专利名称：使用瞬态热响应确定构图薄膜金属结构特性的方法
技术领域：
本发明涉及确定诸如薄膜结构的样品特性的光学计量领域。
微电子器件的制作通常包括利用多步薄膜淀积和构图(pattering)工艺形成的金属结构。例如，在一种工艺中，将金属诸如铜淀积在具有介电层的晶片上，该介电层经过蚀刻构图为具有一系列挖剪图形(cutout)或沟槽(trench)。接着，通过化学-机械平面化(CMP)来平面化晶片，以除去在原始介电薄膜表面上的多余金属。所得的结构是一系列嵌入介质中的分隔的窄金属区域。这些区域通常是椭圆形或矩形的，但也可以采用任何形状。在本文中窄限定为具有的宽度小于5微米。这样的图形的例子包括镶嵌的平行金属线阵列和镶嵌的金属柱的二维阵列。
工业过程监视和控制非常需要测量这种结构的非接触式光学方法。工艺控制应用中最感兴趣的参数包括结构中金属区域的尺寸。检测在结构顶上存在的金属残余同样重要，在抛光步骤结束时可能遗留的残余金属会危害其电气特性。然而，由于金属薄膜通常是不透明的，所以金属结构的光学测量是一个挑战性问题。
在本文中引入以供参考的现有技术美国专利6,256,100中所述的一种公知方法中，用一种脉冲刺激的热散射(ISTS)表面声波分光计来探测集成电路上的金属阵列结构。在这种技术中，如
图1所示，用激光成像的短脉冲激励样品结构1，以便在样品表面上利用两个波束3，3’的干涉形成光栅图形2。光栅图形2的各个明亮条纹5下面的光的吸收造成样品的局部发热，这致使样品表面上急剧的周期性膨胀发射声波。在放大部分8中可以看到声波传播。随着此表面声波(SAW)在薄膜平面内传播，它也调制衍射信号光束6的强度，在检测信号中产生振荡分量(以下称为“声学分量”)。
上述技术已用于利用SAW频谱的分析来测量薄膜层的厚度。这种技术在下面被称为“频率分析”。上述美国专利6,256,100描述了应用频率分析来测量镶嵌在绝缘介电材料中的窄(即微米或亚微米宽度)金属结构形成的复合层的有效厚度。
该方法的局限在于，它测量单一参数SAW频率，其对结构中金属区域的厚度和横向尺寸敏感。另外，这种方法不区分金属残余的存在和结构的厚度或横向尺寸的变化。因而，希望使用ISTS信号中包含的附加信息来克服这些局限。
事实上，在现有技术中(参见Rogers等人Appl.Phys.A58，523-534(1994))公知ISTS信号包含由于与温度分布(profile)有关的空间周期性位移和反射率变化引起的成分，称为热光栅。这种成分引起的信号分量(以下称为“热分量”)的变化比声学振荡引起的分量更慢。然而，现有技术中还没有使用热分量来测量构图的金属结构。
因而希望提供利用检测信号的附加特性的方法。
本发明一方面满足利用检测信号的附加特性的方法的需要。该方法测量包括多个窄金属区域的结构，各区域布置在包括第二非金属材料的相邻区域之间。该方法的一个步骤是利用由激励条(excitationstripe)形成的空间周期性激励场照射来激励这种结构，以产生热光栅。其它步骤是从热光栅衍射出探测激光束，以形成信号束；按时间的函数，检测信号束，以产生信号波形；并且根据信号波形的热分量，确定该结构的至少一个特性。
按照一个实施例，由激励条形成的空间周期性激励场具有的周期范围在1到20微米。按照另一实施例，窄金属区域各自具有的宽度小于5微米。按照再一实施例，窄金属区域各自具有的宽度小于1微米。
按照一个实施例，该结构包括金属线阵列。按照另一实施例，布置空间周期性激励场，以使激励条与金属线平行。
按照再一实施例，该结构包括金属柱的二维阵列。
按照另一实施例，至少一种特性包括至少一个窄金属区域的宽度。按照再一实施例，至少一种特性包括至少一个窄金属区域的厚度。按照又一实施例，至少一种特性包括金属残余的厚度或存在与否。
按照一个实施例，确定步骤包括根据信号波形的衰减速率，确定该结构的至少一种特性。
按照另一实施例，按激励场的多个周期重复激励和检测步骤，并且分析多个得到的波形，以确定该结构的至少一种特性。按照再一实施例，分析多个波形，以确定该结构的至少两种特性。
按照又一实施例，确定步骤包括利用一种经验校准来分析信号波形。按照另一实施例，确定步骤包括根据该结构的选择的热和弹性特性利用一种理论模型来分析信号波形。
按照一个方面，用于测量包括多个窄金属区域的结构的一种方法包括若干步骤，其中各区域布置在包括第二非金属材料的相邻区域之间。一个步骤是通过利用由激励条形成的空间周期性激励场照射来激励这种结构，以产生热光栅和声波。其它步骤是从热光栅和声波中衍射出探测激光束，以形成信号束；作为时间的函数，检测信号束，以产生信号波形；和根据信号波形的热分量和声学分量，确定该结构的至少一个特性。
在一个实施例中，由激励条形成的空间周期性激励场具有的周期范围从1到20微米。按照另一实施例，窄金属区域各自具有的宽度小于5微米。
在一个实施例中，该结构包括金属线阵列。按照另一实施例，安排空间周期性激励场，以使激励条与金属线平行。在另一实施例中，该结构包括金属柱的二维阵列。
在又一实施例中，至少一种特性是至少一个窄金属区域的宽度。在另一实施例中，至少一种特性是至少一个窄金属区域的厚度。在另一实施例中，至少一种特性是金属残余的厚度或存在与否。
在一个实施例中，以激励图形的多个周期重复激励和检测步骤，并且分析多个信号波形，以确定该结构的至少一种特性。
在另一实施例中，分析信号波形，以确定该结构的至少两种特性。
在另一实施例中，确定步骤包括利用经验校准分析信号波形。在另一实施例中，确定步骤包括根据该结构的选定的热和弹性特性利用理论模型分析信号波形。在再一实施例中，确定步骤包括确定该结构的至少一个窄金属区域的厚度和宽度。
在另一实施例中，确定步骤包括确定金属残余的厚度或存在与否以及该阵列结构的至少一维尺寸。本发明提供从以下的描述、附图和权利要求书中明白的许多优点。
参照以下附图，可以更全面地理解本发明图1表示按照现有技术方法利用脉冲刺激热散射探测的集成电路上的金属薄膜结构；图2表示利用ISTS测量线阵列结构；图3表示热光栅的热耗散；
图4表示从单个金属线到其周围紧邻的介电材料的热流；图5表示信号波形；图6表示线宽与衰减速率之间的关系；图7表示衰减速率对阵列结构的厚度T的敏感性；图8表示阵列顶部存在金属残余时的热流；以及图9表示在线阵列顶上有金属残余和没有金属残余时产生的信号波形。
在新发明的方法中，信号波形的热分量被用来分析结构的特性。这种技术在下面被称为“热分析”。
图2表示本发明方法在阵列结构由宽度为W和厚度为T的多个平行金属线构成的情况下的应用。在这种情况下，激励条21应该与阵列结构24的线22，23平行布置，如图2所示。如果激励周期Λ与阵列间距P相比是大的，并且激励条21与阵列结构24的线22，23平行定向，在各个金属线22由于热传导到周围介电材料23并最终传导到基板25而冷却时，热光栅的耗散出现，如图3所示。激励条21之间热流的速率相对低，因为介电材料23的热传导差。因此，特征热衰减时间要比激励条21与金属线22垂直定向时(在这种情况下，热光栅会因沿着热传导金属的热传导而衰减)所观察到的长得多。
最初，热流主要是从各个金属线22流向其周围紧邻的介电材料23，如图4所示。因此，在最初激励之后的早期，热光栅的衰减速率R与金属线22的每单位长度的表面积和每单位长度体积之比大致成比例，即R∝2T+WWT=2W+1T]]>因此，衰减速率取决于阵列结构24中金属线22的厚度和宽度。
在图5中利用代表性信号波形50，51，52来表示这种相关性。这些波形50，51，52是从嵌入二氧化硅介质的铜线结构中获得的。垂直轴代表归一化的信号，并且水平轴代表以纳秒为单位的时间。这种线阵列结构用来产生间距全为2微米的波形50，51，52，铜线宽度分别为0.5，1.0和1.5微米，而厚度约为0.5微米。信号是利用∧＝8.3微米的激励周期获得的，以维持上述Λ＞＞P的需求，并且激励条与金属线平行定向。图5中，波形已被归一化，以便在100ns时间处具有相等强度。按照公式(1)的预期，热光栅的最初衰减速率随着线宽度缩小而增大。为了测量波形50，51，52的热分量衰减速率，每个波形在100ns前的时间间隔内被拟合到平滑多项式曲线，并且计算在激励之后最初拟合曲线的斜率。这一斜率被定义为衰减速率。图6绘制出根据这些拟合曲线对铜线宽度(水平轴上，以微米为单位)确定的衰减速率(垂直轴上，每纳秒的信号变化的百分数)。图6确认线宽与衰减速率之间的预期相关性。注意，在100ns之后的时间，所有三个结构的衰减速率都大约相等，因为在这一时间区域内热耗散长度大于阵列尺寸。特性耗散长度与时间t的平方根成比例，而表面温度因此在此后时间区域中对于所有三条曲线上应近似于 而改变。
注意，根据公式(1)，预期衰减速率对阵列结构24的厚度T是敏感的。在图7中表示这种相关性，图7显示出对具有相等线宽W＝0.25微米但改变厚度T(在水平轴上，以微米为单位)的几种结构测得的衰减速率(垂直轴上，以每毫微秒的信号变化的百分数的形式)。所有三种结构的阵列间距均为0.5微米。该图同样显示出衰减速率与厚度之间的预期关系。
也注意，衰减速率对厚度或线宽的相对敏感性取决于宽高比α≡TW]]>将α代入公式(1)，得到R∝(2α+1)α1W]]>因此，在α＞＞1的限制下，R与1/W成比例并且大致与T无关。这就意味着，对于其中宽度W和厚度T近似已知但二者可能会随着工艺变化而有所改变的高宽高比的结构，此处所述的热分析方法可以大致确定宽度W而与厚度T无关。
大宽高比的限制对应于集成电路的制造中具有实际重要性的情况，其中集成电路技术的切割刃(cutting-edge)涉及电路上甚至更窄线的定义。当今的前沿技术可以得到宽度窄到0.1微米的金属线，而典型的厚度是0.5微米，即宽高比约为5。宽高比预期随着每一种后续IC技术生成而增加。而且，对于任何IC制造工艺，在最小线宽中通常具有可观的工艺相关变化。因此，精确测量这一参数的能力是重要的。
对于高的宽高比结构，利用公式(3)，可以将“热分析”方法与前述的“频率分析”方法相结合，以便在前一种情况下确定线宽W，并在后一种情况下确定截面积W×T。因此，这允许独立确定W和T，而这只用频率分析方法是不能实现的。两种方法的组合因此体现本发明的一个有益实施例。
注意，公式(1)和(3)是简化的近似表达式，并且对衰减分布进行更精细的物理分析将获得更精确的结果。这种更加具体的分析考虑了材料的热特性(即，热容量，热传导性，密度，热膨胀系数等等)并且牵涉描述热流和温度分布的微分方程式的一组解。它还确定表面皱褶(corrugation)上温度分布的影响以及对衍射探测光束强度相对于时间所产生的影响。这种更加具体的分析可以包括为计算机软件程序的一部分，以便以自动化方式分析测量结果。
与现有的“频率分析”方法相比，本发明的“热分析”方法具有若干进步，即，其扩展基于ISTS的设备的性能，以便应用于阵列结构。
一个这样的优点是本发明提供了确定线阵列中金属线宽度的能力。对于高宽高比的结构，仅仅用有关阵列厚度的标称信息就能确定这一宽度。
另一个优点是提供了确定阵列结构厚度的方法，在特定环境下优于SAW的频率分析方法。这些环境能包括以下情况a)底层薄膜层叠信息未足够好地指定为使用基于频率的分析；b)阵列结构构筑在特定底层薄膜层叠之上，导致对基于频率的测量差的敏感性；c)结构中阵列间距大约等于测量仪器的最小SAW波长；以及d)阵列结构由格栅或网状图形构成。
同样，通过组合使用本发明依赖于热测量的方法与现有基于频率的方法，如上所述，将有可能确定阵列结构中线的厚度和宽度。本发明提供了从说明书、附图和权利要求书中可以明白的许多附加优点。
金属残余检测在另一应用中，本发明被用来测量在阵列结构上面的金属残余。
例如，在线阵列的情况中，利用阵列结构24中与线22，23平行定向的光栅激励图形2照射线阵列结构24(参见图1和2)。在这种定向中，在没有金属残余时(图4)，随着各个金属线22由于热传导到周围介电材料23并最终传导到基板25而冷却，热光栅的耗散发生。由于介质23差的传导性，热流的速率相对低。图8表示在线阵列24顶上存在金属残余80。金属残余80将大大增加从一条金属线22到其相邻金属线的热传导速率。在这种情况下，信号衰减速率将非常高，因为随着温度变得横向均匀，热皱褶减小并且衍射光束强度降低。
因此，能够将信号的衰减速率与测量的线阵列结构24顶上的金属残余80的存在相关联。通过测量线阵列结构24的特性衰减速率并且用一种理论或经验模型进行分析，能测得金属残余80的厚度。
图9中的两个波形90和91表示用于残余检测的性能的例子。波形是在抛光后的测试样品的不同部分上获得的，一个波形是在金属被完全清除的一个区域中测得的(例如，对应于信号波形90)，而另一个是在未经抛光的区域中测得的，剩余有大约200的铜残余(例如，对应着信号波形91)。测量的线阵列结构24是具有0.35微米宽铜线的阵列，有0.35微米二氧化硅空间(space)，并且用2微米热光栅周期来测量这些结构。残余覆盖的结构清晰显示出热光栅的衰减在紧接在激励激光脉冲(例如信号波形91)之后的时间期间衰减得较快。将各个波形的最初部分拟合到一条指数曲线上(具有图中表示的拟合)，这对于样品被清除铜的部分和残余覆盖部分分别产生0.03ns-1和0.128ns-1的特性衰减速率。
该方法还可以应用于其它阵列结构，例如金属柱的二维阵列。
本发明的一个有益实施例是用热光栅周期Λ的多个值测量样品结构的衰减速率，并且用理论或经验模型来分析一组值。这通过允许在金属残余的影响和也能影响衰减速率的其它那些样品变化之间加以区别而改进测量精度。采用多个光栅周期允许这种区别，这是因为样品变化的不同类型导致对∧的不同衰减速率趋势。
本发明的另一有益实施例是将热分量的测量和分析与信号的声学分量的测量和分析相结合。这样能获得有关样品的附加信息并且改善残余测量的精度，因为热和声学分量对不同参数的变化响应不同。
本发明提供从说明书、附图和权利要求书中可以明白的许多优点。
以上的表示和示例只是示例性的，而不打算限制随后的权利要求书的范围。
权利要求
1.一种用于测量包括多个窄金属区域的结构的方法，其中每个窄金属区域被设置在包括第二非金属材料的相邻区域之间，该方法包括通过利用由激励条形成的空间周期性激励场照射来激励该结构，以生成热光栅；从热光栅衍射出探测激光束，以形成信号束；作为时间的函数，检测信号束，以形成信号波形；和根据信号波形的热分量，确定该结构的至少一个特性。
2.按照权利要求1的方法，其中由激励条形成的空间周期性激励场具有的周期范围从1到20微米。
3.按照权利要求1的方法，其中窄金属区域各自具有的宽度小于5微米。
4.按照权利要求1的方法，其中窄金属区域各自具有的宽度小于1微米。
5.按照权利要求1的方法，其中该结构包括金属线阵列。
6.按照权利要求5的方法，其中安排空间周期性激励场，以使激励条与金属线平行。
7.按照权利要求1的方法，其中该结构包括金属区域的二维阵列。
8.按照权利要求1的方法，其中至少一种特性包括至少一个窄金属区域的宽度。
9.按照权利要求1的方法，其中至少一种特性包括至少一个窄金属区域的厚度。
10.按照权利要求1的方法，其中至少一种特性包括金属残余的厚度或存在与否。
11.按照权利要求1的方法，其中确定步骤还包括根据信号波形的衰减速率确定该结构的至少一种特性。
12.按照权利要求1的方法，其中以激励场的多个周期重复激励和检测步骤，并且分析多个结果波形，以确定该结构的至少一种特性。
13.按照权利要求12的方法，其中分析多个波形，以确定该结构的至少两种特性。
14.按照权利要求1的方法，其中确定步骤包括利用经验校准分析信号波形。
15.按照权利要求1的方法，其中确定步骤包括根据该结构的选定的热和弹性特性利用理论模型分析信号波形。
16.一种用于测量包括多个窄金属区域的结构的方法，每个窄金属区域设置在包括第二非金属材料的相邻区域之间，该方法包括通过利用由激励条形成的空间周期性激励场照射来激励该结构，以生成热光栅和声波；从热光栅和声波衍射出探测激光束，以形成信号束；作为时间的函数，检测信号束，以产生信号波形；和根据信号波形的热分量和声学分量，确定该结构的至少一个特性。
17.按照权利要求16的方法，其中由激励条形成的空间周期性激励场具有的周期范围从1到20微米。
18.按照权利要求16的方法，其中窄金属区域各自具有的宽度小于5微米。
19.按照权利要求16的方法，其中该结构包括金属线阵列。
20.按照权利要求19的方法，其中安排空间周期性激励场，以使激励条与金属线平行。
21.按照权利要求16的方法，其中该结构包括金属区域的二维阵列。
22.按照权利要求16的方法，其中至少一种特性包括至少一个窄金属区域的宽度。
23.按照权利要求16的方法，其中至少一种特性包括至少一个窄金属区域的厚度。
24.按照权利要求16的方法，其中至少一种特性包括金属残余的厚度或存在与否。
25.按照权利要求16的方法，其中以激励图形的多个周期重复激励和检测步骤，并且分析多个波形，以确定该结构的至少一种特性。
26.按照权利要求16的方法，其中分析波形，以确定该结构的至少两种特性。
27.按照权利要求16的方法，其中确定步骤包括利用经验校准分析信号波形。
28.按照权利要求16的方法，其中确定步骤包括根据该结构的选定的热和弹性特性利用理论模型分析信号波形。
29.按照权利要求16的方法，其中确定步骤进一步包括确定该结构的至少一个窄金属区域的厚度和宽度。
30.按照权利要求16的方法，其中确定步骤进一步包括确定金属残余的厚度或存在与否以及该阵列结构的至少一个尺寸。
全文摘要
本发明测量包括多个窄金属区域的一种结构，每个区域设置在包括第二非金属材料的相邻区域之间。该方法的一个步骤是通过利用由激励条形成的空间周期性激励场照射来激励该结构，以生成热光栅。其它步骤是从热光栅衍射出探测激光束，以形成信号束；作为时间的函数，检测信号束，以产生信号波形；并且根据信号波形的热分量，确定该结构的至少一个特性。
文档编号G01B21/08GK1726380SQ200380105855
公开日2006年1月25日 申请日期2003年12月10日 优先权日2002年12月13日
发明者M·戈斯泰恩, A·马滋内夫 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司