一种微纳深沟槽结构测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种微纳深沟槽结构测量方法及装置，能够同时测量微纳深沟槽结构沟槽深度、宽度和薄膜厚度。其方法是将红外光束投射到含有深沟槽结构的硅片表面，分析从深沟槽结构各分界面反射形成的干涉光得到测量反射光谱；采用等效介质理论构建该深沟槽结构等效多层薄膜堆栈光学模型的理论反射光谱，利用模拟退火算法和基于梯度的优化算法，通过理论反射光谱对该测量反射光谱进行拟合，进而提取沟槽的深度及宽度等集合特征参数，实现了高深宽比深沟槽宽度和深度等尺寸的精确测量。本发明专利技术装置，可实现动态随机存储器（ＤＲＡＭ）上电容器典型深沟槽结构的测量，具有非接触性，非破坏性和低成本的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成电路(IC)和微机电系统(MEMS)器件测量技术， 具体涉及一种微纳深沟槽(深宽比达50:1以上)结构测量方法及装置，该 方法尤其适用于动态随机存储(DRAM)的深沟槽电容器结构深度及宽度
技术介绍
在微电子和微机电系统(MEMS)设计与制造工艺过程中，目前广泛采用 了高深宽比的深沟槽结构，如最新的动态随机存储(DRAM)开始采用复杂的 瓶状深沟槽电容器结构，深度反应离子刻蚀(DRIE)工艺可以很容易制作深 宽比达50:1以上的集成电路和MEMS结构。为了实现有效的工艺控制， 在制造过程中对深沟槽结构的尺寸进行在线、非破坏性的精确检测具有非 常重要的意义。从原理上来看，很多传统方法都可用于沟槽测量，包括基于干涉的表 面形貌测量仪、装有特殊探针的原子力显微镜(AFM, Atomic Force Microscope), 基于剖面制样的扫描电子显微镜(SEM， Scanning Electron Microscope) 和聚焦离子束(FIB, Focused Ion Beam)等。但是，随着90nm及更新先进节 点工艺的不断采用，特征尺寸在不断下降，沟槽深宽比在不断提高，沟槽 形状也变得越来越复杂，上述传统测量方法已经很难甚至根本无法同时满 足工艺控制和优化所需的无接触、非破坏、快速、低成本、高灵敏度等测 量要求。表面形貌测量仪的基本原理是利用光学干涉成像，即被测表面与某个 参考镜表面的反射可以在成像平面上产生干涉现象，形成明暗相间的干涉 图案。如果参考镜产生微小位移，即产生移相，则即使被测表面形貌保持不变，但形成的干涉图案也将发生改变。利用这一相移干涉(PSI, Phase Shifting Interferometry)技术，通过控制参考镜的相移并利用相位去包裹算 法，可以从不同相移下的多幅干涉图案中估计出一幅被测表面的垂向高度 形貌图。基于上述原理的表面形貌仪更适合于测量表面形貌变化缓慢的结 构，可以用来测量特征尺寸较大的浅沟槽，但对于特征尺寸很小且深宽比 很大的深沟槽来说，由于光线无法入射到深沟槽底部并有效反射出来，因 此无法胜任这样的测量任务。原子力显微镜的基本原理是利用原子之间的范德华力来呈现样品的表 面特性。将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针 尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在 极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将 对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向 起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描 各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。为了测量沟槽结构 的尺寸，AFM悬臂梁针尖必须深入到沟槽内部，这对浅沟槽结构测量是可 行的；对于高的深宽比结构则需要改进AFM针尖，以克服针尖深入到沟槽 内部探测的障碍；在深宽比相同但特征尺寸趋向90nm以下时，进一步改进 AFM针尖将面临更大的困难和挑战。扫描电子显微镜的工作原理是利用聚焦电子束在样品表面逐点扫描成 像，以观察样品的表面结构。利用一束极细的电子束扫描样品，在样品表 面激发出次级电子，其多少与电子束入射角即样品的表面结构有关；次级 电子由探测体收集并转换为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信 号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像，反映 了样本的表面结构，可以获得相当高的测量分辨率， 一般为3 6nm。利用 SEM进行结构表面测量，需要谨慎地制备试样；对于沟槽结构测量来说， 由于感兴趣的区域深埋在硅片内部，则需要切开硅片并制成剖面试样。因 此，尽管SEM在微电子领域获得了广泛应用，出现了诸如CD-SEM和断面 SEM的专门设备，但这种方法本身是一种破坏性和损伤性的测量方法，只 能对有限的硅片部位进行测量，不仅测试时间长，而且测试成本高，特别 是难以获得整块硅片的CD等测量分布信息，从而无法为提高良率、解决工艺问题和优化工艺参数提供足够快速而完整的输入信息。聚焦离子束的工作原理是利用聚焦后的离子束扫描样品表面，通过检 测从样品中被激发出的二次电子，形成二次电子像进行观测。其工作原理、 构造和功能与扫描电子显微镜非常类似，在测量沟槽结构时也同样需要先 切开硅片并制成剖面试样，因此同样具有扫描电子显微镜的上述优点和缺点。红外光谱与分子的结构密切相关，是研究表征分子结构的一种有效手 段。与其它方法相比较，红外光谱由于对样品没有任何限制，因而傅立叶 变换红外光谱技术可提供一种无接触、非破坏、快速、低成本和高灵敏度的测量新途径。Yakovlev和Charpenary等人在1998年SPIE会议上撰文 Compact FTIR wafer-state sensors: A new way of in-line ULSI characterization, 提出采用紧凑型红外反射光谱仪进行超大规模集成电路工艺的在 线表征和控制，通过研究外延硅厚度和电阻率测量、嵌入式DRAM深沟槽 集成测试、SOI注入剂量控制、光刻胶性能表征等应用实例。1999年，IBM 公司Watson禾口 Wickramasinghe撰文Measurement of trench depth by infrared interferometry，提出了一种用于测量非接触式、快速测量高深宽比结构沟 槽深度的方法。该方法的基本原理是硅相对于红外光束是透明的，因此， 红外光束可以不一穿透硅片表面和沟槽；由于沟槽底部占空比的突变产生 了光学常数的不连续性；透射光束在底部不连续界面产生反射，与硅片表 面的反射光束产生干涉；通过分析干涉谱图峰值间的距离得到沟槽的深度 值。2002年，在线技术公司Chatpenaiy等人和加州大学柏克利传感器与执 行器中心Bustillo又发表论文Real-time etch-depth measurements of MEMS devices,提出采用红外反射谱技术实现MEMS器件刻蚀深度的实时测量， 可测量lOnm-lOO^im宽度DRIE过程中深沟槽和深孔等多种结构的深度。 以上文章表明了红外反射谱测量法用于90nm节点DRAM加工过程在线 工艺控制和优化的巨大潜力。在兰德尔*S ，蒙特等人的中国专利文献公开号CN1421045A中公开了 一种用于光学检测晶片中的沟槽深度的方法，该方法采用的技术是检测一 多波长光的强度中的某一第一最大值，对应顶部沟槽表面的反射；同时检 测一多波长光的强度中的某一第二最大值，对应底部沟槽表面的反射；进 而确定在该第一最大值与该第二个最大值之间的某一最大峰值间距，从而 获得对应的沟槽深度。在安德鲁 烕克斯 屈恩等人的中国专利文献公开号CN1774639A中 公开了一种用于现场监测和控制膜厚及沟槽深度的方法，该专利技术首先通过 诸如现场监视的方法从晶圆的表面搜集反射率数据并生成参考光谱，然后 从当前测量光谱与参考光谱的比率来确定归一化反射率，进而确定半导体 晶圆上的层厚和沟槽深度等数据。在Halle等人的欧洲专利号EP1018632A3中公开了一种基于红外反射 谱测量刻蚀材料的深度的方法及装置，该专利技术提出了一种基于红外反射谱 测量半导体填充沟槽刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微纳深沟槽结构测量方法，其步骤包括：（Ａ）将红外激光束投射到被测硅片表面的深沟槽区域，红外激光束的波长为１．４μｍ－２８μｍ；（Ｂ）硅片表面的反射光束、沟槽底部的反射光束以及从其它分界面的反射光束产生干涉，利用红外探测器 接收该干涉信号，分析得到反射光谱特征数据；（Ｃ）根据深沟槽结构特点选取多层薄膜堆栈光学模型，描述深沟槽结构的光学参数；（Ｄ）利用公式（Ⅰ）计算薄膜堆栈的反射系数，再利用计算得到的各波长下的等效薄膜堆栈的反射系数获得该沟槽结构 的反射光谱；ｒ＝Ｍ↓［２１］／Ｍ↓［１１］（Ⅰ）其中，＊＊＊，Ｄ↓［０］是环境的光学特征矩阵，Ｄ↓［ｓ］是基底的光学特征矩阵，Ｄ↓［ｌ］是膜堆栈第ｌ层的折射率和折射角的矩阵函数，Ｐ↓［ｌ］是第ｌ层相位变化角的矩阵函数；　 　（Ｅ）通过等效光学模型反射光谱拟合反射光谱，提取得到薄膜厚度、沟槽深度和沟槽宽度。

【技术特征摘要】
1、一种微纳深沟槽结构测量方法，其步骤包括(A)将红外激光束投射到被测硅片表面的深沟槽区域，红外激光束的波长为1.4μm-28μm；(B)硅片表面的反射光束、沟槽底部的反射光束以及从其它分界面的反射光束产生干涉，利用红外探测器接收该干涉信号，分析得到反射光谱特征数据；(C)根据深沟槽结构特点选取多层薄膜堆栈光学模型，描述深沟槽结构的光学参数；(D)利用公式(I)计算薄膜堆栈的反射系数，再利用计算得到的各波长下的等效薄膜堆栈的反射系数获得该沟槽结构的反射光谱；2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(C)将深沟槽结构等效为多层均匀薄膜堆桟模型，根据公式(II)计算深沟槽结构所对应的各等效层的电介质常数e:<formula>formula see original document page 2</formula>其中，^是该等效层所对应的沟槽结构层主要材料的电介质常数，为是 该等效层所对应的沟槽结构层中第/种其他介质所占的体积百分比，S,.是该 等效层所对应的沟槽结构层中第y种其他介质的电介质常数，J为沟槽结构层中其他介质种类所对应的序号，/取值为1至N， N为沟槽结构层中介 质种类数。3、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤(E)按照下述过程进行处理(El)记步骤(C)测得的沟槽结构反射光谱为/ w，步骤(D)计算的 该沟槽结构等效光学模型的反射光谱为为A(,， 7…,，《)， …,为 介质复折射率，A…J,.为等效层薄膜厚度；建立i^与^最小二乘拟合参数 式如式(III):<formula>formula see original document page 3</formula> (III) 求解式(m)，得到使x,，《 …, ， 4)为最小的一组参数;，A…,，《,，其中，A…《为各等效层厚度，即沟槽结构各层深度值；(E2)通过 …,计算得到各等效层等效电介质常数e广w,，再根据 公式(II)计算各层沟槽宽度。4、 一种微纳深沟槽结构测量装置，其特征在于该装置包括红外光源 (21)、干涉仪(22)、探测光路(23)、样品台(24)、接收光路(25)、探测器(26)、放大器(27)、滤波器(28)、模数转换器(29)和计算机(30); 红外光源(21)、干涉仪(22)和探测光路(23)依次位于同一光路上，探 测光路(23)的出射光与样品台(24)的上表面法线之间的夹角为45°，接 收光路(25)与样品台(24)上表面法线之间的夹角为45。，探测器(26) 位于接收光路(25)的出光口，探测器(26)、放大器(27)和滤波器(28) 依次相连，滤波器(28)通过模数转换器(29)与计算机(30)连接；红外光源(21)出射光经过干涉仪(22)进入探测光路(23)，经探测 光路(23)校准后，入射到位于样品台(24)上的样品表面，然后从样品 上反射的带有沟槽结构信息的光束进入接收光路(25)，接收光路(25)将 发散光束变成平行光束出射至探测器(26);探测器(26)将光信号转换为 电信号，再经放大器(27)放大后送入滤波器(28)，滤波器(28)进行滤 波，去除杂散信号，再经过模数转换器(29)送入计算机(30)进行处理。5、 根...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘世元，史铁林，张传维，顾华勇，沈宏伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]