[发明专利]一种嵌入式金属膜膜厚测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路制造量测技术领域，更具体地说，涉及一种嵌入式金属膜厚测量装置和测量方法。

背景技术

随着半导体集成电路制造工艺的不断进步，当半导体器件尺寸缩小至深亚微米时，金属互连中的电阻(R)和电容(C)易产生寄生效应，导致金属互连线传递的时间延迟(RC time delay)。

在超大规模集成电路集成工艺中，为克服金属互连中电阻(R)和电容(C)的寄生效应，互连线材料的选择从采用铝金属已经向采用铜金属材料方向转移。然而，铝工艺和铜工艺由于材料选择之间的差异，即铝工艺中的非破坏性测量金属膜是通过测量二氧化硅介质层厚度来确定铝线金属膜的厚度，而铜工艺中，需直接测量铜线金属膜厚度，这为非破坏性测量金属膜领域带来了新的挑战。

目前，后段工艺（Back-end-of-line,简称BEOL）的铜互连通常采用铜大马士革技术。一般来说，铜大马士革技术通过制作基底，并于基底中形成凹槽（金属线槽），再通过淀积，电镀等方式于线槽及基底上覆盖阻挡层和铜层，最后，通过化学机械抛光工艺（Chemical Mechanical Polishing，简称CMP）去除多余的铜层，保留在线槽内的铜层即获得所期望的铜互连线。

目前，测量铜互连线层金属膜厚度的传统方法是四点探针法。请参阅图1，图1为现有技术中测量测样本为已经制备好的铜互连线和铜互连线节点（PAD）的测量结构示意图。如左图所示，通过排列在一条直线上的四个外部探针压入到金属膜中，电流从一个外部探针进入，并通过相对的外部探针返回。量测出中间的两个探针之间的电压并根据电阻率换算计算出金属膜的厚度。如右图所示，通过排列在一节点四角上的四个外部探针压入到金属膜中，电流从一个外部探针进入，并通过相对的外部探针返回。量测出中间的两个探针之间的电压并根据电阻率换算计算出金属膜的厚度。上述测量为接触式测量方法，该方法无可避免会对金属膜产生刮痕，并导致少量颗粒的形成。

因此，如何在嵌入式金属的大马士革结构中精确测量出金属的厚度，避免表面损伤，是目前业界需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种嵌入式金属膜厚测量装置及其方法，其基于光学反射原理和数学计算技术，即非接触式测量技术，实现无创伤精确测量嵌入式金属膜的膜厚。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种嵌入式金属膜厚测量装置，用于测量嵌设在半导体衬底样品第一介质层中的金属膜线或金属膜节点的厚度，其中，所述第一介质层下面具有第二介质层，其包括样品承载移动平台、入射臂、具有光电探测器的第一出射臂和光束处理组件；样品承载移动平台沿着X或Y方向携带样品进行平行移动；入射臂设置于所述样品承载移动平台上方，用于向需检测样品中的金属膜或金属膜节点侧墙发出光源；其中,光源发出与第一介质层表面呈一锐角的入射光；第一出射臂用于接收平行于入射光的折射光；光束处理组件用于接收并处理所述第一出射臂发送的折射光信息，获得到达第一临界状态时间T1和到达第二临界状态时间T2，并根据入射光角度、T1、T2、第一介质层材料的折射率和移动平台的速度得到金属膜或金属膜节点的厚度，其中，第一临界状态时间T1为第一出射臂检测到折射光的时间，第二临界状态时间T2为第一出射臂检测到折射光消失的时间。

优选地，所述样品承载移动平台包括移动螺杆、电机和真空吸附装置。

优选地，所述侧墙的平面与样品承载移动平台的移动方向相垂直。

优选地，所述金属膜线或金属膜节点材料的透光性大于50%。

优选地，所述金属膜线或金属膜节点材料为铜、铝或钨。

优选地，所述光源为UV氙灯或卤素光源。

优选地，所述第一介质层材料的透光性大于50%。

优选地，所述入射角为20度到70度范围中选取。

优选地，所述样品承载移动平台的移动速度选自1nm/step到3nm/step之间的一个值。

为实现上述目的，本发明还提供一种嵌入式金属膜厚测量方法，包括如下步骤：

步骤S11：将嵌设有金属膜线或金属膜节点的样品装载在所述样品承载移动平台上；

步骤S12：设置于所述样品承载移动平台斜前上方的入射臂向需检测样品中的金属膜或金属膜节点侧墙发出光源；其中,光源发出与第一介质层表面呈一锐角的入射光；

步骤S13：向靠近入射臂设置方向移动所述样品承载移动平台；当第一出射臂检测到光束时，计时T1，表明样品移动到临界位置A；