[实用新型]一种微纳深沟槽结构测量装置

说明书

技术领域

本实用新型属于集成电路(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的测量。

背景技术

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 Micro-scope)、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，PhaseShifting 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。