(trench)。接著，通過化學-機械平面化(CMP)來平面化晶片，以除去在原始介電薄膜表面上的多余金屬。所得的結(jié)構(gòu)是一系列嵌入介質(zhì)中的分隔的窄金屬區(qū)域。這些區(qū)域通常是橢圓形或矩形的，但也可以采用任何形狀。在本文中窄限定為具有的寬度小于5微米。這樣的圖形的例子包括鑲嵌的平行金屬線陣列和鑲嵌的金屬柱的二維陣列。
工業(yè)過程監(jiān)視和控制非常需要測量這種結(jié)構(gòu)的非接觸式光學方法。工藝控制應用中最感興趣的參數(shù)包括結(jié)構(gòu)中金屬區(qū)域的尺寸。檢測在結(jié)構(gòu)頂上存在的金屬殘余同樣重要，在拋光步驟結(jié)束時可能遺留的殘余金屬會危害其電氣特性。然而，由于金屬薄膜通常是不透明的，所以金屬結(jié)構(gòu)的光學測量是一個挑戰(zhàn)性問題。
在本文中引入以供參考的現(xiàn)有技術(shù)美國專利6,256,100中所述的一種公知方法中，用一種脈沖刺激的熱散射(ISTS)表面聲波分光計來探測集成電路上的金屬陣列結(jié)構(gòu)。在這種技術(shù)中，如

圖1所示，用激光成像的短脈沖激勵樣品結(jié)構(gòu)1，以便在樣品表面上利用兩個波束3，3’的干涉形成光柵圖形2。光柵圖形2的各個明亮條紋5下面的光的吸收造成樣品的局部發(fā)熱，這致使樣品表面上急劇的周期性膨脹發(fā)射聲波。在放大部分8中可以看到聲波傳播。隨著此表面聲波(SAW)在薄膜平面內(nèi)傳播，它也調(diào)制衍射信號光束6的強度，在檢測信號中產(chǎn)生振蕩分量(以下稱為“聲學分量”)。
上述技術(shù)已用于利用SAW頻譜的分析來測量薄膜層的厚度。這種技術(shù)在下面被稱為“頻率分析”。上述美國專利6,256,100描述了應用頻率分析來測量鑲嵌在絕緣介電材料中的窄(即微米或亞微米寬度)金屬結(jié)構(gòu)形成的復合層的有效厚度。
該方法的局限在于，它測量單一參數(shù)SAW頻率，其對結(jié)構(gòu)中金屬區(qū)域的厚度和橫向尺寸敏感。另外，這種方法不區(qū)分金屬殘余的存在和結(jié)構(gòu)的厚度或橫向尺寸的變化。因而，希望使用ISTS信號中包含的附加信息來克服這些局限。
事實上，在現(xiàn)有技術(shù)中(參見Rogers等人Appl.Phys.A58，523-534(1994))公知ISTS信號包含由于與溫度分布(profile)有關(guān)的空間周期性位移和反射率變化引起的成分，稱為熱光柵。這種成分引起的信號分量(以下稱為“熱分量”)的變化比聲學振蕩引起的分量更慢。然而，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有使用熱分量來測量構(gòu)圖的金屬結(jié)構(gòu)。
因而希望提供利用檢測信號的附加特性的方法。
本發(fā)明一方面滿足利用檢測信號的附加特性的方法的需要。該方法測量包括多個窄金屬區(qū)域的結(jié)構(gòu)，各區(qū)域布置在包括第二非金屬材料的相鄰區(qū)域之間。該方法的一個步驟是利用由激勵條(excitationstripe)形成的空間周期性激勵場照射來激勵這種結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生熱光柵。其它步驟是從熱光柵衍射出探測激光束，以形成信號束；按時間的函數(shù)，檢測信號束，以產(chǎn)生信號波形；并且根據(jù)信號波形的熱分量，確定該結(jié)構(gòu)的至少一個特性。
按照一個實施例，由激勵條形成的空間周期性激勵場具有的周期范圍在1到20微米。按照另一實施例，窄金屬區(qū)域各自具有的寬度小于5微米。按照再一實施例，窄金屬區(qū)域各自具有的寬度小于1微米。
按照一個實施例，該結(jié)構(gòu)包括金屬線陣列。按照另一實施例，布置空間周期性激勵場，以使激勵條與金屬線平行。
按照再一實施例，該結(jié)構(gòu)包括金屬柱的二維陣列。
按照另一實施例，至少一種特性包括至少一個窄金屬區(qū)域的寬度。按照再一實施例，至少一種特性包括至少一個窄金屬區(qū)域的厚度。按照又一實施例，至少一種特性包括金屬殘余的厚度或存在與否。
按照一個實施例，確定步驟包括根據(jù)信號波形的衰減速率，確定該結(jié)構(gòu)的至少一種特性。
按照另一實施例，按激勵場的多個周期重復激勵和檢測步驟，并且分析多個得到的波形，以確定該結(jié)構(gòu)的至少一種特性。按照再一實施例，分析多個波形，以確定該結(jié)構(gòu)的至少兩種特性。
按照又一實施例，確定步驟包括利用一種經(jīng)驗校準來分析信號波形。按照另一實施例，確定步驟包括根據(jù)該結(jié)構(gòu)的選擇的熱和彈性特性利用一種理論模型來分析信號波形。
按照一個方面，用于測量包括多個窄金屬區(qū)域的結(jié)構(gòu)的一種方法包括若干步驟，其中各區(qū)域布置在包括第二非金屬材料的相鄰區(qū)域之間。一個步驟是通過利用由激勵條形成的空間周期性激勵場照射來激勵這種結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生熱光柵和聲波。其它步驟是從熱光柵和聲波中衍射出探測激光束，以形成信號束；作為時間的函數(shù)，檢測信號束，以產(chǎn)生信號波形；和根據(jù)信號波形的熱分量和聲學分量，確定該結(jié)構(gòu)的至少一個特性。
在一個實施例中，由激勵條形成的空間周期性激勵場具有的周期范圍從1到20微米。按照另一實施例，窄金屬區(qū)域各自具有的寬度小于5微米。
在一個實施例中，該結(jié)構(gòu)包括金屬線陣列。按照另一實施例，安排空間周期性激勵場，以使激勵條與金屬線平行。在另一實施例中，該結(jié)構(gòu)包括金屬柱的二維陣列。
在又一實施例中，至少一種特性是至少一個窄金屬區(qū)域的寬度。在另一實施例中，至少一種特性是至少一個窄金屬區(qū)域的厚度。在另一實施例中，至少一種特性是金屬殘余的厚度或存在與否。
在一個實施例中，以激勵圖形的多個周期重復激勵和檢測步驟，并且分析多個信號波形，以確定該結(jié)構(gòu)的至少一種特性。
在另一實施例中，分析信號波形，以確定該結(jié)構(gòu)的至少兩種特性。
在另一實施例中，確定步驟包括利用經(jīng)驗校準分析信號波形。在另一實施例中，確定步驟包括根據(jù)該結(jié)構(gòu)的選定的熱和彈性特性利用理論模型分析信號波形。在再一實施例中，確定步驟包括確定該結(jié)構(gòu)的至少一個窄金屬區(qū)域的厚度和寬度。
在另一實施例中，確定步驟包括確定金屬殘余的厚度或存在與否以及該陣列結(jié)構(gòu)的至少一維尺寸。本發(fā)明提供從以下的描述、附圖和權(quán)利要求書中明白的許多優(yōu)點。
參照以下附圖，可以更全面地理解本發(fā)明圖1表示按照現(xiàn)有技術(shù)方法利用脈沖刺激熱散射探測的集成電路上的金屬薄膜結(jié)構(gòu)；圖2表示利用ISTS測量線陣列結(jié)構(gòu)；圖3表示熱光柵的熱耗散；
圖4表示從單個金屬線到其周圍緊鄰的介電材料的熱流；圖5表示信號波形；圖6表示線寬與衰減速率之間的關(guān)系；圖7表示衰減速率對陣列結(jié)構(gòu)的厚度T的敏感性；圖8表示陣列頂部存在金屬殘余時的熱流；以及圖9表示在線陣列頂上有金屬殘余和沒有金屬殘余時產(chǎn)生的信號波形。
在新發(fā)明的方法中，信號波形的熱分量被用來分析結(jié)構(gòu)的特性。這種技術(shù)在下面被稱為“熱分析”。
圖2表示本發(fā)明方法在陣列結(jié)構(gòu)由寬度為W和厚度為T的多個平行金屬線構(gòu)成的情況下的應用。在這種情況下，激勵條21應該與陣列結(jié)構(gòu)24的線22，23平行布置，如圖2所示。如果激勵周期Λ與陣列間距P相比是大的，并且激勵條21與陣列結(jié)構(gòu)24的線22，23平行定向，在各個金屬線22由于熱傳導到周圍介電材料23并最終傳導到基板25而冷卻時，熱光柵的耗散出現(xiàn)，如圖3所示。激勵條21之間熱流的速率相對低，因為介電材料23的熱傳導差。因此，特征熱衰減時間要比激勵條21與金屬線22垂直定向時(在這種情況下，熱光柵會因沿著熱傳導金屬的熱傳導而衰減)所觀察到的長得多。
最初，熱流主要是從各個金屬線22流向其周圍緊鄰的介電材料23，如圖4所示。因此，在最初激勵之后的早期，熱光柵的衰減速率R與金屬線22的每單位長度的表面積和每單位長度體積之比大致成比例，即R∝2T+WWT=2W+1T]]>因此，衰減速率取決于陣列結(jié)構(gòu)24中金屬線22的厚度和寬度。
在圖5中利用代表性信號波形50，51，52來表示這種相關(guān)性。這些波形50，51，52是從嵌入二氧化硅介質(zhì)的銅線結(jié)構(gòu)中獲得的。垂直軸代表歸一化的信號，并且水平軸代表以納秒為單位的時間。這種線陣列結(jié)構(gòu)用來產(chǎn)生間距全為2微米的波形50，51，52，銅線寬度分別為0.5，1.0和1.5微米，而厚度約為0.5微米。信號是利用∧＝8.3微米的激勵周期獲得的，以維持上述Λ＞＞P的需求，并且激勵條與金屬線平行定向。圖5中，波形已被歸一化，以便在100ns時間處具有相等強度。按照公式(1)的預期，熱光柵的最初衰減速率隨著線寬度縮小而增大。為了測量波形50，51，52的熱分量衰減速率，每個波形在100ns前的時間間隔內(nèi)被擬合到平滑多項式曲線，并且計算在激勵之后最初擬合曲線的斜率。這一斜率被定義為衰減速率。圖6繪制出根據(jù)這些擬合曲線對銅線寬度(水平軸上，以微米為單位)確定的衰減速率(垂直軸上，每納秒的信號變化的百分數(shù))。圖6確認線寬與衰減速率之間的預期相關(guān)性。注意，在100ns之后的時間，所有三個結(jié)構(gòu)的衰減速率都大約相等，因為在這一時間區(qū)域內(nèi)熱耗散長度大于陣列尺寸。特性耗散長度與時間t的平方根成比例，而表面溫度因此在此后時間區(qū)域中對于所有三條曲線上應近似于 而改變。
注意，根據(jù)公式(1)，預期衰減速率對陣列結(jié)構(gòu)24的厚度T是敏感的。在圖7中表示這種相關(guān)性，圖7顯示出對具有相等線寬W＝0.25微米但改變厚度T(在水平軸上，以微米為單位)的幾種結(jié)構(gòu)測得的衰減速率(垂直軸上，以每毫微秒的信號變化的百分數(shù)的形式)。所有三種結(jié)構(gòu)的陣列間距均為0.5微米。該圖同樣顯示出衰減速率與厚度之間的預期關(guān)系。
也注意，衰減速率對厚度或線寬的相對敏感性取決于寬高比α≡TW]]>將α代入公式(1)，得到R∝(2α+1)α1W]]>因此，在α＞＞1的限制下，R與1/W成比例并且大致與T無關(guān)。這就意味著，對于其中寬度W和厚度T近似已知但二者可能會隨著工藝變化而有所改變的高寬高比的結(jié)構(gòu)，此處所述的熱分析方法可以大致確定寬度W而與厚度T無關(guān)。
大寬高比的限制對應于集成電路的制造中具有實際重要性的情況，其中集成電路技術(shù)的切割刃(cutting-edge)涉及電路上甚至更窄線的定義。當今的前沿技術(shù)可以得到寬度窄到0.1微米的金屬線，而典型的厚度是0.5微米，即寬高比約為5。寬高比預期隨著每一種后續(xù)IC技術(shù)生成而增加。而且，對于任何IC制造工藝，在最小線寬中通常具有可觀的工藝相關(guān)變化。因此，精確測量這一參數(shù)的能力是重要的。
對于高的寬高比結(jié)構(gòu)，利用公式(3)，可以將“熱分析”方法與前述的“頻率分析”方法相結(jié)合，以便在前一種情況下確定線寬W，并在后一種情況下確定截面積W×T。因此，這允許獨立確定W和T，而這只用頻率分析方法是不能實現(xiàn)的。兩種方法的組合因此體現(xiàn)本發(fā)明的一個有益實施例。
注意，公式(1)和(3)是簡化的近似表達式，并且對衰減分布進行更精細的物理分析將獲得更精確的結(jié)果。這種更加具體的分析考慮了材料的熱特性(即，熱容量，熱傳導性，密度，熱膨脹系數(shù)等等)并且牽涉描述熱流和溫度分布的微分方程式的一組解。它還確定表面皺褶(corrugation)上溫度分布的影響以及對衍射探測光束強度相對于時間所產(chǎn)生的影響。這種更加具體的分析可以包括為計算機軟件程序的一部分，以便以自動化方式分析測量結(jié)果。
與現(xiàn)有的“頻率分析”方法相比，本發(fā)明的“熱分析”方法具有若干進步，即，其擴展基于ISTS的設備的性能，以便應用于陣列結(jié)構(gòu)。
一個這樣的優(yōu)點是本發(fā)明提供了確定線陣列中金屬線寬度的能力。對于高寬高比的結(jié)構(gòu)，僅僅用有關(guān)陣列厚度的標稱信息就能確定這一寬度。
另一個優(yōu)點是提供了確定陣列結(jié)構(gòu)厚度的方法，在特定環(huán)境下優(yōu)于SAW的頻率分析方法。這些環(huán)境能包括以下情況a)底層薄膜層疊信息未足夠好地指定為使用基于頻率的分析；b)陣列結(jié)構(gòu)構(gòu)筑在特定底層薄膜層疊之上，導致對基于頻率的測量差的敏感性；c)結(jié)構(gòu)中陣列間距大約等于測量儀器的最小SAW波長；以及d)陣列結(jié)構(gòu)由格柵或網(wǎng)狀圖形構(gòu)成。
同樣，通過組合使用本發(fā)明依賴于熱測量的方法與現(xiàn)有基于頻率的方法，如上所述，將有可能確定陣列結(jié)構(gòu)中線的厚度和寬度。本發(fā)明提供了從說明書、附圖和權(quán)利要求書中可以明白的許多附加優(yōu)點。
金屬殘余檢測在另一應用中，本發(fā)明被用來測量在陣列結(jié)構(gòu)上面的金屬殘余。
例如，在線陣列的情況中，利用陣列結(jié)構(gòu)24中與線22，23平行定向的光柵激勵圖形2照射線陣列結(jié)構(gòu)24(參見圖1和2)。在這種定向中，在沒有金屬殘余時(圖4)，隨著各個金屬線22由于熱傳導到周圍介電材料23并最終傳導到基板25而冷卻，熱光柵的耗散發(fā)生。由于介質(zhì)23差的傳導性，熱流的速率相對低。圖8表示在線陣列24頂上存在金屬殘余80。金屬殘余80將大大增加從一條金屬線22到其相鄰金屬線的熱傳導速率。在這種情況下，信號衰減速率將非常高，因為隨著溫度變得橫向均勻，熱皺褶減小并且衍射光束強度降低。
因此，能夠?qū)⑿盘柕乃p速率與測量的線陣列結(jié)構(gòu)24頂上的金屬殘余80的存在相關(guān)聯(lián)。通過測量線陣列結(jié)構(gòu)24的特性衰減速率并且用一種理論或經(jīng)驗模型進行分析，能測得金屬殘余80的厚度。
圖9中的兩個波形90和91表示用于殘余檢測的性能的例子。波形是在拋光后的測試樣品的不同部分上獲得的，一個波形是在金屬被完全清除的一個區(qū)域中測得的(例如，對應于信號波形90)，而另一個是在未經(jīng)拋光的區(qū)域中測得的，剩余有大約200的銅殘余(例如，對應著信號波形91)。測量的線陣列結(jié)構(gòu)24是具有0.35微米寬銅線的陣列，有0.35微米二氧化硅空間(space)，并且用2微米熱光柵周期來測量這些結(jié)構(gòu)。殘余覆蓋的結(jié)構(gòu)清晰顯示出熱光柵的衰減在緊接在激勵激光脈沖(例如信號波形91)之后的時間期間衰減得較快。將各個波形的最初部分擬合到一條指數(shù)曲線上(具有圖中表示的擬合)，這對于樣品被清除銅的部分和殘余覆蓋部分分別產(chǎn)生0.03ns-1和0.128ns-1的特性衰減速率。
該方法還可以應用于其它陣列結(jié)構(gòu)，例如金屬柱的二維陣列。
本發(fā)明的一個有益實施例是用熱光柵周期Λ的多個值測量樣品結(jié)構(gòu)的衰減速率，并且用理論或經(jīng)驗模型來分析一組值。這通過允許在金屬殘余的影響和也能影響衰減速率的其它那些樣品變化之間加以區(qū)別而改進測量精度。采用多個光柵周期允許這種區(qū)別，這是因為樣品變化的不同類型導致對∧的不同衰減速率趨勢。
本發(fā)明的另一有益實施例是將熱分量的測量和分析與信號的聲學分量的測量和分析相結(jié)合。這樣能獲得有關(guān)樣品的附加信息并且改善殘余測量的精度，因為熱和聲學分量對不同參數(shù)的變化響應不同。
本發(fā)明提供從說明書、附圖和權(quán)利要求書中可以明白的許多優(yōu)點。
以上的表示和示例只是示例性的，而不打算限制隨后的權(quán)利要求書的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于測量包括多個窄金屬區(qū)域的結(jié)構(gòu)的方法，其中每個窄金屬區(qū)域被設置在包括第二非金屬材料的相鄰區(qū)域之間，該方法包括通過利用由激勵條形成的空間周期性激勵場照射來激勵該結(jié)構(gòu)，以生成熱光柵；從熱光柵衍射出探測激光束，以形成信號束；作為時間的函數(shù)，檢測信號束，以形成信號波形；和根據(jù)信號波形的熱分量，確定該結(jié)構(gòu)的至少一個特性。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中由激勵條形成的空間周期性激勵場具有的周期范圍從1到20微米。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其中窄金屬區(qū)域各自具有的寬度小于5微米。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其中窄金屬區(qū)域各自具有的寬度小于1微米。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其中該結(jié)構(gòu)包括金屬線陣列。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其中安排空間周期性激勵場，以使激勵條與金屬線平行。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其中該結(jié)構(gòu)包括金屬區(qū)域的二維陣列。
8.按照權(quán)利要求1的方法，其中至少一種特性包括至少一個窄金屬區(qū)域的寬度。
9.按照權(quán)利要求1的方法，其中至少一種特性包括至少一個窄金屬區(qū)域的厚度。
10.按照權(quán)利要求1的方法，其中至少一種特性包括金屬殘余的厚度或存在與否。
11.按照權(quán)利要求1的方法，其中確定步驟還包括根據(jù)信號波形的衰減速率確定該結(jié)構(gòu)的至少一種特性。
12.按照權(quán)利要求1的方法，其中以激勵場的多個周期重復激勵和檢測步驟，并且分析多個結(jié)果波形，以確定該結(jié)構(gòu)的至少一種特性。
13.按照權(quán)利要求12的方法，其中分析多個波形，以確定該結(jié)構(gòu)的至少兩種特性。
14.按照權(quán)利要求1的方法，其中確定步驟包括利用經(jīng)驗校準分析信號波形。
15.按照權(quán)利要求1的方法，其中確定步驟包括根據(jù)該結(jié)構(gòu)的選定的熱和彈性特性利用理論模型分析信號波形。
16.一種用于測量包括多個窄金屬區(qū)域的結(jié)構(gòu)的方法，每個窄金屬區(qū)域設置在包括第二非金屬材料的相鄰區(qū)域之間，該方法包括通過利用由激勵條形成的空間周期性激勵場照射來激勵該結(jié)構(gòu)，以生成熱光柵和聲波；從熱光柵和聲波衍射出探測激光束，以形成信號束；作為時間的函數(shù)，檢測信號束，以產(chǎn)生信號波形；和根據(jù)信號波形的熱分量和聲學分量，確定該結(jié)構(gòu)的至少一個特性。
17.按照權(quán)利要求16的方法，其中由激勵條形成的空間周期性激勵場具有的周期范圍從1到20微米。
18.按照權(quán)利要求16的方法，其中窄金屬區(qū)域各自具有的寬度小于5微米。
19.按照權(quán)利要求16的方法，其中該結(jié)構(gòu)包括金屬線陣列。
20.按照權(quán)利要求19的方法，其中安排空間周期性激勵場，以使激勵條與金屬線平行。
21.按照權(quán)利要求16的方法，其中該結(jié)構(gòu)包括金屬區(qū)域的二維陣列。
22.按照權(quán)利要求16的方法，其中至少一種特性包括至少一個窄金屬區(qū)域的寬度。
23.按照權(quán)利要求16的方法，其中至少一種特性包括至少一個窄金屬區(qū)域的厚度。
24.按照權(quán)利要求16的方法，其中至少一種特性包括金屬殘余的厚度或存在與否。
25.按照權(quán)利要求16的方法，其中以激勵圖形的多個周期重復激勵和檢測步驟，并且分析多個波形，以確定該結(jié)構(gòu)的至少一種特性。
26.按照權(quán)利要求16的方法，其中分析波形，以確定該結(jié)構(gòu)的至少兩種特性。
27.按照權(quán)利要求16的方法，其中確定步驟包括利用經(jīng)驗校準分析信號波形。
28.按照權(quán)利要求16的方法，其中確定步驟包括根據(jù)該結(jié)構(gòu)的選定的熱和彈性特性利用理論模型分析信號波形。
29.按照權(quán)利要求16的方法，其中確定步驟進一步包括確定該結(jié)構(gòu)的至少一個窄金屬區(qū)域的厚度和寬度。
30.按照權(quán)利要求16的方法，其中確定步驟進一步包括確定金屬殘余的厚度或存在與否以及該陣列結(jié)構(gòu)的至少一個尺寸。
全文摘要
本發(fā)明測量包括多個窄金屬區(qū)域的一種結(jié)構(gòu)，每個區(qū)域設置在包括第二非金屬材料的相鄰區(qū)域之間。該方法的一個步驟是通過利用由激勵條形成的空間周期性激勵場照射來激勵該結(jié)構(gòu)，以生成熱光柵。其它步驟是從熱光柵衍射出探測激光束，以形成信號束；作為時間的函數(shù)，檢測信號束，以產(chǎn)生信號波形；并且根據(jù)信號波形的熱分量，確定該結(jié)構(gòu)的至少一個特性。
文檔編號G01B21/08GK1726380SQ200380105855
公開日2006年1月25日 申請日期2003年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月13日
發(fā)明者M·戈斯泰恩, A·馬滋內(nèi)夫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司