AFM：應(yīng)對65nm以下測量技術(shù)挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體工業(yè)目前已經(jīng)進(jìn)入65納米及以下技術(shù)時代，關(guān)鍵特征通常為納米級，如此小特征的制造工藝要求特殊的測量儀器，以便能夠表征出納米級幾何尺寸，從而檢驗(yàn)出任何偏離工藝規(guī)格中心值的情況，確保與設(shè)計(jì)規(guī)格保持一致。

掃描探針顯微鏡(SPM)已經(jīng)應(yīng)用在納米技術(shù)和納米科學(xué)中，主要包括以結(jié)構(gòu)、機(jī)械、磁性、形貌、電學(xué)、化學(xué)、 生物、工程等為基礎(chǔ)的研究和工業(yè)應(yīng)用。原子力顯微鏡(AFM)是以顯微力感應(yīng)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(jī)臺，自動的硅片操作、對準(zhǔn)、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(diǎn)中表征刻蝕和化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的尺寸測量的先進(jìn)幾何控制方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造業(yè)，與半導(dǎo)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(diǎn)

除AFM以外，CD SEM、橫截面SEM(X-SEM), TEM、Dual Beam、光學(xué)散射測量、光學(xué)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(rèn)為最值得信任的3D尺寸分析方法應(yīng)該是X-SEM或TEM，但是X-SEM或TEM的主要障礙是樣品制備、機(jī)臺操作、時間以及費(fèi)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(dǎo)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(xué)散射測量具有快速和準(zhǔn)確的特點(diǎn)，但是只能在特殊設(shè)計(jì)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?？臻g分辨率和光斑尺寸會限制Ｘ射線、光學(xué)厚度、或形貌測定儀器的應(yīng)用。

由于AFM的獨(dú)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(yīng)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(yīng)用方面，它比光學(xué)或探針輪廓儀具有更高的分辨率。

AFM可以在線測量當(dāng)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(xué)特性或是組成。AFM對于最新的先進(jìn)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(yīng)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(dǎo)體工業(yè)贏得了廣泛應(yīng)用，并且其在130納米及更小尺寸中的應(yīng)用正在增加。在應(yīng)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(jìn)行橫截面輪廓的工程分析，是在線散射測量和CD校準(zhǔn)以及追蹤的極好的參考。表1為自動AFM測量的典型應(yīng)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(jìn)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(biāo)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(dú)特的應(yīng)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(fèi)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(zhǔn)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(diǎn)，可以在轉(zhuǎn)換位置編程出圖象分析，從而計(jì)算氮化物底部CD和硅頂部的CD。AFM可以對整片硅片進(jìn)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(jìn)行化學(xué)機(jī)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(shí)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(xué)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(shí)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(diǎn)進(jìn)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(yīng)用如圖5所示的一種被稱為&ldquo;間距掃描”的方法，AFM可以對每個點(diǎn)的多個凹槽孔進(jìn)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(jìn)行多點(diǎn)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&ldquo;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(diǎn)達(dá)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?yàn)樵诰€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(jì)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(jìn)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(jì)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(jī)臺或進(jìn)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(diǎn)是CD和輪廓的多重關(guān)鍵幾何測量可以直接從單獨(dú)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(bǔ)償值。如圖7所示，AFM也可以直接掃描真實(shí)電路特征來進(jìn)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(jìn)行連續(xù)實(shí)驗(yàn)，而不是將硅片廢棄。AFM可以在CD掃描模式下進(jìn)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(diǎn)，測量者運(yùn)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(jìn)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(diǎn)對一個特征進(jìn)行多線的同時掃描，從而搜集足夠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)臺匹配得以實(shí)現(xiàn)，確保Fab1的30納米確實(shí)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(jìn)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(jìn)行掃描。隨著AFM探針技術(shù)的進(jìn)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)。