散射方法測(cè)量嵌入式SiGe間隔結(jié)構(gòu)

        散射測(cè)量方法日益應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的測(cè)量，并逐漸在間隔層的量測(cè)中占據(jù)主導(dǎo)地位。數(shù)量級(jí)在10nm或更薄的間隔層測(cè)量尤其困難。除間隔層厚度外，由間隔層過(guò)刻蝕導(dǎo)致的基板凹陷深度也對(duì)器件有著明顯的影響。嵌入式SiGe通過(guò)刻蝕出溝道并填充SiGe來(lái)將其嵌入到SOI基板中，它的引入增加了測(cè)量的難度。和柵極電介質(zhì)的底部相比，溝槽可能會(huì)出現(xiàn)欠填充或過(guò)填充的現(xiàn)象。對(duì)大量欠填充或過(guò)填充的測(cè)量對(duì)器件性能的監(jiān)控是非常重要的。

本文討論了用于測(cè)量eSiGe溝槽的復(fù)雜薄間隔PFET結(jié)構(gòu)的散射測(cè)量方法。間隔層厚度和eSiGe溝槽的過(guò)填充量是該類(lèi)結(jié)構(gòu)的重要測(cè)量參數(shù)。通過(guò)測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)，可以了解不同系統(tǒng)間測(cè)量性能上的差異。與舊系統(tǒng)比較，新系統(tǒng)的光學(xué)元件顯著提高了參數(shù)的動(dòng)態(tài)可重復(fù)性，同時(shí)將波長(zhǎng)范圍延伸到了深紫外光 (DUV)，而這個(gè)波長(zhǎng)范圍對(duì)測(cè)量參數(shù)有極大的靈敏度，顯著提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)45nm節(jié)點(diǎn)SOI技術(shù)的NFET與PFET結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)結(jié)構(gòu)包含一個(gè)間距為190nm的多晶硅柵極，其氧化物間隔層厚度約為10nm左右。測(cè)量的PFET 結(jié)構(gòu)包含過(guò)填充的eSiGe。評(píng)估的參數(shù)包括PFET和NFET氧化物間隔層的厚度，以及PFET的過(guò)填充量。上述兩種結(jié)構(gòu)樣本的TEM如圖1所示。

本實(shí)驗(yàn)采用的樣品為經(jīng)過(guò)間隔層刻蝕工藝的6枚晶圓。在這一組晶圓中，確保兩個(gè)參數(shù)不一樣，一個(gè)是間隔淀積厚度，它會(huì)形成不同厚度的間隔層；另一個(gè)是間隔層過(guò)刻蝕量，它會(huì)形成不同的NFET凹陷深度和PFET過(guò)填充量。采用的設(shè)備是Spectra CD200（SCD）散射測(cè)量系統(tǒng)和新一代平臺(tái)NGP。

本文把波長(zhǎng)范圍在235nm以上的光源定義為“紫外光 (UV)”，而把波長(zhǎng)范圍為150nm～235nm的光源定義為“深紫外光 (DUV)”。創(chuàng)建2個(gè)NFET模型并進(jìn)行比較，每個(gè)系統(tǒng)均使用相同的波長(zhǎng)，并確保所有波長(zhǎng)在紫外光的范圍內(nèi)。此外還采用相同的光學(xué)常數(shù) (n＆k)，以及相同的固定和浮動(dòng)模型參數(shù)。5個(gè)浮動(dòng)參數(shù)分別是：氧化物間隔層厚度、柵極多晶硅關(guān)鍵尺寸的MCD、柵極多晶硅高度、SOI厚度和埋層氧化物厚度。

同樣也創(chuàng)建2個(gè)PFET模型，與NFET模型類(lèi)似，也使用相同的固定與浮動(dòng)模型參數(shù)。PFET模型中的7個(gè)浮動(dòng)參數(shù)分別是氧化物間隔層厚度、柵極多晶硅 MCD、柵極多晶硅高度、SOI梯形高度、余下的SOI厚度、埋層氧化物厚度以及eSiGe過(guò)填充量。圖2 展示了NFET與PFET模型的示意圖。

結(jié)果
光學(xué)常數(shù)的確定
由于光學(xué)常數(shù)或散射參數(shù)對(duì)最后的建模結(jié)果有著重大的影響，因此確定正確的光學(xué)常數(shù)或散射參數(shù)是非常關(guān)鍵的。確定SCD紫外光薄膜常數(shù)可采用常見(jiàn)的疊加堆棧辦法。這種方法是在有圖形的實(shí)驗(yàn)晶圓上收集經(jīng)過(guò)多個(gè)工藝步驟后的平坦薄膜區(qū)光譜，直至間隔層刻蝕。這一過(guò)程可以追蹤每一道工藝是如何影響不同材料的薄膜性能的。

確定NGP PFET模型的光學(xué)常數(shù)則更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)晶圓不能像SCD應(yīng)用那樣，可在每個(gè)工藝步驟后測(cè)量。除帶有氧化物間隔層薄膜的無(wú)圖形晶圓外，所有薄膜光譜的收集只能在這6片晶圓的間隔層刻蝕之后，在三個(gè)不同的平坦襯底上進(jìn)行。這些襯底的示意圖如圖3所示。利用在DUV與UV范圍測(cè)得的光譜數(shù)據(jù)創(chuàng)建合適的散射參數(shù)。換而言之，將來(lái)自這兩個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域的光譜首次進(jìn)行合并，然后創(chuàng)建散射參數(shù)。此外，在這個(gè)合并后的光譜范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)DUV與UV散射參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，而不是單獨(dú)優(yōu)化，然后拼接在一起。雖然這種方法面臨更多的挑戰(zhàn)，但可以防止產(chǎn)生無(wú)規(guī)律的不連續(xù)光學(xué)常數(shù)，或在235nm躍遷波長(zhǎng)處產(chǎn)生衍生數(shù)據(jù)。

DUV的穿透深度相對(duì)較淺，這樣可以在平坦襯底區(qū)獲得上層薄膜特性（圖3）。該上層薄膜特性獨(dú)立于下層薄膜特性以及由于受后續(xù)工藝步驟的影響而導(dǎo)致的不確定性。對(duì)比來(lái)看，UV和可見(jiàn)光具有更深的穿透深度，因此該光譜對(duì)下層薄膜的不確定性更敏感，更難以得到上層薄膜的特性。所以，缺乏適當(dāng)?shù)挠糜诒∧ぬ卣髅枋龅木A可能會(huì)影響NGP PFET薄膜的散射質(zhì)量，尤其是在UV波長(zhǎng)范圍內(nèi)。

光譜靈敏度
光譜靈敏度是確定設(shè)備能否很好地測(cè)量某一給定參數(shù)的方法之一。每個(gè)波長(zhǎng)范圍（UV或DUV）均有一個(gè)與測(cè)量參數(shù)相關(guān)的靈敏度值，表示信噪比數(shù)值。靈敏度比率（DUV/UV）是一個(gè)定量指標(biāo)，用于說(shuō)明在測(cè)量某一給定參數(shù)時(shí)，DUV光學(xué)元件比UV光學(xué)元件更敏感的程度。測(cè)量不同芯片上同一位置的光譜信息，并把它們標(biāo)識(shí)出來(lái)，是一個(gè)很好的顯現(xiàn)光譜靈敏度的方式。

從兩片晶圓的每一片中選擇相同的中心芯片。每對(duì)晶圓的工藝條件都相同，只有淀積的厚度或間隔層過(guò)刻蝕量（影響過(guò)填充量）不同。圖4顯示了兩個(gè)芯片上不同的間隔薄膜淀積條件下的光譜疊圖比較。兩個(gè)芯片上的散射測(cè)量樣本采用TEM分析。分析表明，這兩個(gè)芯片的間隔層厚度之差為4.4nm。由于波長(zhǎng)在DUV范圍內(nèi)的光譜有更多的差異性，DUV光學(xué)元件對(duì)NFET間隔層厚度的改變比UV光學(xué)元件更敏感。事實(shí)上，這一靈敏度的變化發(fā)生在DUV與UV的波長(zhǎng)躍遷處。DUV/UV的靈敏度比值為3.7，這意味著當(dāng)測(cè)量這些厚度的變化時(shí)，DUV的靈敏度是UV的3.7倍。

圖5顯示了不同淀積條件下，兩個(gè)波段對(duì)PFET間隔層厚度變化的靈敏度。TEM的分析表明間隔層厚度之差為4.6nm。DUV光學(xué)元件對(duì)厚度的變化更敏感，在DUV/UV波長(zhǎng)躍遷區(qū)，靈敏度開(kāi)始再次發(fā)生變化。靈敏度比率表明，對(duì)PFET間隔層厚度的變化而言，DUV的靈敏度是UV的4.8倍。

圖6顯示了兩個(gè)芯片在不同的過(guò)刻蝕量以及不同的PFET過(guò)填充量條件下的比較。晶圓組中其它芯片的TEM結(jié)果表明，這兩個(gè)芯片的過(guò)填充量差約為3nm或更少。再次證明了DUV更為敏感，其靈敏度變化大約發(fā)生在DUV與UV的波長(zhǎng)躍遷區(qū)，靈敏度比率為1.6。

從6枚實(shí)驗(yàn)晶圓中收集短期動(dòng)態(tài)重復(fù)性（STDR）數(shù)據(jù)。分別在每枚晶圓中選擇9個(gè)芯片，并對(duì)每個(gè)芯片循環(huán)測(cè)量10次，以此來(lái)確定STDR數(shù)據(jù)。對(duì)每個(gè)芯片可進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量，其平均值便是晶圓的STDR數(shù)據(jù)，然后再將這個(gè)平均值轉(zhuǎn)換成一個(gè)3σ值。圖7顯示了STDR的結(jié)果。結(jié)果表明，NGP間隔層測(cè)量的STDR比SCD間隔層測(cè)量的STDR約低2.5至3倍。而對(duì)于PFET過(guò)填充量，NGP的STDR較SCD約降低了2倍。

準(zhǔn)確性
與從光譜保真度方面來(lái)評(píng)估準(zhǔn)確性的方法不同，本實(shí)驗(yàn)采用總量測(cè)不確定度(TMU)分析方法，從最終測(cè)量的參數(shù)間隔層厚度和PFET過(guò)填充量方面來(lái)評(píng)估準(zhǔn)確性，TEM作為參考測(cè)量系統(tǒng) (RMS)。對(duì)于NFET結(jié)構(gòu)，對(duì)每個(gè)柵極結(jié)構(gòu)的TEM 圖像上4個(gè)不同位置進(jìn)行了間隔層厚度測(cè)量，每個(gè)位置測(cè)量2次。而每個(gè)散射測(cè)量樣本共對(duì)3張柵極圖像進(jìn)行了測(cè)量，因此每個(gè)散射測(cè)量樣本總共可收集12個(gè)厚度測(cè)量數(shù)據(jù)。而對(duì)于PFET結(jié)構(gòu)，可在每張柵極圖片上的間隔層分散選擇10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行間隔層厚度測(cè)量，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量5次。每張柵極圖片選擇2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行過(guò)填充量的測(cè)量。這樣，每個(gè)散射樣本共對(duì)3張PFET柵極圖像進(jìn)行了測(cè)量，因此每個(gè)樣本一共可以收集30個(gè)間隔層厚度和6個(gè)過(guò)填充量的測(cè)量數(shù)據(jù)。

在散射樣本上進(jìn)行大量的TEM取樣，成本較高，難度也較大。因此TEM取樣僅限于每個(gè)散射測(cè)量樣本的中心位置，沒(méi)有考慮樣本之間在厚度和過(guò)填充量上的差異性。首先對(duì)NFET間隔層厚度的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估。圖8為SCD和NGP在測(cè)量間隔層厚度時(shí)TMU的差異。可以看出NGP TMU值得到了一定的改進(jìn)：從1.48nm降至1.21nm，減少了18％。必須指出的是，由于取樣有限，TMU值可能會(huì)存在較大的不確定性，所以間隔層厚度TMU的改進(jìn)不是決定性的。

接下來(lái)對(duì)PFET間隔層厚度的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估，其評(píng)估結(jié)果如圖9所示。在該評(píng)估中，如上所述，NGP可以充分利用UV和DUV各自的波長(zhǎng)范圍優(yōu)勢(shì)，但這兩種模式仍然使用相同的固定和浮動(dòng)模型參數(shù)。結(jié)果表明，與SCD相比，NGP TMU得到了顯著的改進(jìn)：TMU從2.44nm 降至1.31nm，減少了46％。雖然TMU的誤差范圍較大，但是與NFET相比，其誤差范圍重疊的情況要少很多。

最后對(duì)PFET過(guò)填充量的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如圖10所示。NGP實(shí)現(xiàn)了少許改進(jìn)，TMU從3.08nm降至2.78nm，減少了10％，過(guò)填充量值的變化幅度很小。此外，由于邊界相關(guān)性較為模糊，因此難以從TEM 圖片中對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

結(jié)論
薄間隔層的特性描述對(duì)先進(jìn)設(shè)備的監(jiān)控尤為重要。與現(xiàn)有SpectraCD200平臺(tái) (SCD) 相比，新一代硬件平臺(tái)NGP可提高45nm節(jié)點(diǎn)薄間隔層的測(cè)量質(zhì)量。NGP可通過(guò)其先進(jìn)的光譜橢圓偏光法(SE)光學(xué)元件以及低至150nm的更廣泛的波長(zhǎng)范圍來(lái)提高測(cè)量質(zhì)量。結(jié)果顯示，NGP的短期動(dòng)態(tài)重復(fù)性(STDR)較SCD降低2.5～3倍，TMU則提高了18％。與UV波長(zhǎng)范圍相比，DUV波長(zhǎng)范圍對(duì)間隔層厚度變化的靈敏度提高3.7倍。

PFET結(jié)構(gòu)通常用于研究NGP如何提高間隔層厚度和過(guò)填充量的測(cè)量質(zhì)量。NGP擁有更廣泛的波長(zhǎng)范圍及先進(jìn)的光學(xué)元件，可充分利用該模型以展示其組合優(yōu)勢(shì)。雖然模型使用了不同的散射文件和波長(zhǎng)范圍，但它們共享相同的固定與浮動(dòng)建模參數(shù)。對(duì)于PFET結(jié)構(gòu)，DUV波長(zhǎng)對(duì)間隔層厚度變化的靈敏度較UV波長(zhǎng)提高了4.8倍；DUV波長(zhǎng)對(duì)過(guò)填充量的靈敏度較UV波長(zhǎng)則提高了1.6倍。通過(guò)使用NGP，既可將過(guò)填充量的STDR降低2倍，也可使間隔層厚度的STDR降低3倍。此外，還可將間隔層厚度的TMU提高46％。雖然這兩個(gè)系統(tǒng)的置信區(qū)間有一定的重疊，但重疊部分非常小，因此可以確定NGP有很大的改進(jìn)。雖然過(guò)填充量的TMU提高了10％，但由于采樣的局限性，誤差范圍較大。

NGP的先進(jìn)SE光學(xué)元件能降低光與電噪聲，因此可實(shí)現(xiàn)STDR的顯著降低，同時(shí)延展的波長(zhǎng)范圍還能顯著提升測(cè)量參數(shù)的準(zhǔn)確度。因?yàn)榕cUV相比，DUV對(duì)間隔層厚度變化具有更高的靈敏度。