AFM：應(yīng)對65nm以下測量技術(shù)挑戰(zhàn)

多晶硅凹槽反刻

在DRAM制造的溝槽電容形成過程中，會有一個深溝槽被多晶硅填充，然后經(jīng)過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(yīng)用如圖5所示的一種被稱為“間距掃描”的方法，AFM可以對每個點的多個凹槽孔進行快速測量。芯片內(nèi)AFM測量可以在小于一個小時的時間內(nèi)對整片硅片進行多點掃描。凹槽底部通常會有一個具有洞狀的錐形輪廓(圖6)。從直到傾斜的側(cè)壁的過渡部分被稱為“肩部”，TEM和XSEM經(jīng)常被用來測量過渡部分和肩部高度。AFM是取代TEM或X-SEM來測量溝槽輪廓、 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(dāng)DRAM技術(shù)節(jié)點達到90納米以下時，凹槽孔變得非常淺和狹窄。這為在線光學(xué)技術(shù)提出了重大的挑戰(zhàn)，因為在線光學(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(xù)的提供準(zhǔn)確的凹槽測量。

柵刻蝕

多晶硅或金屬柵的CD和輪廓控制對無缺陷和高性能晶體管來說最為關(guān)鍵。X-SEM和TEM非常耗時，硅片必須廢棄，并且只能提供有限的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。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測量方法贏得了廣泛的使用。然而，散射測量依賴于光譜數(shù)據(jù)庫中進行模擬和建模。準(zhǔn)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(fù)雜的柵結(jié)構(gòu)來說，建立一個散射測量數(shù)據(jù)庫需要幾周甚至幾個月，散射測量只能測量特殊設(shè)計的光柵，而不能被用來表征諸如芯片內(nèi)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(nèi)任意位置的無偏差和直接的測量，并且可以作為在線監(jiān)控機臺或進行散射測量校正和數(shù)據(jù)庫優(yōu)化的參考測量方法。SAFM測量方法的優(yōu)點是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，而不需建立光學(xué)模型。多晶硅柵的LER和LER數(shù)據(jù)可以幫助優(yōu)化圖形和刻蝕條件。另一個例子是測量p-MOS和n-MOS之間, 隔離的和密集的柵線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電路特征來進行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(cè)壁輪廓的影響。工程師們經(jīng)常希望能在同一片硅片上進行連續(xù)實驗，而不是將硅片廢棄。AFM可以在CD掃描模式下進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(cè)墻

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

結(jié)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(zhàn)之一。AFM為半導(dǎo)體(邏輯和存儲器)制造中關(guān)鍵前道工藝監(jiān)控提供了在線和參考測量方法的有益的解決方案。AFM可以掃描電路的任意區(qū)域和各種材料，對數(shù)據(jù)進行解釋時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點對一個特征進行多線的同時掃描，從而搜集足夠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行特征與特征間、芯片與芯片間、硅片與硅片間、以及批次與批次間的評價、它為在線工藝控制提供了直接的芯片內(nèi)測量。

由于它的絕對準(zhǔn)確性，AFM可以被用作極好的參考標(biāo)準(zhǔn)來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(yù)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光學(xué)散射測量和CD SEM之間的校準(zhǔn)，并且可以加快散射測量數(shù)據(jù)庫的發(fā)展。以AFM為基礎(chǔ)的參考測量系統(tǒng)使得世界范圍內(nèi)的不同工廠之間的測量機臺匹配得以實現(xiàn)，確保Fab1的30納米確實等同于Fab2的30納米。

特征空間大小是對AFM的一個限制，只有當(dāng)空間足夠大并使得探針可以伸入進行掃描時AFM才能夠工作，當(dāng)溝槽空間窄于探針直徑時AFM無法進行掃描。隨著AFM探針技術(shù)的進一步發(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(xiàn)。