【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及探针显微术领域，尤其涉及使用探针显微镜的关键尺寸度量的改进的方法。
技术介绍
高级集成电路的制造需要在半导体晶片上形成极小、极精确的特征。这种特征通常首先通过光刻工艺在光致抗蚀剂的临时层中形成，然后该光致抗蚀剂特征用于在晶片上制造永久结构。例如，孔在绝缘层中形成并且之后用导电材料填充以产生电路中各层之间的连接。沟槽也在绝缘层中形成并且之后用导电材料填充以形成电容器。形成薄导电线路的组以制造将信号从芯片的一个区域传送到另一个区域的总线。导体组的特征在于每个导体的宽度和间距(导体之间的距离)。 随着半导体工艺对精度需要的增加，需要不断地监测制造过程以保证其满足严格的要求。在一些情况下，每个经过生产线的晶片在有时候被称为在线度量的过程中被测量。工程师可以监测临时光致抗蚀剂层上的特征以及在晶片上制造的永久特征。晶片上的特征是三维结构且完整的特征必须不仅仅描述表面尺寸(诸如孔或导体的顶部宽度)，而必须描述特征的完整三维轮廓。例如，理想特征通常具有垂直侧壁，实际侧壁可能具有过多的倾斜，该倾斜使其顶面以下的特征变窄或变宽。工艺工程师必须能够准确地测量这种表面特征的关键尺寸(CD)以精调制造工艺并保证获得理想的器件几何结构。 渐渐地，制造商转向诸如探针显微术的度量工具，探针显微镜使用很小的探针尖与样品表面的相互作用，以允许具有亚纳米分辨率的表面3-D成像。一种类型的探针显微镜通常被称为扫描探针显微镜(SPM)。SPM使用很小的探针尖在衬底的表面上扫描。压电扫描器(能够极精细地移动)通常用作定位台以在样品上方精确定位探针尖。扫描器将探针尖在第一扫描线...
【技术保护点】
用于确定样品上的特征的至少一个尺寸的方法，所述特征具有期望的构形以及已知的近似位置，该方法包括：将样品装入具有探针尖的探针显微镜；确定足以定位该特征的多个定位数据点的数量和位置；在每个定位数据点测量与所述样品的高度相 关的数据；从与每个定位数据点处的所述样品的高度相关的数据确定该特征的位置；从该特征的期望的构形和所述特征的位置确定足以确定所述特征的至少一个尺寸的多个相关数据点的数量和位置；测量与每个相关数据点处所述样品的高度相关的 数据；以及从与每个相关数据点处所述样品的高度相关的数据的值确定所述特征尺寸。
【技术特征摘要】
US 2004-1-14 60-536360;US 2004-4-23 60/564852中阐述的本发明的精神和范围。 附图说明 为了更充分地理解本发明及其优点，现在参照下面结合附图的描述，在附图中，图1是典型探针尖描绘衬底上特征的轮廓的示意性截面视图。 图2是现有技术探针显微镜的侧视图。 图3是图2的探针头的侧视图。 图4是图2的探针头的端视图。 图5是图1的探针尖描绘倾斜侧壁的轮廓的示意性截面视图。 图6A是一个衬底特征截面的示意性表示，该衬底特征示出了根据本发明的粗糙定位数据点的位置。 图6B是一个衬底特征截面的示意性表示，该衬底特征示出了根据本发明的用于计算该特征的深度的相关数据点的位置。 图6C是一个衬底特征截面的示意性表示，该衬底特征示出了根据本发明的关键尺寸测量的理想深度。 图6D是一个衬底特征截面的示意性表示，该衬底特征示出了根据本发明的用于计算关键尺寸测量的相关数据点的位置。 图7A的曲线图表示对于一个典型的数据点使用现有技术力平衡测量的电压差。 图7B的曲线图代表在图7A的时间周期期间压电传动器的垂直位置。 图7C的曲线图代表对于图7A和7B所示的相同的典型数据点，横梁偏斜作为时间的函数以及作为横梁偏斜数据的统计操作的输出的函数。 图7D的曲线图代表在图7C的时间周期期间，压电传动器的垂直位置。 图8A示意性表示现有技术探针尖20向陡峭侧壁垂直降低的截面图。 图8B示意性表示根据本发明的探针尖斜着向相同侧壁降低的截面图。 图9的曲线图表示对于图8A的垂直逼近轨迹和图8B的斜逼近轨迹，施加到探针尖上的力作为时间的函数。 图10示意性示出了一个垂直特征的截面图并说明了根据本发明的侧向力检测和最小z缩回的方法。 具体实施方式 本发明的优选实施例针对使用探针显微镜的改进的度量方法。虽然下面的很多描述是针对利用连接到摇摆平衡横梁上的探针尖的针式纳米表面轮廓测量仪(SNP)，本发明的方法的同样可以使用任何类型的探针显微镜来使用。 本发明的优选方法有很多新颖的方面，且因为本发明在用于不同目的不同方法中体现，因此不需要在每个实施例中出现每个方面。此外，所描述实施例的很多方面可以分别取得专利。 如前所讨论的，现有技术SPM通常通过收集沿等间距的间隔(称为象素)处的线的数据点来扫描整个数据线。在这种应用中，“数据点”用来指特定的x-y-z坐标，而不指单独的x-y坐标。技术人员将会认识到对于倒凹或者垂直特征，在给定x-y坐标可能有多个不同的z值。 根据本发明的一个方面，本发明从将数据点限制到那些与所需测量最相关的数据点的方法得出显著的优点。根据一个优选实施例，自适应算法用于将测量的相关点定位在已知的关注的特征上，例如在制造期间在半导体衬底上的已知x-y坐标处形成的具有期望构形轮廓(诸如深度、宽度、或者斜坡)的沟槽。SPM探针尖可以直接在相关数据点之间跳跃，而不是通过在沿扫描线的各个连续的数据点测量来描绘特征的轮廓。 在一个优选实施例中，本发明使用自适应算法来定位用于特定特征的测量的相关点。SPM探针尖然后能够直接在相关点之间移动。根据本发明的该实施例，SNP可使用现有技术中的公知方法(包括例如光学图案识别)定位到特征的近似x-y坐标。一旦到达该近似坐标，几个粗糙定位数据点用于更精确地定位该特征。该过程在图6A-6D中示出，这些图是形成在半导体衬底中的沟槽的截面的示意性表示600。 在一个优选实施例中，自适应算法使用该特征的尺寸和期望位置来选择定位数据点P1-P12，这些数据点用于粗略地定位期望特征，诸如沟槽601。之后，该算法可以选择要测量的相关位置处的一些数据点。例如，为了确定沟槽601的深度，可以测量在该沟槽两侧上的一些数据点Z以及沿该沟槽底部的一些数据点Z’。然后可以容易地确定沟槽601的深度(Z高度)而不测量沿扫描线的每个象素。测量沿该沟槽的顶部的数据点并且然后直接移动以测量该沟槽底部上的数据点(不必描绘侧壁的轮廓)，这允许更快的分析。如在下面更详细的讨论，更快的分析将为发生漂移或者打滑留出更少的时间。 这种只测量相关数据点的方法也能够用于确定其它关键尺寸(CD)，诸如特征宽度。为了之后确定该沟槽的宽度，可以测量一些在右侧壁上的数据点S以及沿左侧壁的数据点S’。通常，为了测量诸如沟槽宽度的CD，该宽度将在特定深度602(或者诸如导线的特征的特定高度)处测量。特定高度或者深度可以规定为绝对值或者为整个特征高度或宽度的百分比。根据本发明，一旦特征已经被粗略地定位，探针尖可以在靠近该特定高度的相对侧壁之间来回跳动以便进行CD测量。 通常，一些测量的数据点将在理想高度之上并且一些在其下。技术人员将认识到某种程度的“分散”(数据点在特定深度之上和之下)通常是理想的，因为这允许对粗糙侧壁进行更精确地测量。此外，如现有技术中已知的，精确AFM测量通常需要计入针尖几何形状的效应，该计入是通过已知为erosion或者去卷积的数学运算将针尖从初始图像中减去实现的。点在略高于以及略低于特定高度的分散使得erosion校正数据更加可能包括该特定高度处的数据。在一个优选实施例中，自适应算法将能够测量在特定高度之上和之下的适当数量的数据点。在对数据进行针尖形状的校正后，这些数据点能用来确定特征的宽度(通常通过最小平方分析)。 如果，例如特征的期望构形是具有倾斜侧壁的沟槽，从而底部比顶部窄，且第一数据点在用于CD测量的特定高度的略上方，该算法将优选调整相邻数据点以便其更加略微朝向沟槽的中心(由于该数据点期望比前述数据点略低)。因为构形中不可预料的变化或者数据点过冲的可能性，每个数据点将不必比前面的点更接近特定高度。然而，优选相对小数量的数据点(与现有技术SPM相比)足以在期望测量上调整归零。 本发明的该实施例提供了相对于现有技术的很多优点。优选地，将仅仅需要10-20个数据点来粗略定位特征，以及另外的20-40个数据点用来确定特征的关键尺寸。如前面所讨论的，现有技术SNP通常使用每扫描线200-400个数据点。由于实际测量较少的数据点，生产能力将大幅度增加。此外，通常，更快的分析将为漂移或打滑的发生留出更少的时间，优选地，交替测量侧壁数据点(一个壁上的数据点之后是另一个壁上的数据点)。在这种情况下，对每个侧壁上相关点的测量的发生可以是现有技术的沿整条线扫描的方法的约10-100倍。这大大减小了漂移或者打滑的量并且能够增加CD测量的精度和准确性。因为部分地使用多条扫描线来克服诸如系统漂移的精度问题，对于一些应用，更快地测量数据点也可以减少描绘特征的轮廓所需的总的扫描线的数量。 虽然本发明的该实施例可以使用任何类型的探针显微镜等效应用，但是本发明的这方面特别适于通过SNP使用。这是因为SNP被设计成使探针尖离开象素之间的特征，这与基于悬臂的AFM相反(被设计成使探针尖密切跟随特征的轮廓)。 通过使用基于偏斜的测量而不是现有技术中已知的力平衡测量，可以进一步提高精度和生产能力，如前面所讨论的，现有技术SNP通过在使用预定的力将针尖推进表面时测量探针位置，来收集轮廓中的每个数据点。当探针头被降低到探针尖遇到正被探测的特征的表面的那点时，横梁将立刻失去平衡。检测到板之间的电容差，表示横梁倾斜。然后伺服电路意图通过到这两个电容器板的差动电压来重新平衡该横梁。该电压差动与衬底表面施加到探针尖上的力成比例。力平衡测量意图通过从一个象素到另一象素提供恒定的针尖-样品畸变来最小化轮廓描绘失真。不幸的是，高度变化的构形、弹性有限的针尖以及困难的传感器平衡无论如何都使得力平衡方法容易显著失真。 图7示出的曲线图代表对于特定数据点使用力平衡测量的电压差动。线710示出了施加在探针尖上的力作为时间的函数。如该曲线图所示，0-0.02秒的力的值近似为0.4伏特。在该时间帧期间的值示出了基线，换言之，即当针尖正在向表面下降时的力。在0.02秒之后不久开始，该曲线开始上升直至其达到力设定点，如水平线712所示，这表示针尖与表面接触。针尖保持与表面接触一段时间间隔714。然后，力的值逐渐回到基线，这表示针尖离开表面。 图7B的曲线图代表在与图7A相同的时间段期间压电传动器的垂直位置(线716)。如图7A中力数据表示的，时间间隔714代表探针尖在表面上的时间段。时间段714期间的垂直位置数据可以如图所示地被水平线715平均以提供该特定数据点的值。 根据一个优选实施例的另一方面，由本发明示范的基于偏斜的测量通过在探针尖逼近表面期间同时测量探针位置和代表平衡横梁的偏斜的信号，来识别表面的位置。通过平衡信号中的突变来识别碰撞的点，而不是使用现有技术中的力设定点。可以使用快速统计分析来精确识别恰在碰撞点处的探针尖位置。因此，对接触的响应由传感器带宽控制，并且从对力传感器的有限物理响应中分离。通过允许由平衡横梁的物理特性定义的软物理接触，而同时具有对平衡横梁位置的高带宽的了解，这种分离提供了显著的优点。 参照图7C，线720示出了对于与图7A和图7B所示的相同的典型数据点，横梁偏斜作为时间的函数。根据本发明，可以使用已知为F测试的统计操作来处理横梁偏斜数据，该操作比较两个对象总体并且确定它们相互有多么不同。此处，使用环形缓冲器，将拖尾的基线信号与超前偏斜信号比较以确定何时从基线的偏离变得显著。线722示出了使用与用于线720的相同的时间尺度的统计输出。该统计输出表示基线与信号之间最显著的不同发生在事件时间724。发生在事件时间724的线720中的尖峰是探针尖和衬底表面之间的碰撞点的指示。 图7D是与图7B所示的相同的代表在与图7C相同的时间段期间压电传动器716的垂直位置的曲线图。如图7D所示，线716(表示探针位置)与事件时间724(由偏斜信号的统计分析确定)的交叉点用于提供该数据点的值，在该曲线图上示为报告z值726。 或者，在图7A中示出的力数据可以受到相同种类的统计操作以确定何时从力曲线上的基线的偏离变得显著。该力曲线数据的这种统计操作的输出曲线将表现出尖峰，该尖峰表示碰撞的时间，类似于图7C中线720上看到的尖峰。然而，由于力数据是通过将偏斜数据通过PI电路传递产生的，将力数据用于这种统计分析将更慢并且更不直接。 技术人员将认识到使用本发明示范的偏斜模式分析可使得测量数据点所需的时间显著减少。因为平衡不是必需的，探针尖不必在图7B和7D所示的延长的周期保持与衬底表面接触。相反，探针尖几乎可以立即从衬底表面撤回，如图7D中线717所示。 除了实现测量时间的减少之外，使用本发明示范的偏斜模式分析也使得软接触(诸如沿近垂直侧壁的数据点)的灵敏度和精度增加。如前所讨论的，现有技术的力平衡系统在确定水平位置之前，需要由样品施加到探针尖上的力达到某一设定点。当描绘陡峭侧壁时，诸如针尖弯曲和滑动的轮廓失真会降低测量精度和准确性。因为本发明示范的偏斜模式分析识别探针尖和表面之间的初始碰撞，后来的针尖弯曲或滑动将不会影响深度或者水平位置的测量。 根据本发明的一个优选实施例的另一方面，还可以通过使探针尖沿斜的路径逼近衬底表面，而不是现有技术中的纯粹垂直逼近，进一步增加对软接触的灵敏度。如上所述，在现有技术SNP中，探针尖沿纯粹垂直方向移向衬底表面。通常，将样品放入现有技术SNP中以便样品表面(作为整体)垂直于扫描器的z轴。象素定位在特定象素上方并且然后小心地下降直至其被衬底表面阻止。针尖然后从表面缩回到足以跳过任何垂直特征的距离、移动预定水平距离，并且然后垂直向表面移动回来。 不幸的是，也如上面所述，当现有技术意图描绘陡峭侧壁的轮廓时会出现问题。图8A示意性示出了典型现有技术针尖20向陡峭侧壁14垂直降低。如果探针尖20垂直碰撞侧壁14，直到滑动积累起足够的应力和摩擦力，力的垂直分量(SNP测量的)都相对小。因为该典型的探针尖也在侧向有些柔韧性，所以当针尖进一步降低时，通过与斜表面接触而施加在其上的斜力会引起其被该壁的斜坡弯曲。因此，初始接触后遇到的垂直力并不象如果遇到的表面是平面时那样快速增加。直到探针尖20降低到从初始接触点更显著向下的点，力设定点才会被超过，这会导致显著的测量误差。 为了解决这个问题，根据本发明的操作SNP的方法可以使用斜逼近衬底表面。图8B示意性示出了探针尖20根据本发明的这一方面降低。探针尖20不象现有技术中所示范的那样只垂直移动，而是将同时在横向移动，导致向侧壁14斜逼近。在一个优选实施例中，逼近的角度应当垂直或者接近垂直于局部表面角。由于使用倾斜，应力和摩擦力建立得更快，使得更容易检测到垂直力以及防止打滑。技术人员将认识到根据本发明的SNP可能难以检测纯横向力，因为这种力不会使SNP的摇摆平衡横梁不平衡。因此，对于每个陡峭侧壁(接近90度)，优选以小于垂直于取样表面的轨迹移动探针尖，以便可以出现垂直力分量。在任何情况下，甚至对于很陡峭的侧壁，逼近角度将优选为大约30-60度的角度，以避免与侧壁掠接触。最优选地，对于每个侧壁的逼近角将大约为45度。 在一个优选实施例中，可以使用自适应算法预测对于已知的所关心的特征(例如，具有期望构形轮廓的沟槽)的每个数据点的近似表面角。或者，可以使用先前数据点的测量值来计算连续数据点的近似表面斜度。 图9的曲线图代表对于两个不同的向着软接触(诸如陡峭的侧壁)的逼近矢量。线902示出了产生于纯垂直逼近矢量的力的值。线904示出了产生于根据本发明的斜逼近矢量的力值。如图9所示，斜逼近轨迹导致在针尖碰撞侧壁表面之后力曲线更陡地爬行。 根据本发明的优选实施例的这一方面，可以使用更准确的侧向位置传感器来跟踪探针尖的持续变化的横向分量。优选地，扫描器具有足够的横向响应以防止任何有害的横向移动。 现有技术SNP没有能力完整描绘垂直侧壁或者倒凹特征。然而，对于今天的高级掩模，凹角结构的表征是关键。斜逼近轨迹的横向移动使得可能使用SNP来描绘这些类型的结构的轮廓。标准的柱形针尖可用于使用斜逼近轨迹描绘垂直侧壁。为了获得外伸顶下的数据点，凹角轮廓将需要某些程度的横向移动以及长靴状探针尖。如下面将详细讨论的，本发明的一个优选实施例将使用垂直接触传感器来检测非垂直(横向)碰撞。在一些情况下，这种垂直接触传感器甚至可以用于检测纯横向碰撞。这将允许准确描绘垂直和凹角结构的轮廓。 根据本发明的一个优选实施例的一方面，采用横向力检测的方法来防止由于不期望的横向接触导致的针尖损坏。如上所讨论的，现有技术SNP只检测垂直力。因此，为了避免针尖和/或样品损坏，针尖必须升高到衬底上相当的高度以保证针尖在其能够移动到新数据点之前避开所有垂直特征。对于每个被测量的数据点，花费相当大量的时间把针尖从表面上相对大的距离降低并且然后在移向下一个数据点之前将针尖升高回那个相对大的距离。如果能在针尖和/或样品损坏发生之前检测到横向接触，则这些类型的花费大量时间的跳跃将不必要。本发明的一个优选实施例允许比现有技术更快(快3-5倍)地跨越高方位(high aspect)的特征(包括凹角结构)。测量时间的减少也通过最小化漂移误差提高了精度。 根据优选实施例的一个方面，本发明利用自适应算法和横向力检测方法来检测侧壁接触。图10示意性示出了垂直特征的截面图，在这种情况下是半导体芯片上的导电线1001的截面。在每个数据点1010，探针尖(未示出)沿路径V降低到表面，检测...
【专利技术属性】
技术研发人员：E克尼德勒，R林德，L瓦西利埃夫，A伯格豪斯，CE布赖森三世，
申请(专利权)人：FEI公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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