金屬膜膜厚量測系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)進行膜厚量測的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種金屬膜膜厚量測系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)進行膜厚量測的方法，該方法需要特定的金屬膜膜厚的量測系統(tǒng)完成的，即將金屬膜的厚度通過附加電極板和電源形成電路的方式，形成電容式模型電路等效結構，最終將反映到電容式模型電路等效結構中等效電容電壓的變化，使得通過檢測等效電容電壓的變化來對金屬膜厚度的量測成為可能。首先需要對整個膜厚測試系統(tǒng)進行標定,建立不同膜厚和電壓的關系，然后再進行未知厚度的金屬薄膜進行測量；即其通過采用已知的不同厚度的某金屬薄膜樣品進行標定，得到該類金屬薄膜與電壓的關系對照表，進而就能夠對該類未知厚度的金屬薄膜進行測量。本發(fā)明實現(xiàn)了另一種全新的量測手段，技術實現(xiàn)簡單，量測精度高。
【專利說明】金屬膜膜厚量測系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)進行膜厚量測的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體集成電路制造設備【技術領域】，更具體地說，涉及在半導體金屬 線的形成工藝中的一種金屬膜膜厚量測系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)進行膜厚量測的方法。
【背景技術】
[0002] 在半導體集成電路制造的工藝過程中，通常會使用到金屬膜生長工藝，以在硅片 或襯底的上方形成導電的金屬互聯(lián)線。金屬互聯(lián)線的形成工藝一般包括金屬膜生長工藝和 金屬膜的去除工藝。例如，鶴金屬W的化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition,簡稱 CVD)填充、錯金屬Al的CVD覆蓋、銅金屬Cu的電鍍（Electrofill Copper Plating,簡稱 ECP)填充以及上述金屬的CMP去除等。在金屬互聯(lián)線的形成工藝過程中金屬膜的厚度的量 測就變得十分重要。
[0003] 目前，業(yè)界在金屬膜膜厚量測的方式分為接觸式的四點探針接觸式金屬膜膜厚量 測方式、電渦流非接觸式金屬膜膜厚量測方式和聲波式金屬膜厚量測方式。
[0004] 請參閱圖1，圖1為現(xiàn)有技術中一種接觸式的四點探針接觸式金屬膜膜厚量測模 式的架構圖。如圖所示，該方法通過采用4個探針的頭扎在金屬膜上形成電流回路，即回路 中的電流通過探針1經過金屬膜和探針2形成回路，余下兩個探針（探針3和4)用于測量 電壓，通過測量到的電壓值計算金屬膜的電阻，進而換算成金屬膜的厚度。該方法的缺點是 探針的頭須與金屬膜接觸，造成金屬膜表面刮傷；此方法在制造工廠里常用于作為設備狀 態(tài)模擬用的非產品無圖形金屬膜硅片上。
[0005] 請參閱圖2,圖2為現(xiàn)有技術中電渦流非接觸式金屬膜膜厚量測模式的架構圖。如 圖所示，兩個分別獨立的線圈繞在一軸上并靠近金屬膜表面，將恒定電壓1加在線圈1上產 生電流1，電流1通過線圈1產生電磁場1，該電磁場1靠近金屬膜表面時會在金屬膜上產 生電渦流，該電渦流會產生一個與電磁場1相反方向的抵抗電磁場2,需要說明的是，該抵 抗電磁場2和金屬膜的種類、厚度和密度等相關。兩個電磁場大小之差是在線圈2上產生 一個電流2,電流2通過線圈2產生了電壓2,然后，通過檢測線圈2上的電壓就可以表征出 金屬膜的厚度。該方法雖然不接觸到金屬膜表面，但當金屬膜薄到一定的程度時，其量測的 結果數(shù)值并不一定準確。
[0006] 請參閱圖3,圖3為現(xiàn)有技術中一種是聲波式金屬膜厚量測模式的架構圖。如圖所 示，該方法通過超快雷射在金屬膜表面產生聲波，該聲波往下傳送到達金屬膜底層界面產 生聲波回聲并傳遞回金屬膜表面，然后，通過偵測器來收集聲波回聲。也就是說，聲波產生 到聲波回聲收集的時間差就與金屬膜的厚度成一定的比例關系。該方法在業(yè)界中已成熟使 用，但具有很強的技術壁壘，并且，對測量儀器要求較高。
[0007] 因此，如何能如何精準量測金屬膜的膜厚，是目前業(yè)界急需解決的難題。
【發(fā)明內容】
[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種金屬膜膜厚的量測系統(tǒng)和方法，其通過采用已知的不 同厚度的某金屬薄膜樣品進行標定，得到該類金屬薄膜與電壓的關系對照表，進而就能夠 對該類未知厚度的金屬薄膜進行測量。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：
[0010] 一種用于金屬膜膜厚量測的系統(tǒng)，其包括接口單元和測試電路盒；接口單元包括 在測試時處于被測金屬膜樣本上下位置的金屬結構第一電極板和第二電極板，以及位于所 述第一電極板與被測金屬膜樣本間和所述第二電極板與被測金屬膜樣本間的中間填充材 料；其中，所述被測金屬膜樣本和上下第一電極板和第二電極板形成電容式模型電路等效 結構，所述電容式模型電路等效結構包括第一電容、第二電容和金屬膜電阻，所述第一電容 和第二電容串聯(lián)形成等效電容；測試電路盒通過所述第一電極板和第二電極板與所述接口 單元相連接的，其包括串連在一起的交流電源、可調電阻、交流電流信號采集電路和電路開 關；所述交流電流信號采集電路采集所述等效電容上的電壓值，以得到金屬薄膜厚度同所 述電壓最大值的線性關系。
[0011] 優(yōu)選地，所述交流電流信號采集電路為交流電流信號積分采樣電路，所述第一電 極板和第二電極板為鋁、鎢、銅或鉭金屬箔。
[0012] 優(yōu)選地，所述中間填充材料為液態(tài)電解液。
[0013] 優(yōu)選地，所述液態(tài)電解液的成分包括乙二醇、甘油、硼酸和氨水。
[0014] 優(yōu)選地，所述金屬膜電阻值大于所述可調電阻值。
[0015] 優(yōu)選地，所述金屬膜電阻值大于所述可調電阻值的100倍。
[0016] 優(yōu)選地，所述交流電源的電壓值為12V或者36V。
[0017] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的又一種技術方案如下：
[0018] 一種金屬膜膜厚量測的方法，包括：
[0019] 步驟Sl :得到金屬薄膜厚度同所述等效電容上的電壓最大值的線性關系模型；所 述步驟Sl具體包括如下步驟：
[0020] 步驟Sll :預估所述被測金屬膜樣本厚度，選擇所述被測金屬膜樣本厚度上下限 的第一銅金屬膜樣品A和第二銅金屬膜樣品B ;
[0021] 步驟S12 :接通所述電路盒中的電路開關；
[0022] 步驟S13 :將銅金屬膜樣品A放入充滿所述中間填充材料的所述第一電極板和第 二電極板之間，測試出所述等效電容上的電壓最大值Ua;
[0023] 步驟S14 :將銅金屬膜樣品B放入充滿所述中間填充材料的所述第一電極板和第 二電極板之間，測試出所述等效電容上的電壓最大值Ub ;
[0024] 步驟S15 :根據(jù)所述等效電容上的電壓最大值Ua和Ub，以及銅金屬膜樣品A和B 的膜厚，求出常數(shù)K值，建立銅金屬膜關系公式
[0025]
【權利要求】
1. 一種用于金屬膜膜厚量測的系統(tǒng)，其特征在于，其包括： 接口單元，包括在測試時處于被測金屬膜樣本上下位置的金屬結構第一電極板和第二 電極板，以及位于所述第一電極板與被測金屬膜樣本間和所述第二電極板與被測金屬膜樣 本間的中間填充材料；其中，所述被測金屬膜樣本和上下第一電極板和第二電極板形成電 容式模型電路等效結構，所述電容式模型電路等效結構包括第一電容、第二電容和金屬膜 電阻，所述第一電容和第二電容串聯(lián)形成等效電容； 測試電路盒，其通過所述第一電極板和第二電極板與所述接口單元相連接的，其包括 串連在一起的交流電源、可調電阻、交流電流信號采集電路和電路開關；所述交流電流信號 采集電路采集所述等效電容上的電壓值，以得到金屬薄膜厚度同所述電壓最大值的線性關 系。
2. 根據(jù)權利要求1所述的金屬膜膜厚量測的系統(tǒng)，其特征在于，所述交流電流信號采 集電路為交流電流信號積分采樣電路，所述第一電極板和第二電極板為鋁、鎢、銅或鉭金屬 箔。
3. 根據(jù)權利要求1所述的金屬膜膜厚量測的系統(tǒng)，其特征在于，所述中間填充材料為 液態(tài)電解液。
4. 根據(jù)權利要求3所述的金屬膜膜厚量測的系統(tǒng)，其特征在于，所述液態(tài)電解液的成 分包括乙二醇、甘油、硼酸和氨水。
5. 根據(jù)權利要求1所述的金屬膜膜厚量測的系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬膜電阻值大 于所述可調電阻值。
6. 根據(jù)權利要求5所述的金屬膜膜厚量測的系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬膜電阻值大 于所述可調電阻值的100倍。
7. 根據(jù)權利要求1所述的金屬膜膜厚量測的系統(tǒng)，其特征在于，所述交流電源的電壓 值為12V或者36V。
8. -種采用權利要求1-7任意一個所述系統(tǒng)進行金屬膜膜厚量測的方法，其特征在 于，包括： 步驟Sl :得到金屬薄膜厚度同所述等效電容上的電壓最大值的線性關系模型；所述步 驟Sl具體包括如下步驟： 步驟Sll :預估所述被測金屬膜樣本厚度，選擇所述被測金屬膜樣本厚度上下限的第 一銅金屬膜樣品A和第二銅金屬膜樣品B ; 步驟S12 :接通所述電路盒中的電路開關； 步驟S13 :將銅金屬膜樣品A放入充滿所述中間填充材料的所述第一電極板和第二電 極板之間，測試出所述等效電容上的電壓最大值Ua ; 步驟S14 :將銅金屬膜樣品B放入充滿所述中間填充材料的所述第一電極板和第二電 極板之間，測試出所述等效電容上的電壓最大值Ub ; 步驟S15 :根據(jù)所述等效電容上的電壓最大值Ua和Ub，以及銅金屬膜樣品A和B的膜 厚，求出常數(shù)K值，建立金屬膜同等效電容C上的電壓最大值關系公式如下：
步驟S2 :將所述被測金屬膜樣本放入充滿所述中間填充材料的所述第一電極板和第 二電極板之間，測試出所述等效電容上的電壓最大值，代入金屬膜與等效電容C上的電壓 最大值關系公式，得到所述被測金屬膜樣本的膜厚值。
9. 根據(jù)權利要求8所述的金屬膜膜厚量測的方法，其特征在于，所述第一銅金屬膜樣 品A和第二銅金屬膜樣品B的膜厚分別為500nm和lOOOnm。
10. 根據(jù)權利要求8所述的金屬膜膜厚量測的方法，其特征在于，所述被測金屬膜樣本 與所述第一電極板和第二電極板的距離相等。
【文檔編號】G01B7/06GK104390580SQ201410729392
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月4日 優(yōu)先權日:2014年12月4日
【發(fā)明者】黃仁東 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司, 上海華虹（集團）有限公司