[發明專利]一種微納深溝槽結構測量方法及裝置

有效

• 申請號: 200710053292.5
• 申請日: 2007-09-20
• 公開（公告）號: CN101131317A
• 公開（公告）日: 2008-02-27
• 發明（設計）人: 劉世元;史鐵林;張傳維;顧華勇;沈宏偉
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01B11/22
• 分類號: G01B11/22;G01B11/02;G01B11/06;G01R27/26;H01L21/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于集成電路(IC)和微機電系統(MEMS)器件測量技術，具體涉及一種微納深溝槽(深寬比達50∶1以上)結構測量方法及裝置，該方法尤其適用于動態隨機存儲(DRAM)的深溝槽電容器結構深度及寬度的測量。

背景技術

在微電子和微機電系統(MEMS)設計與制造工藝過程中，目前廣泛采用了高深寬比的深溝槽結構，如最新的動態隨機存儲(DRAM)開始采用復雜的瓶狀深溝槽電容器結構，深度反應離子刻蝕(DRIE)工藝可以很容易制作深寬比達50∶1以上的集成電路和MEMS結構。為了實現有效的工藝控制，在制造過程中對深溝槽結構的尺寸進行在線、非破壞性的精確檢測具有非常重要的意義。

從原理上來看，很多傳統方法都可用于溝槽測量，包括基于干涉的表面形貌測量儀、裝有特殊探針的原子力顯微鏡(AFM，Atomic?Force?Micro-scope)、基于剖面制樣的掃描電子顯微鏡(SEM，Scanning?Electron?Microscope)和聚焦離子束(FIB，Focused?Ion?Beam)等。但是，隨著90nm及更新先進節點工藝的不斷采用，特征尺寸在不斷下降，溝槽深寬比在不斷提高，溝槽形狀也變得越來越復雜，上述傳統測量方法已經很難甚至根本無法同時滿足工藝控制和優化所需的無接觸、非破壞、快速、低成本、高靈敏度等測量要求。

表面形貌測量儀的基本原理是利用光學干涉成像，即被測表面與某個參考鏡表面的反射可以在成像平面上產生干涉現象，形成明暗相間的干涉圖案。如果參考鏡產生微小位移，即產生移相，則即使被測表面形貌保持不變，但形成的干涉圖案也將發生改變。利用這一相移干涉(PSI，PhaseShifting?Interferometry)技術，通過控制參考鏡的相移并利用相位去包裹算法，可以從不同相移下的多幅干涉圖案中估計出一幅被測表面的垂向高度形貌圖。基于上述原理的表面形貌儀更適合于測量表面形貌變化緩慢的結構，可以用來測量特征尺寸較大的淺溝槽，但對于特征尺寸很小且深寬比很大的深溝槽來說，由于光線無法入射到深溝槽底部并有效反射出來，因此無法勝任這樣的測量任務。

原子力顯微鏡的基本原理是利用原子之間的范德華力來呈現樣品的表面特性。將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。為了測量溝槽結構的尺寸，AFM懸臂梁針尖必須深入到溝槽內部，這對淺溝槽結構測量是可行的；對于高的深寬比結構則需要改進AFM針尖，以克服針尖深入到溝槽內部探測的障礙；在深寬比相同但特征尺寸趨向90nm以下時，進一步改進AFM針尖將面臨更大的困難和挑戰。

掃描電子顯微鏡的工作原理是利用聚焦電子束在樣品表面逐點掃描成像，以觀察樣品的表面結構。利用一束極細的電子束掃描樣品，在樣品表面激發出次級電子，其多少與電子束入射角即樣品的表面結構有關；次級電子由探測體收集并轉換為光信號，再經光電倍增管和放大器轉變為電信號來控制熒光屏上電子束的強度，顯示出與電子束同步的掃描圖像，反映了樣本的表面結構，可以獲得相當高的測量分辨率，一般為3～6nm。利用SEM進行結構表面測量，需要謹慎地制備試樣；對于溝槽結構測量來說，由于感興趣的區域深埋在硅片內部，則需要切開硅片并制成剖面試樣。因此，盡管SEM在微電子領域獲得了廣泛應用，出現了諸如CD-SEM和斷面SEM的專門設備，但這種方法本身是一種破壞性和損傷性的測量方法，只能對有限的硅片部位進行測量，不僅測試時間長，而且測試成本高，特別是難以獲得整塊硅片的CD等測量分布信息，從而無法為提高良率、解決工藝問題和優化工藝參數提供足夠快速而完整的輸入信息。

聚焦離子束的工作原理是利用聚焦后的離子束掃描樣品表面，通過檢測從樣品中被激發出的二次電子，形成二次電子像進行觀測。其工作原理、構造和功能與掃描電子顯微鏡非常類似，在測量溝槽結構時也同樣需要先切開硅片并制成剖面試樣，因此同樣具有掃描電子顯微鏡的上述優點和缺點。