應對65nm以下測量技術(shù)挑戰

掃描探針顯微鏡(SPM)已經(jīng)應用在納米技術(shù)和納米科學(xué)中，主要包括以結構、機械、磁性、形貌、電學(xué)、化學(xué)、生物、工程等為基礎的研究和工業(yè)應用。原子力顯微鏡(AFM)是以顯微力感應為基礎的SPM家族的一個(gè)分枝。工業(yè)用AFM是一種自動(dòng)的，由菜單驅動(dòng)的在線(xiàn)生產(chǎn)測量機臺，自動(dòng)的硅片操作、對準、探針操作、位置尋找、抓圖和圖像數據分析等測量都被編程在菜單中，最終輸出測量數據。值得一提的是，AFM作為130納米及以下技術(shù)結點(diǎn)中表征刻蝕和化學(xué)機械拋光(CMP)的尺寸測量的先進(jìn)幾何控制方法已經(jīng)被廣泛應用于半導體制造業(yè)，與半導體工業(yè)工藝技術(shù)類(lèi)似，光掩膜和薄膜為主的工業(yè)也采用了AFM作為工藝測量方法。

AFM可以測量表面形貌、3D尺寸和幾何形狀，水平表面輪廓和垂直側壁形狀輪廓。測量區域可以在很小(50μm)或很長(cháng)(10cm)的范圍內。采用小比例AFM模式，可測量的變量有高度或深度、線(xiàn)寬、線(xiàn)寬變化、線(xiàn)邊緣粗糙度、間距、側壁角度、側壁粗糙度、橫截面輪廓、和表面粗糙度。在長(cháng)范圍（Profiler模式），AFM用于CMP工藝總體表面形貌輪廓的測量。

AFM測量的優(yōu)點(diǎn)
除AFM以外，CD SEM、橫截面SEM(X-SEM), TEM、Dual Beam、光學(xué)散射測量、光學(xué)輪廓儀和探針輪廓儀均為已有的表征和監控工藝尺寸的測量方法。通常認為最值得信任的3D尺寸分析方法應該是X-SEM或TEM，但是X-SEM或TEM的主要障礙是樣品制備、機臺操作、時(shí)間以及費用。X-SEM和TEM會(huì )破壞硅片，并且只能一次性的切入特征區域。TEM不能在光刻膠上工作。CD SEM會(huì )導致光刻膠吸收電荷、收縮、甚至損傷光刻膠， CD SEM幾乎無(wú)法提供3D形狀信息。光學(xué)散射測量具有快速和準確的特點(diǎn)，但是只能在特殊設計的結構上工作，并且無(wú)法提供LER和ＬＷＲ數據。為特定的薄膜結構發(fā)展一套可靠的散射測量數據庫通常是非常困難并且耗時(shí)的?？臻g分辨率和光斑尺寸會(huì )限制Ｘ射線(xiàn)、光學(xué)厚度、或形貌測定儀器的應用。

由于A(yíng)FM的獨特特性，使得它與其它測量技術(shù)相比具有更明顯的優(yōu)勢。AFM可以在非真空環(huán)境中工作。它是一種表面力感應的顯微鏡，所以它可以提供非破壞性的，直接的3D測量，勝于模擬、模型、或者推斷。AFM可以快速的檢查橫截面輪廓或表面形貌，以便檢測出尺寸是否在規格內，而不需像TEM一樣破壞制品。AFM沒(méi)有光斑尺寸限制，并且在CMP平坦化應用方面，它比光學(xué)或探針輪廓儀具有更高的分辨率。

AFM可以在線(xiàn)測量當今納米電子工業(yè)中的任何材料樣品，不管其薄膜層結構、光學(xué)特性或是組成。AFM對于最新的先進(jìn)工藝和材料集成中涌現出來(lái)的新材料(SiGe、高K、金屬柵和低K)并不敏感。電路圖案的逼真度和尺寸取決于其附近的環(huán)境。然而，AFM測量與特征接近度或圖形密度效應之間沒(méi)有偏差，這些都是ITRS2005測量部分所列出的重要要求。因此，AFM在世界半導體工業(yè)贏(yíng)得了廣泛應用，并且其在130納米及更小尺寸中的應用正在增加。在應用目的方面，AFM可以被用為在線(xiàn)監控深度、CD和輪廓，取代TEM進(jìn)行橫截面輪廓的工程分析，是在線(xiàn)散射測量和CD校準以及追蹤的極好的參考。表1為自動(dòng)AFM測量的典型應用。

操作原理

在一個(gè)反饋控制回路中，AFM掃描儀控制一個(gè)微小探針在X(或Y)和Z方向進(jìn)行掃描，在探針和樣品表面間保持緊密的接近，從而獲得所有XY和Z方向的高分辨率方位數據，如圖1所示。

3D形貌的原始數據是由x/y/z空間數據構造而來(lái)的。然后，離線(xiàn)的軟件分析使探頭形狀不再環(huán)繞AFM圖像并且提取出測量目標相關(guān)的重要幾何參數，如深度、 特定區域頂部/中間/底部的線(xiàn)寬、 側壁角度和輪廓形狀、 或表面形貌。

STI刻蝕

淺溝槽隔離(STI)是邏輯、 DRAM和Flash等硅器件中的一種普通工藝。STI形成晶體管中的活性硅區域和隔離氧化物區域。AFM在STI刻蝕深度、線(xiàn)寬、CD和側壁輪廓測量方面有著(zhù)獨特的應用。圖2展示了與TEM橫截面相比典型的AFM輪廓。從比較中可以說(shuō)明，AFM在表征窄深的STI溝槽全3D幾何形狀方面取代了冗長(cháng)和高耗費的TEM，STI溝槽在活性硅區域頂部通常有一層氮化物作為硬掩膜，CD SEM通常很難準確測量從氮化物到硅轉換區域的硅的CD。高分辨率的AFM可以?huà)呙璩鲞@個(gè)轉換點(diǎn)，可以在轉換位置編程出圖象分析，從而計算氮化物底部CD和硅頂部的CD。AFM可以對整片硅片進(jìn)行快速非破壞性的描繪，而X-SEM和TEM是無(wú)法做到的。溝槽側壁角度(SWA)的微小變化會(huì )引起最終圖形特征上線(xiàn)寬的巨大變化，AFM為高深寬比的STI溝槽提供了非破壞性及高精度的SWA表征。

STI CMP

STI模塊進(jìn)行化學(xué)機械拋光(CMP)和濕法氮化物去除以后，產(chǎn)生了多樣化的表面以及在活性區域及附近場(chǎng)氧化物區域的高度差(圖3)。硅片內實(shí)際電路區域的局部形貌變化是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數。晶體管電學(xué)失效與較大的或反向的活性硅與場(chǎng)氧化物之間的步高差相關(guān)，CMP形貌取決于特征尺寸和圖形密度。然而，芯片內不同特征之間的步高相關(guān)性很差，這再一次證明了傳統的橢偏法和散射測量法在測量劃片區域里大塊的測試結構以反映芯片內真實(shí)的電路形貌時(shí)已存在不足。AFM是一種在線(xiàn)測量技術(shù)，可以在任何需要的測試點(diǎn)進(jìn)行快速的和非破壞性的芯片內形貌監控。

AFM可以檢測和測量出由于硅片邊緣不均勻的拋光速率造成的反向的硅/氧化物步高(圖4)，圖4展示了氮化物去除后活性區域和隔離區域交界處氧化物的轉換，以及何種轉換會(huì )影響晶體管的閾值電壓。AFM對轉換輪廓非常敏感，并且轉換深度可以得到監控。

多晶硅凹槽反刻

在DRAM制造的溝槽電容形成過(guò)程中，會(huì )有一個(gè)深溝槽被多晶硅填充，然后經(jīng)過(guò)幾次反刻形成多晶硅凹槽。凹槽深度的控制非常關(guān)鍵，以確保正確的器件功能。AFM是直接在存儲器列單元上測量凹槽深度的首選，應用如圖5所示的一種被稱(chēng)為“間距掃描”的方法，AFM可以對每個(gè)點(diǎn)的多個(gè)凹槽孔進(jìn)行快速測量。芯片內AFM測量可以在小于一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內對整片硅片進(jìn)行多點(diǎn)掃描。凹槽底部通常會(huì )有一個(gè)具有洞狀的錐形輪廓(圖6)。從直到傾斜的側壁的過(guò)渡部分被稱(chēng)為“肩部”，TEM和XSEM經(jīng)常被用來(lái)測量過(guò)渡部分和肩部高度。AFM是取代TEM或X-SEM來(lái)測量溝槽輪廓、總體溝槽深度和肩部高度的理想選擇，并且具有極高的精確度。

當DRAM技術(shù)節點(diǎn)達到90納米以下時(shí)，凹槽孔變得非常淺和狹窄。這為在線(xiàn)光學(xué)技術(shù)提出了重大的挑戰，因為在線(xiàn)光學(xué)技術(shù)很難得到可靠的和精確的模型和模擬。然而，更小的AFM探針可以持續的提供準確的凹槽測量。

柵刻蝕

多晶硅或金屬柵的CD和輪廓控制對無(wú)缺陷和高性能晶體管來(lái)說(shuō)最為關(guān)鍵。X-SEM和TEM非常耗時(shí)，硅片必須廢棄，并且只能提供有限的統計數據。由于具有高精確度和快速的產(chǎn)量，光學(xué)散射測量作為柵刻蝕的首選CD測量方法贏(yíng)得了廣泛的使用。然而，散射測量依賴(lài)于光譜數據庫中進(jìn)行模擬和建模。準確度和精確度受到諸如多晶硅/外圍粗糙度、薄膜組成和厚度等諸多工藝變化的影響。對于復雜的柵結構來(lái)說(shuō)，建立一個(gè)散射測量數據庫需要幾周甚至幾個(gè)月，散射測量只能測量特殊設計的光柵，而不能被用來(lái)表征諸如芯片內存儲器單元或邏輯電路的任意特征。另外，散射測量不能測量諸如抗反射或硬掩膜層的非反射物質(zhì)。

AFM可以提供任何材料上芯片內任意位置的無(wú)偏差和直接的測量，并且可以作為在線(xiàn)監控機臺或進(jìn)行散射測量校正和數據庫優(yōu)化的參考測量方法。SAFM測量方法的優(yōu)點(diǎn)是CD和輪廓的多重關(guān)鍵幾何測量可以直接從單獨的AFM掃描圖象中抽取出來(lái)，而不需建立光學(xué)模型。多晶硅柵的LER和LER數據可以幫助優(yōu)化圖形和刻蝕條件。另一個(gè)例子是測量p-MOS和n-MOS之間, 隔離的和密集的柵線(xiàn)之間核心的輸入和輸出之間的CD補償值。如圖7所示，AFM也可以直接掃描真實(shí)電路特征來(lái)進(jìn)行SRAM存儲器上非破壞性的3D幾何形貌失效分析，并且很少出錯。

在柵刻蝕工藝發(fā)展初期，工程師需要明白刻蝕和光刻條件對最終柵側壁輪廓的影響。工程師們經(jīng)常希望能在同一片硅片上進(jìn)行連續實(shí)驗，而不是將硅片廢棄。AFM可以在CD掃描模式下進(jìn)行非破壞性的橫截面輪廓掃描，方便工程師快速地判斷多晶硅輪廓和優(yōu)化刻蝕或光刻工藝條件。

柵側墻

柵側墻是柵刻蝕后淀積在側壁的氮化物或氧化物薄膜，為源漏注入提供阻擋。由于A(yíng)FM特有的圖形識別能力，它可以在連續的工藝步驟中精確的將針頭放置于同一片硅片的同一個(gè)點(diǎn)，測量者運用AFM掃描柵刻蝕后和稍后的柵側墻刻蝕后的同一處柵線(xiàn)，從而得到每一步工藝的CD和輪廓數據(圖8)。量測的差值很方便的給出了介質(zhì)側墻的厚度和輪廓，并具有絕對精確度。因此，我們采用AFM沿柵側墻測量薄膜厚度，以確保沿垂直的側墻覆蓋的薄膜具有連續性，這種方法可以引伸到后道銅晶仔或溝槽或通孔側壁的原子層淀積阻擋層厚度的測量。

結論

65納米及以下的集成微電子器件的尺寸測量方法是業(yè)界挑戰之一。AFM為半導體(邏輯和存儲器)制造中關(guān)鍵前道工藝監控提供了在線(xiàn)和參考測量方法的有益的解決方案。AFM可以?huà)呙桦娐返娜我鈪^域和各種材料，對數據進(jìn)行解釋時(shí)不需要任何建模和臆測。在某些情況下，AFM在橫截面輪廓和形狀分析方面可以取代X-SEM、TEM或Dual Beam。AFM可以在多片硅片的多個(gè)點(diǎn)對一個(gè)特征進(jìn)行多線(xiàn)的同時(shí)掃描，從而搜集足夠的統計數據進(jìn)行特征與特征間、芯片與芯片間、硅片與硅片間、以及批次與批次間的評價(jià)、它為在線(xiàn)工藝控制提供了直接的芯片內測量。

由于它的絕對準確性，AFM可以被用作極好的參考標準來(lái)校正其它尺寸測量方法，從而建立起追蹤鏈和已知的不確定的預算。CD AFM經(jīng)常被用作有口皆碑的CD測量方法以保持和在線(xiàn)光學(xué)散射測量和CD SEM之間的校準，并且可以加快散射測量數據庫的發(fā)展。以AFM為基礎的參考測量系統使得世界范圍內的不同工廠(chǎng)之間的測量機臺匹配得以實(shí)現，確保Fab1的30納米確實(shí)等同于Fab2的30納米。

特征空間大小是對AFM的一個(gè)限制，只有當空間足夠大并使得探針可以伸入進(jìn)行掃描時(shí)AFM才能夠工作，當溝槽空間窄于探針直徑時(shí)AFM無(wú)法進(jìn)行掃描。隨著(zhù)AFM探針技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，已經(jīng)有能夠測量窄空間和很大縱寬比的更小針頭出現。