應對65nm以下測量技術(shù)挑戰(zhàn)

掃描探針顯微鏡(SPM)已經(jīng)應用在納米技術(shù)和納米科學中，主要包括以結(jié)構(gòu)、機械、磁性、形貌、電學、化學、生物、工程等為基礎(chǔ)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(chǔ)的SPM家族的一個分枝。工業(yè)用AFM是一種自動的，由菜單驅(qū)動的在線生產(chǎn)測量機臺，自動的硅片操作、對準、探針操作、位置尋找、抓圖和圖像數(shù)據(jù)分析等測量都被編程在菜單中，最終輸出測量數(shù)據(jù)。值得一提的是，AFM作為130納米及以下技術(shù)結(jié)點中表征刻蝕和化學機械拋光(CMP)的尺寸測量的先進幾何控制方法已經(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(cè)壁形狀輪廓。測量區(qū)域可以在很小(50μm)或很長(10cm)的范圍內(nèi)。采用小比例AFM模式，可測量的變量有高度或深度、線寬、線寬變化、線邊緣粗糙度、間距、側(cè)壁角度、側(cè)壁粗糙度、橫截面輪廓、和表面粗糙度。在長范圍（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
除AFM以外，CD SEM、橫截面SEM(X-SEM), TEM、Dual Beam、光學散射測量、光學輪廓儀和探針輪廓儀均為已有的表征和監(jiān)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、時間以及費用。X-SEM和TEM會破壞硅片，并且只能一次性的切入特征區(qū)域。TEM不能在光刻膠上工作。CD SEM會導致光刻膠吸收電荷、收縮、甚至損傷光刻膠， CD SEM幾乎無法提供3D形狀信息。光學散射測量具有快速和準確的特點，但是只能在特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)上工作，并且無法提供LER和ＬＷＲ數(shù)據(jù)。為特定的薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)展一套可靠的散射測量數(shù)據(jù)庫通常是非常困難并且耗時的。空間分辨率和光斑尺寸會限制Ｘ射線、光學厚度、或形貌測定儀器的應用。

由于AFM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(guī)格內(nèi)，而不需像TEM一樣破壞制品。AFM沒有光斑尺寸限制，并且在CMP平坦化應用方面，它比光學或探針輪廓儀具有更高的分辨率。

AFM可以在線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(jié)構(gòu)、光學特性或是組成。AFM對于最新的先進工藝和材料集成中涌現(xiàn)出來的新材料(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可以被用為在線監(jiān)控深度、CD和輪廓，取代TEM進行橫截面輪廓的工程分析，是在線散射測量和CD校準以及追蹤的極好的參考。表1為自動AFM測量的典型應用。

操作原理

在一個反饋控制回路中，AFM掃描儀控制一個微小探針在X(或Y)和Z方向進行掃描，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(shù)據(jù)，如圖1所示。

3D形貌的原始數(shù)據(jù)是由x/y/z空間數(shù)據(jù)構(gòu)造而來的。然后，離線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(shù)，如深度、 特定區(qū)域頂部/中間/底部的線寬、 側(cè)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(qū)域和隔離氧化物區(qū)域。AFM在STI刻蝕深度、線寬、CD和側(cè)壁輪廓測量方面有著獨特的應用。圖2展示了與TEM橫截面相比典型的AFM輪廓。從比較中可以說明，AFM在表征窄深的STI溝槽全3D幾何形狀方面取代了冗長和高耗費的TEM，STI溝槽在活性硅區(qū)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(zhuǎn)換區(qū)域的硅的CD。高分辨率的AFM可以掃描出這個轉(zhuǎn)換點，可以在轉(zhuǎn)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可以對整片硅片進行快速非破壞性的描繪，而X-SEM和TEM是無法做到的。溝槽側(cè)壁角度(SWA)的微小變化會引起最終圖形特征上線寬的巨大變化，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模塊進行化學機械拋光(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(qū)域及附近場氧化物區(qū)域的高度差(圖3)。硅片內(nèi)實際電路區(qū)域的局部形貌變化是一個非常關(guān)鍵的參數(shù)。晶體管電學失效與較大的或反向的活性硅與場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(nèi)不同特征之間的步高相關(guān)性很差，這再一次證明了傳統(tǒng)的橢偏法和散射測量法在測量劃片區(qū)域里大塊的測試結(jié)構(gòu)以反映芯片內(nèi)真實的電路形貌時已存在不足。AFM是一種在線測量技術(shù)，可以在任何需要的測試點進行快速的和非破壞性的芯片內(nèi)形貌監(jiān)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(qū)域和隔離區(qū)域交界處氧化物的轉(zhuǎn)換，以及何種轉(zhuǎn)換會影響晶體管的閾值電壓。AFM對轉(zhuǎn)換輪廓非常敏感，并且轉(zhuǎn)換深度可以得到監(jiān)控。

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。這為在線光學技術(shù)提出了重大的挑戰(zhàn)，因為在線光學技術(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(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。

由于它的絕對準確性，AFM可以被用作極好的參考標準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散射測量和CD SEM之間的校準，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)。