專利名稱：一種微納深溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路(IC)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件測(cè)量技術(shù)， 具體涉及一種微納深溝槽(深寬比達(dá)50:1以上)結(jié)構(gòu)測(cè)量方法及裝置，該 方法尤其適用于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)(DRAM)的深溝槽電容器結(jié)構(gòu)深度及寬度背景技術(shù)在微電子和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)設(shè)計(jì)與制造工藝過(guò)程中，目前廣泛采用 了高深寬比的深溝槽結(jié)構(gòu)，如最新的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)(DRAM)開(kāi)始采用復(fù)雜的 瓶狀深溝槽電容器結(jié)構(gòu)，深度反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)工藝可以很容易制作深 寬比達(dá)50:1以上的集成電路和MEMS結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)有效的工藝控制， 在制造過(guò)程中對(duì)深溝槽結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行在線、非破壞性的精確檢測(cè)具有非 常重要的意義。從原理上來(lái)看，很多傳統(tǒng)方法都可用于溝槽測(cè)量，包括基于干涉的表 面形貌測(cè)量?jī)x、裝有特殊探針的原子力顯微鏡(AFM, Atomic Force Microscope), 基于剖面制樣的掃描電子顯微鏡(SEM， Scanning Electron Microscope) 和聚焦離子束(FIB, Focused Ion Beam)等。但是，隨著90nm及更新先進(jìn)節(jié) 點(diǎn)工藝的不斷采用，特征尺寸在不斷下降，溝槽深寬比在不斷提高，溝槽 形狀也變得越來(lái)越復(fù)雜，上述傳統(tǒng)測(cè)量方法已經(jīng)很難甚至根本無(wú)法同時(shí)滿 足工藝控制和優(yōu)化所需的無(wú)接觸、非破壞、快速、低成本、高靈敏度等測(cè) 量要求。表面形貌測(cè)量?jī)x的基本原理是利用光學(xué)干涉成像，即被測(cè)表面與某個(gè) 參考鏡表面的反射可以在成像平面上產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，形成明暗相間的干涉 圖案。如果參考鏡產(chǎn)生微小位移，即產(chǎn)生移相，則即使被測(cè)表面形貌保持
不變，但形成的干涉圖案也將發(fā)生改變。利用這一相移干涉(PSI, Phase Shifting Interferometry)技術(shù)，通過(guò)控制參考鏡的相移并利用相位去包裹算 法，可以從不同相移下的多幅干涉圖案中估計(jì)出一幅被測(cè)表面的垂向高度 形貌圖?；谏鲜鲈淼谋砻嫘蚊矁x更適合于測(cè)量表面形貌變化緩慢的結(jié) 構(gòu)，可以用來(lái)測(cè)量特征尺寸較大的淺溝槽，但對(duì)于特征尺寸很小且深寬比 很大的深溝槽來(lái)說(shuō)，由于光線無(wú)法入射到深溝槽底部并有效反射出來(lái)，因 此無(wú)法勝任這樣的測(cè)量任務(wù)。原子力顯微鏡的基本原理是利用原子之間的范德華力來(lái)呈現(xiàn)樣品的表 面特性。將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針 尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在 極微弱的排斥力，通過(guò)在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將 對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向 起伏運(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)檢測(cè)法或隧道電流檢測(cè)法，可測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描 各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。為了測(cè)量溝槽結(jié)構(gòu) 的尺寸，AFM懸臂梁針尖必須深入到溝槽內(nèi)部，這對(duì)淺溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量是可 行的；對(duì)于高的深寬比結(jié)構(gòu)則需要改進(jìn)AFM針尖，以克服針尖深入到溝槽 內(nèi)部探測(cè)的障礙；在深寬比相同但特征尺寸趨向90nm以下時(shí)，進(jìn)一步改進(jìn) AFM針尖將面臨更大的困難和挑戰(zhàn)。掃描電子顯微鏡的工作原理是利用聚焦電子束在樣品表面逐點(diǎn)掃描成 像，以觀察樣品的表面結(jié)構(gòu)。利用一束極細(xì)的電子束掃描樣品，在樣品表 面激發(fā)出次級(jí)電子，其多少與電子束入射角即樣品的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)；次級(jí) 電子由探測(cè)體收集并轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，再經(jīng)光電倍增管和放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?號(hào)來(lái)控制熒光屏上電子束的強(qiáng)度，顯示出與電子束同步的掃描圖像，反映 了樣本的表面結(jié)構(gòu)，可以獲得相當(dāng)高的測(cè)量分辨率， 一般為3 6nm。利用 SEM進(jìn)行結(jié)構(gòu)表面測(cè)量，需要謹(jǐn)慎地制備試樣；對(duì)于溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量來(lái)說(shuō)， 由于感興趣的區(qū)域深埋在硅片內(nèi)部，則需要切開(kāi)硅片并制成剖面試樣。因 此，盡管SEM在微電子領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了諸如CD-SEM和斷面 SEM的專門(mén)設(shè)備，但這種方法本身是一種破壞性和損傷性的測(cè)量方法，只 能對(duì)有限的硅片部位進(jìn)行測(cè)量，不僅測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，而且測(cè)試成本高，特別 是難以獲得整塊硅片的CD等測(cè)量分布信息，從而無(wú)法為提高良率、解決工藝問(wèn)題和優(yōu)化工藝參數(shù)提供足夠快速而完整的輸入信息。聚焦離子束的工作原理是利用聚焦后的離子束掃描樣品表面，通過(guò)檢 測(cè)從樣品中被激發(fā)出的二次電子，形成二次電子像進(jìn)行觀測(cè)。其工作原理、 構(gòu)造和功能與掃描電子顯微鏡非常類似，在測(cè)量溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)也同樣需要先 切開(kāi)硅片并制成剖面試樣，因此同樣具有掃描電子顯微鏡的上述優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。紅外光譜與分子的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，是研究表征分子結(jié)構(gòu)的一種有效手 段。與其它方法相比較，紅外光譜由于對(duì)樣品沒(méi)有任何限制，因而傅立葉 變換紅外光譜技術(shù)可提供一種無(wú)接觸、非破壞、快速、低成本和高靈敏度的測(cè)量新途徑。Yakovlev和Charpenary等人在1998年SPIE會(huì)議上撰文 "Compact FTIR wafer-state sensors: A new way of in-line ULSI characterization", 提出采用緊湊型紅外反射光譜儀進(jìn)行超大規(guī)模集成電路工藝的在 線表征和控制，通過(guò)研究外延硅厚度和電阻率測(cè)量、嵌入式DRAM深溝槽 集成測(cè)試、SOI注入劑量控制、光刻膠性能表征等應(yīng)用實(shí)例。1999年，IBM 公司W(wǎng)atson禾口 Wickramasinghe撰文"Measurement of trench depth by infrared interferometry"，提出了一種用于測(cè)量非接觸式、快速測(cè)量高深寬比結(jié)構(gòu)溝 槽深度的方法。該方法的基本原理是硅相對(duì)于紅外光束是透明的，因此， 紅外光束可以不一穿透硅片表面和溝槽；由于溝槽底部占空比的突變產(chǎn)生 了光學(xué)常數(shù)的不連續(xù)性；透射光束在底部不連續(xù)界面產(chǎn)生反射，與硅片表 面的反射光束產(chǎn)生干涉；通過(guò)分析干涉譜圖峰值間的距離得到溝槽的深度 值。2002年，在線技術(shù)公司Chatpenaiy等人和加州大學(xué)柏克利傳感器與執(zhí) 行器中心Bustillo又發(fā)表論文"Real-time etch-depth measurements of MEMS devices",提出采用紅外反射譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)MEMS器件刻蝕深度的實(shí)時(shí)測(cè)量， 可測(cè)量lOnm-lOO^im寬度DRIE過(guò)程中深溝槽和深孔等多種結(jié)構(gòu)的深度。 以上文章表明了紅外反射譜測(cè)量法用于90nm節(jié)點(diǎn)DRAM加工過(guò)程在線 工藝控制和優(yōu)化的巨大潛力。在蘭德?tīng)?S ，蒙特等人的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)號(hào)CN1421045A中公開(kāi)了 一種用于光學(xué)檢測(cè)晶片中的溝槽深度的方法，該方法采用的技術(shù)是檢測(cè)一 多波長(zhǎng)光的強(qiáng)度中的某一第一最大值，對(duì)應(yīng)頂部溝槽表面的反射；同時(shí)檢 測(cè)一多波長(zhǎng)光的強(qiáng)度中的某一第二最大值，對(duì)應(yīng)底部溝槽表面的反射；進(jìn) 而確定在該第一最大值與該第二個(gè)最大值之間的某一最大峰值間距，從而 獲得對(duì)應(yīng)的溝槽深度。在安德魯 烕克斯 屈恩等人的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)號(hào)CN1774639A中 公開(kāi)了一種用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和控制膜厚及溝槽深度的方法，該發(fā)明首先通過(guò) 諸如現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視的方法從晶圓的表面搜集反射率數(shù)據(jù)并生成參考光譜，然后 從當(dāng)前測(cè)量光譜與參考光譜的比率來(lái)確定歸一化反射率，進(jìn)而確定半導(dǎo)體 晶圓上的層厚和溝槽深度等數(shù)據(jù)。在Halle等人的歐洲專利號(hào)EP1018632A3中公開(kāi)了一種基于紅外反射 譜測(cè)量刻蝕材料的深度的方法及裝置，該發(fā)明提出了一種基于紅外反射譜 測(cè)量半導(dǎo)體填充溝槽刻蝕凹陷深度的方法，運(yùn)用紅外光束探照半導(dǎo)體材料 表面，通過(guò)分析從溝槽結(jié)構(gòu)各層分界面反射形成的干涉光譜從而得到實(shí)驗(yàn) 反射譜，采用最小二乘法等方法擬合出理論多層薄膜光學(xué)模型反射譜，進(jìn) 而提取理論模型薄膜厚度，即近似得到掩模層厚度和填充溝槽凹陷部分深 度。以上方法都只能針對(duì)淺溝槽結(jié)構(gòu)的溝槽深度或薄膜厚度的測(cè)量，且溝 槽的寬度信息為己知。隨著90nm及更先進(jìn)節(jié)點(diǎn)工藝的采用，上述方法很難 滿足高深寬比(50:1以上)深溝槽結(jié)構(gòu)溝槽深度及寬度測(cè)量的要求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種微納深溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量方法，該方法可以同 時(shí)對(duì)溝槽深度、寬度和薄膜厚度進(jìn)行測(cè)量，具有非接觸性，非破壞性和低 成本的特點(diǎn)，本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。本發(fā)明提供的微納深溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量方法，其步驟包括(A) 將紅外激光束投射到被測(cè)硅片表面的深溝槽區(qū)域，紅外激光束的波長(zhǎng)為1.4卩m-28um;(B) 硅片表面的反射光束、溝槽底部的反射光束以及從其它分界面的 反射光束產(chǎn)生干涉，利用紅外探卿器接收該干涉信號(hào)，分析得到反射光譜特征數(shù)據(jù)；(C) 根據(jù)深溝槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取多層薄膜堆棧光學(xué)模型，描述深溝槽結(jié) 構(gòu)的光學(xué)參數(shù)；(D) 利用公式(I)計(jì)算薄膜堆桟的反射系數(shù)，再利用計(jì)算得到的各 波長(zhǎng)下的等效薄膜堆棧的反射系數(shù)獲得該溝槽結(jié)構(gòu)的反射光譜；<formula>formula see original document page 10</formula>其中，:11 =12 =a—'[riA^力化，D。是環(huán)境的光學(xué)特征矩陣，a是基底的光學(xué)特征矩陣，a是膜堆棧第/層的折射率和折射角的矩陣函數(shù)，尸,是第/層相位變化角的矩陣函數(shù)；(E)通過(guò)等效光學(xué)模型反射光譜擬合反射光譜，提取得到薄膜厚度、 溝槽深度和溝槽寬度。本發(fā)明提供的微納深溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量裝置，其特征在于該裝置包括紅 外光源、干涉儀、探測(cè)光路、樣品臺(tái)、接收光路、探測(cè)器、放大器、濾波 器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)；紅外光源、干涉儀和探測(cè)光路依次位于同一光 路上，探測(cè)光路的出射光與樣品臺(tái)的上表面法線之間的夾角為45。，接收光 路與樣品臺(tái)上表面法線之間的夾角為45°,探測(cè)器位于接收光路的出光口， 探測(cè)器、放大器和濾波器依次相連，濾波器通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)連接；紅外光源出射光經(jīng)過(guò)干涉儀進(jìn)入探測(cè)光路，經(jīng)探測(cè)光路校準(zhǔn)后，入射 到位于樣品臺(tái)上的樣品表面，然后從樣品上反射的帶有溝槽結(jié)構(gòu)信息的光 束進(jìn)入接收光路，接收光路將發(fā)散光束變成平行光束出射至探測(cè)器；探測(cè) 器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大器放大后送入濾波器，濾波器進(jìn)行濾 波，去除雜散信號(hào)，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。本發(fā)明方法將紅外光束投射到含有深溝槽結(jié)構(gòu)的硅片表面，分析從深 溝槽結(jié)構(gòu)各分界面反射形成的干涉光得到測(cè)量反射光譜；采用等效介質(zhì)理
論構(gòu)建該深溝槽結(jié)構(gòu)等效多層薄膜堆棧光學(xué)模型的理論反射光譜，利用模 擬退火算法和基于梯度的優(yōu)化算法，通過(guò)理論反射光譜對(duì)該測(cè)量反射光譜 進(jìn)行擬合，進(jìn)而提取溝槽的深度及寬度等幾何特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高深寬比 深溝槽寬度和深度等尺寸的精確測(cè)量。與現(xiàn)有的測(cè)量方法相比，本發(fā)明所 提供的方法是一種非接觸性的，非破壞性的，低成本的測(cè)量方法，在半導(dǎo) 體測(cè)量領(lǐng)域?qū)?huì)有廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)明提出的微納深溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量裝置，可以在DRAM的深溝槽電容器結(jié)構(gòu)測(cè)量中獲得如下效果(1) 實(shí)現(xiàn)DRAM常規(guī)深溝槽、斜側(cè)壁深溝槽、瓶狀深溝槽和多晶硅 填充溝槽等典型深溝槽結(jié)構(gòu)的測(cè)量；(2) 實(shí)現(xiàn)在DRAM深溝槽缺陷原位檢測(cè)、高深寬比微納結(jié)構(gòu)刻蝕實(shí) 時(shí)監(jiān)控、瓶狀溝槽多晶硅再填充溝槽在線檢測(cè)、全場(chǎng)硅片CD均勻性快速評(píng) 估，以及在光刻膠和介電薄膜表征。薄膜外延生長(zhǎng)工藝反饋、絕緣硅加工 注氧劑量控制等。


圖1是微納深溝槽結(jié)構(gòu)反射模型示意圖；圖2是微納深溝槽結(jié)構(gòu)等效多層薄膜堆棧反射模型示意圖；圖3是錐形深溝槽結(jié)構(gòu)的剖面圖以及等效模型示意圖；圖4是瓶狀深溝槽結(jié)構(gòu)的剖面圖以及等效模型示意圖；圖5是填充型深溝槽結(jié)構(gòu)的剖面圖以及等效模型示意圖；圖6是瓶狀深溝槽結(jié)構(gòu)的反射譜圖；圖7是本發(fā)明一實(shí)施案例裝置系統(tǒng)圖；圖8是本發(fā)明一實(shí)施案例裝置的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明另一實(shí)施案例裝置的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
DRAM深溝槽主要有錐形深溝槽，瓶狀深溝槽以及摻雜深溝槽。利用 等效介質(zhì)理論和嚴(yán)格耦合波理論可以將各種不同結(jié)構(gòu)的深溝槽等效為具有
光學(xué)特征參數(shù)的薄膜堆桟，并且采用Maxwdl-Gamett理論計(jì)算出等效膜堆 棧的光學(xué)常數(shù)，比如等效折射率，等效電介質(zhì)常數(shù)等，然后通過(guò)反射率公 式可以獲得等效膜堆棧的理論反射譜。這樣的理論反射譜與溝槽的組成成 分、溝槽的深度和寬度有關(guān)，因此可以通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)從而改變理論上 的反射譜，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的反射譜達(dá)到最佳匹配，提取出溝槽的深度及特征 寬度信息。本發(fā)明方法能同時(shí)測(cè)量高深寬比深溝槽結(jié)構(gòu)深度與寬度等幾何特征參 數(shù)的方法。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明方法的原理和工作過(guò)程作進(jìn)一步詳細(xì)的 說(shuō)明。(1) 將紅外激光束投射到被測(cè)硅片表面的深溝槽區(qū)域，紅外激光束的 波長(zhǎng)為1.2um畫(huà)20um;(2) 硅片表面的反射光束、溝槽底部的反射光束以及從其它分界面的 反射光束產(chǎn)生干涉，利用紅外探測(cè)器接收該干涉信號(hào)，分析得到反射光譜 特征數(shù)據(jù)；如圖1所示，深溝槽結(jié)構(gòu)由上至下包括頂層1、溝槽層3和基底5。紅 外光束7投射到深溝槽結(jié)構(gòu)表面，部分入射光在結(jié)構(gòu)表面發(fā)生折射，部分 入射光在結(jié)構(gòu)表面發(fā)生反射。折射光線8在溝槽層底部分界面及深溝槽結(jié) 構(gòu)表面分界面發(fā)生多次反射、折射后的反射光IO與深溝槽結(jié)構(gòu)表面反射光 9發(fā)生干涉，該干涉光進(jìn)入探測(cè)器6。(3) 根據(jù)深溝槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取一多層薄膜堆棧光學(xué)模型，描述深溝槽結(jié)構(gòu)的光學(xué)參數(shù)；由于入射的紅外光波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于溝槽的特征寬度，在這樣的情況下，可 以使用Maxwdl-Gamett理論將圖1的深溝槽結(jié)構(gòu)等效為圖2所示多層均勻 薄膜堆棧模型，依次包括頂層等效層2，溝槽層等效層4和基底等效層6。根據(jù)公式(1)計(jì)算深溝槽結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的各等效層的電介質(zhì)常數(shù)e， Maxwell-Garnett理論計(jì)算公式(1)所示<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，SA是該等效層所對(duì)應(yīng)的溝槽結(jié)構(gòu)層主要材料的電介質(zhì)常數(shù)，力是 該等效層所對(duì)應(yīng)的溝槽結(jié)構(gòu)層中第7'種其他介質(zhì)所占的體積百分比，g是該等效層所對(duì)應(yīng)的溝槽結(jié)構(gòu)層中第7種其他介質(zhì)的電介質(zhì)常數(shù)，y'為溝槽結(jié)構(gòu)層中其他介質(zhì)種類所對(duì)應(yīng)的序號(hào)。w為溝槽結(jié)構(gòu)層中介質(zhì)種類數(shù)，y取值為1至N。圖3A是典型的錐形深溝槽結(jié)構(gòu)，由上至下依次包括SiN層11、溝槽 層31、基底層41。運(yùn)用以上等效介質(zhì)理論公式(1)，可以分別計(jì)算溝槽結(jié) 構(gòu)各等效層的電介質(zhì)常數(shù)，如頂層含主要介質(zhì)SiN和其它介質(zhì)空氣，在已 知它們的電介質(zhì)常數(shù)和相^體積百分比例的情況下可以計(jì)算出其等效層的 電介質(zhì)常數(shù)。同理中間層也可以用以上方法計(jì)算，典型的溝槽是錐形，Si 和空氣所占的比例隨著溝槽深度的變化而變化，此時(shí)可以將溝槽層離散化 為階梯狀計(jì)算。溝槽層底部由于其溝槽深度和寬度的不均勻性，可以按照 某種函數(shù)分布如Beta函數(shù)計(jì)算其等效層的電介質(zhì)常數(shù)，將其等效為等效電 介質(zhì)常數(shù)變化的過(guò)渡層。因此，錐形深溝槽結(jié)構(gòu)的等效多層薄膜堆棧光學(xué) 模型中的一種如圖3B所示，由SiN層等效層12，溝槽層等效層321、 322, 基底等效層42組成，其中322為過(guò)渡層。圖4A是典型的瓶狀深溝槽結(jié)構(gòu)，由上至下依次包括SiN層13、瓶頸 層33、瓶身層35、基底層43。根據(jù)瓶頸層，瓶身層的寬度和深度，將實(shí)際 的瓶狀深溝槽結(jié)構(gòu)等效為多層膜堆棧結(jié)構(gòu)。其等效多層薄膜堆棧光學(xué)模型 中的一種如圖4B所示，由SiN層等效層14，瓶頸層等效層34，瓶身層等 效層36及基底層等效層44構(gòu)成。圖5A是典型的摻雜深溝槽結(jié)構(gòu)，由上至下一次包括SiN層、溝槽凹陷 層、摻雜填充層39、基底層55。根據(jù)溝槽凹陷層37和摻雜填充層39的寬 度和深度以及填充物質(zhì)的光學(xué)特性，將實(shí)際的溝槽結(jié)構(gòu)等效為膜堆棧結(jié)構(gòu)。 其等效多層薄膜堆棧光學(xué)模型中的一種如圖5B所示，由SiN層等效層70， 溝槽凹陷層等效層38，摻雜填充層等效層40及基底層等效層56構(gòu)成。(4)應(yīng)用Fresnel公式和薄膜光學(xué)傳播矩陣計(jì)算等效光學(xué)模型反射光
譜；多層薄膜堆棧的反射系數(shù)可以運(yùn)用光學(xué)傳播矩陣的方法計(jì)算。多層薄 膜堆棧的光學(xué)傳播矩陣如公式(2)所示<formula>formula see original document page 14</formula>(2)由此可得膜堆棧的反射系數(shù)其中A^是環(huán)境的光學(xué)特征矩陣，A是基底的光學(xué)特征矩陣，Z),是膜堆 棧第/層的折射率和折射角的矩陣函數(shù)，是第/層相位變化角的矩陣函數(shù)。 由以上計(jì)算得到的各波長(zhǎng)下的等效薄膜堆棧的反射系數(shù)可以得到該溝槽結(jié) 構(gòu)的反射光譜。圖6顯示在DRAM中廣泛應(yīng)用的瓶狀深溝槽結(jié)構(gòu)的反射光譜曲線。在 反射譜曲線中，反射率譜線調(diào)制周期與溝槽深度有關(guān)，調(diào)制周期17和周期 18與掩模層厚度和溝槽深度有關(guān)；總反射率大小與溝槽占空比有關(guān)；反射 譜曲線衰減與溝槽底部深度有關(guān)。(5)通過(guò)深溝槽結(jié)構(gòu)等效光學(xué)模型反射光譜擬合測(cè)量反射光譜，進(jìn)而 提取得到溝槽深度及寬度等幾何特征參數(shù)。記步驟(3)測(cè)得的溝槽結(jié)構(gòu)反射光譜為i^，步驟(4)計(jì)算的該溝槽 結(jié)構(gòu)等效光學(xué)模型的反射光譜為凡( ，"；…", ， …",為介質(zhì)復(fù)折 射率，A…4為等效層薄膜厚度。建立i^與A最小二乘擬合參數(shù)式，如式 (3)所示，<formula>formula see original document page 14</formula> (3)求解式(3)，得到使y( ，《… ，《)為最小的一組參數(shù)";，A…",，《,。由于在磁導(dǎo)率為l時(shí)，電介質(zhì)常數(shù)5 = ^，而復(fù)折射率5 = "+汰，其中"是實(shí)折射率，代表光在這種介質(zhì)中的傳播速度，A:是消光系數(shù)，代表這 種介質(zhì)對(duì)光的吸收程度。因此，通過(guò)"7… 可計(jì)算得到各等效層等效電 介質(zhì)常數(shù)&…e,。將等效電介質(zhì)常數(shù)帶入(1)即可計(jì)算出各層溝槽寬度，14"廣"為各等效層厚度，即溝槽結(jié)構(gòu)各層深度值。求解式(3)涉及大量非線性元，本發(fā)明方法采用模擬退火算法和Levenberg-Marquardt迭代算法相結(jié)合，先使用模擬退火算法在整個(gè)解空間 內(nèi)査找最優(yōu)解，再將結(jié)果代入Levenberg-Marquardt迭代算法精確查找，實(shí) 現(xiàn)快速準(zhǔn)確求解。步驟如下StepA:使用模擬退火算法在較弱收斂條件下求解式(3)，獲得一組參數(shù)"/，《…",.，《.，的值；StepB:以StepA獲得的"；，《…wz.， 作為L(zhǎng)evenberg-Marquardt迭代的初值，再次求解式(3)。如圖7所示，實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置包括紅外光源21、干涉儀22、探測(cè) 光路23、樣品臺(tái)24、接收光路25、探測(cè)器26、放大器27、濾波器28、模 數(shù)轉(zhuǎn)換器29和計(jì)算機(jī)30。紅外光源21、干涉儀22和探測(cè)光路23依次位 于同一光路上，探測(cè)光路23的出射光與樣品臺(tái)24的上表面法線之間的夾 角為45°，接收光路25與樣品臺(tái)24上表面法線之間的夾角為45。，探測(cè)器 26位于接收光路25的出光口，探測(cè)器26、放大器27和濾波器28依次相 連，濾波器28通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器29與計(jì)算機(jī)30連接。探測(cè)光路23和接收光路25由一系列拋物鏡、平面鏡、光闌按下述的 方位連接，具體實(shí)施方式
如圖8、 9所示，但不限于以上兩種形式。紅外光 源21出射光經(jīng)過(guò)干涉儀22進(jìn)入探測(cè)光路23，經(jīng)探測(cè)光路23校準(zhǔn)后，入射 到位于樣品臺(tái)24上的樣品表面，然后從樣品上反射的帶有溝槽結(jié)構(gòu)信息的 光束進(jìn)入接收光路25，接收光路25將發(fā)散光束變成平行光束出射至探測(cè)器 26。探測(cè)器26將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大器27放大后送入濾波器 28，濾波器28進(jìn)行濾波，去除雜散信號(hào)，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器29送入計(jì)算 機(jī)30，計(jì)算機(jī)30得到探測(cè)器26接收到的干涉光信號(hào)的干涉圖，進(jìn)行傅立 葉變換，得到接收到的紅外光各波數(shù)下的反射率強(qiáng)度以及其變化特性與趨 勢(shì)。如圖8所示，本發(fā)明裝置的一實(shí)施案例光路結(jié)構(gòu)探測(cè)光路23包括第 一離軸拋物鏡231、第一可調(diào)矩形光闌232、第二離軸拋物鏡233、第一平 面反射鏡234和第三離軸拋物鏡235。第一離軸拋物鏡231位于干涉儀22
的出射光路上，第一可調(diào)矩形光闌232位于第一離軸拋物鏡231的焦平面 上，第二離軸拋物鏡233位于第一可調(diào)矩形光闌232的出射光路上，第一 平面反射鏡234的法線與第二離軸拋物鏡233的出射光路的夾角為45。。第 三離軸拋物鏡235位于第一平面反射鏡234的出射光路上。接收光路25包 括第四離軸拋物鏡251、第二平面反射鏡252、第五離軸拋物鏡253、第二 可調(diào)矩形光闌254和第六離軸拋物鏡255，其位置與探測(cè)光路23相對(duì)樣品 表面法線對(duì)稱布置。紅外光源21發(fā)出紅外光進(jìn)入干涉儀22，干涉光出射后投射到第一離軸 拋物鏡231上面，光束偏轉(zhuǎn)90。角后聚焦，在焦平面上放置第一可調(diào)矩形光 闌232，光束經(jīng)過(guò)焦平面后發(fā)散，投射到第二離軸拋物鏡233上面，發(fā)散光 束變成平行光束，經(jīng)第一平面反射鏡234反射后，光束投射到第三離軸拋 物鏡235上面，光束偏轉(zhuǎn)90。角，由平行光束變?yōu)榫劢构馐?，聚焦光?5。 角入射到樣品241上面，反射的發(fā)散光束由第四離軸拋物鏡251接收，發(fā) 散光束變成平行光束并入射到第二平面反射鏡252，經(jīng)反射后光束改變方向 投射到第五離軸拋物鏡253上，光束偏轉(zhuǎn)90。角后聚焦，在焦平面上放置第 二可調(diào)矩形光闌254，光束經(jīng)過(guò)焦平面后，由第六離軸拋物鏡255把發(fā)散光 束變成平行光束并偏轉(zhuǎn)90°角，最后平行光束進(jìn)入探測(cè)器26。如圖9所示，本發(fā)明裝置的另一實(shí)施案例光路結(jié)構(gòu)探測(cè)光路23包括 第一平面反射鏡236、第一離軸拋物鏡237、第一可調(diào)矩形光闌232、第一 橢球鏡239。第一平面反射鏡236位于第干涉儀22出射光路上，平面反射 鏡法線與干涉儀出射光路之間夾角為22.5°;第一離軸拋物鏡237位于第一 平面反射鏡236光路上，第一可調(diào)矩形光闌232位于第一離軸拋物鏡237 焦平面上，且與第一離軸拋物鏡237出射光路垂直；第一橢球鏡239位于 第一可調(diào)矩形光闌232出射光路上。接收光路25包括第二橢球鏡256、第 二可調(diào)矩形光闌254、第二離軸拋物鏡257、第一平面反射鏡259，其位置 與探測(cè)光路23相對(duì)樣品表面法線對(duì)稱布置。紅外光源21發(fā)出紅外光進(jìn)入干涉儀22，干涉光出射后經(jīng)第一平面反射 鏡236反射偏轉(zhuǎn)45。后投射到第一離軸拋物鏡237上面，光束偏轉(zhuǎn)90°角后 聚焦，在焦平面上放置第一可調(diào)矩形光闌232，光束經(jīng)過(guò)焦平面后發(fā)散，投
射到第一橢球鏡239上面，由發(fā)散光束變?yōu)榫劢构馐劢构庖?5。角入射 到樣品241上面，反射的發(fā)散光束由第二橢球鏡256接收，光束偏轉(zhuǎn)9(T 角后聚焦，在焦平面上放置第二可調(diào)矩形光闌254,光束經(jīng)過(guò)焦平面后，由 第二離軸拋物鏡257把發(fā)散光束變成平行光束并偏轉(zhuǎn)90°角，平行光束最后 經(jīng)第二平面反射鏡259反射偏轉(zhuǎn)45°進(jìn)入探測(cè)器26。紅外光源21發(fā)出的紅外光波長(zhǎng)范圍為1.7 U m-28 u m，在這種紅外波長(zhǎng) 下硅的結(jié)構(gòu)是透明的，可穿透硅片樣品上的深溝槽；紅外光經(jīng)過(guò)干涉儀22， 相當(dāng)于對(duì)紅外光進(jìn)行了調(diào)制，出射的干涉光不易受自然光影響，可提高信 噪比，保證了測(cè)量精度；光路中采用了離軸拋物鏡231、 233、 235、 237、 251、 253、 255、 257以及橢球鏡239、 256，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不產(chǎn)生色差，適 用波段寬，反射率高，既保證光路的質(zhì)量，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，也減小了能量損失； 可調(diào)矩形光闌232放置在聚焦光束的焦平面上，通過(guò)減小光闌232矩形孔 的長(zhǎng)和寬，在焦平面處可以阻擋發(fā)散角大的光線通過(guò)，從而達(dá)到減小樣品 上測(cè)量光斑尺寸的目的，通常情況下，當(dāng)矩形孔長(zhǎng)寬各為幾百微米時(shí)，可 以得到足夠小的光斑來(lái)避免雜散光的影響；聚焦光束以45。角斜入射到樣品 臺(tái)24表面上，可以增加測(cè)量光束經(jīng)過(guò)微結(jié)構(gòu)層的距離，當(dāng)以45。角入射時(shí)， 不同散度角的光束基本上都聚焦在樣品241的表面，這樣可以使能量集中， 減小光斑大小，使有用光束和雜散光最大限度的分離；可調(diào)矩形光闌254 放置在聚焦光束的焦平面上，通過(guò)減小光闌254矩形孔的長(zhǎng)和寬，使有用 的反射光通過(guò)，阻擋由于光束經(jīng)過(guò)樣品背面而產(chǎn)生的雜散光，使獲得的反 射光更有效。系統(tǒng)裝置操作步驟如下1. 系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先通過(guò)光源中的可見(jiàn)光，對(duì)整個(gè)光路進(jìn)行 光路準(zhǔn)直，使探測(cè)光束聚焦在樣品表面。2. 樣品由樣品臺(tái)夾持，樣品臺(tái)擁有五個(gè)自由度，調(diào)節(jié)樣品臺(tái)的X、 Y、 Z三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，使探測(cè)光斑位于樣品表面的微結(jié)構(gòu)處，調(diào)節(jié)另外兩個(gè)自由 度，使其做俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)樣品臺(tái)，使樣品表面位于聚焦光束的最佳 焦平面。3. 樣品調(diào)節(jié)完畢后，入射到樣品表面的聚焦光束經(jīng)過(guò)反射后進(jìn)入接收光
路，并且能夠讓探測(cè)器檢測(cè)到光信號(hào)。4. 調(diào)節(jié)探測(cè)光路中的光闌，減小通光孔徑，限制入射光束的散度角，允許通過(guò)的光線散度角最大為0.125° ，使樣品上的聚焦光斑減小到400X600 l_im。5. 調(diào)節(jié)接收光路中的光闌，減小通光孔徑，使含有信息的有用光束通過(guò)， 阻擋光路中夾雜的雜散光。6. 檢測(cè)器得到干涉光信號(hào)后，余下步驟由模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)等 自動(dòng)完成，最后得到我們所要的光譜圖。通過(guò)編制的軟件對(duì)光譜圖進(jìn)行分 析，并最終得到薄膜層堆棧結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。
權(quán)利要求
1、一種微納深溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量方法，其步驟包括(A)將紅外激光束投射到被測(cè)硅片表面的深溝槽區(qū)域，紅外激光束的波長(zhǎng)為1.4μm-28μm；(B)硅片表面的反射光束、溝槽底部的反射光束以及從其它分界面的反射光束產(chǎn)生干涉，利用紅外探測(cè)器接收該干涉信號(hào)，分析得到反射光譜特征數(shù)據(jù)；(C)根據(jù)深溝槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取多層薄膜堆棧光學(xué)模型，描述深溝槽結(jié)構(gòu)的光學(xué)參數(shù)；(D)利用公式(I)計(jì)算薄膜堆棧的反射系數(shù)，再利用計(jì)算得到的各波長(zhǎng)下的等效薄膜堆棧的反射系數(shù)獲得該溝槽結(jié)構(gòu)的反射光譜；
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(C)將深溝槽結(jié)構(gòu)等效為多層均勻薄膜堆桟模型，根據(jù)公式(II)計(jì)算深溝槽結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的各等效層的電介質(zhì)常數(shù)e:<formula>formula see original document page 2</formula>其中，^是該等效層所對(duì)應(yīng)的溝槽結(jié)構(gòu)層主要材料的電介質(zhì)常數(shù)，為是 該等效層所對(duì)應(yīng)的溝槽結(jié)構(gòu)層中第/種其他介質(zhì)所占的體積百分比，S,.是該 等效層所對(duì)應(yīng)的溝槽結(jié)構(gòu)層中第y種其他介質(zhì)的電介質(zhì)常數(shù)，J為溝槽結(jié)構(gòu)層中其他介質(zhì)種類所對(duì)應(yīng)的序號(hào)，/取值為1至N， N為溝槽結(jié)構(gòu)層中介 質(zhì)種類數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(E)按照下述過(guò)程進(jìn)行處理(El)記步驟(C)測(cè)得的溝槽結(jié)構(gòu)反射光譜為/ w，步驟(D)計(jì)算的 該溝槽結(jié)構(gòu)等效光學(xué)模型的反射光譜為為A(",， "7…",，《)， …",為 介質(zhì)復(fù)折射率，A…J,.為等效層薄膜厚度；建立i^與^最小二乘擬合參數(shù) 式如式(III):<formula>formula see original document page 3</formula> (III) 求解式(m)，得到使x",，《 …", ， 4)為最小的一組參數(shù)";，A…",，《,，其中，A…《為各等效層厚度，即溝槽結(jié)構(gòu)各層深度值；(E2)通過(guò) …",計(jì)算得到各等效層等效電介質(zhì)常數(shù)e廣w,，再根據(jù) 公式(II)計(jì)算各層溝槽寬度。
4、 一種微納深溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量裝置，其特征在于該裝置包括紅外光源 (21)、干涉儀(22)、探測(cè)光路(23)、樣品臺(tái)(24)、接收光路(25)、探測(cè)器(26)、放大器(27)、濾波器(28)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(29)和計(jì)算機(jī)(30); 紅外光源(21)、干涉儀(22)和探測(cè)光路(23)依次位于同一光路上，探 測(cè)光路(23)的出射光與樣品臺(tái)(24)的上表面法線之間的夾角為45°，接 收光路(25)與樣品臺(tái)(24)上表面法線之間的夾角為45。，探測(cè)器(26) 位于接收光路(25)的出光口，探測(cè)器(26)、放大器(27)和濾波器(28) 依次相連，濾波器(28)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(29)與計(jì)算機(jī)(30)連接；紅外光源(21)出射光經(jīng)過(guò)干涉儀(22)進(jìn)入探測(cè)光路(23)，經(jīng)探測(cè) 光路(23)校準(zhǔn)后，入射到位于樣品臺(tái)(24)上的樣品表面，然后從樣品 上反射的帶有溝槽結(jié)構(gòu)信息的光束進(jìn)入接收光路(25)，接收光路(25)將 發(fā)散光束變成平行光束出射至探測(cè)器(26);探測(cè)器(26)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為 電信號(hào)，再經(jīng)放大器(27)放大后送入濾波器(28)，濾波器(28)進(jìn)行濾 波，去除雜散信號(hào)，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(29)送入計(jì)算機(jī)(30)進(jìn)行處理。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于探測(cè)光路(23)包括第 一離軸拋物鏡(231)、第一可調(diào)矩形光闌(232)、第二離軸拋物鏡(233)、 第一平面反射鏡(234)和第三離軸拋物鏡(235);第一離軸拋物鏡(231) 位于干涉儀(22)的出射光路上，第一可調(diào)矩形光闌(232)位于第一離軸 拋物鏡(231)的焦平面上，第二離軸拋物鏡(233)位于第一可調(diào)矩形光 闌(232)的出射光路上，第一平面反射鏡(234)的法線與第二離軸拋物 鏡(233)的出射光路的夾角為45。，第三離軸拋物鏡(235)位于第一平面 反射鏡(234)的出射光路上；干涉儀(22)出射的干涉光投射到第一離軸拋物鏡(231)上，光束偏 轉(zhuǎn)9(T角后聚焦，在焦平面上放置第一可調(diào)矩形光鬧(232)，光束經(jīng)過(guò)焦平 面后發(fā)散，投射到第二離軸拋物鏡(233)上面，發(fā)散光束變成平行光束， 經(jīng)第一平面反射鏡(234)反射后，光束投射到第三離軸拋物鏡(235)上 面，光束偏轉(zhuǎn)90。角，由平行光束變?yōu)榫劢构馐?，聚焦光?5°角入射到樣口 h叩工o
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于探測(cè)光路(23)包括第 一平面反射鏡(236)、第一離軸拋物鏡(237)、第一可調(diào)矩形光闌(232)、 第一橢球鏡(239);第一平面反射鏡(236)位于第干涉儀(22)出射光路 上，平面反射鏡法線與干涉儀出射光路之間夾角為22.5°，第一離軸拋物鏡(237)位于第一平面反射鏡(236)光路上，第一可調(diào)矩形光闌(232)位 于第一離軸拋物鏡(237)焦平面上，且與第一離軸拋物鏡(237)出射光 路垂直，第一橢球鏡(239)位于第一可調(diào)矩形光闌(232)出射光路上；干涉儀(22)出射的干涉光投射到第一平面反射鏡(236)，反射偏轉(zhuǎn) 45。后投射到第一離軸拋物鏡(237)上面，光束偏轉(zhuǎn)90。角后聚焦，在焦平 面上放置第一可調(diào)矩形光闌(232)，光束經(jīng)過(guò)焦平面后發(fā)散，投射到第一 橢球鏡(239)上面，由發(fā)散光束變?yōu)榫劢构馐劢构庖?5。角入射到樣口 k
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于接收光路(25)包括第 四離軸拋物鏡(251)、第二平面反射鏡(252)、第五離軸拋物鏡(253)、 第二可調(diào)矩形光闌(254)和第六離軸拋物鏡(255)，其位置與探測(cè)光路(23) 相對(duì)樣品表面法線對(duì)稱布置；第四離軸拋物鏡(251)接收樣品反射的發(fā)散光束，將發(fā)散光束變成平 行光束并入射到第二平面反射鏡(252),經(jīng)反射后光束改變方向投射到第 五離軸拋物鏡(253)上，光束偏轉(zhuǎn)90。角后聚焦，在焦平面上放置第二可 調(diào)矩形光闌(254),光束經(jīng)過(guò)焦平面后，由第六離軸拋物鏡(255)把發(fā)散 光束變成平行光束并偏轉(zhuǎn)90°角。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于接收光路(25)包括第 二橢球鏡(256)、第二可調(diào)矩形光闌(254)、第二離軸拋物鏡(257)、第 一平面反射鏡(259)，其位置與探測(cè)光路(23)相對(duì)樣品表面法線對(duì)稱布 置；第二橢球鏡(256)接收樣品反射的發(fā)散光束，光束偏轉(zhuǎn)9(T角后聚焦， 在焦平面上放置第二可調(diào)矩形光闌(254),光束經(jīng)過(guò)焦平面后，由第二離 軸拋物鏡(257)把發(fā)散光束變成平行光束并偏轉(zhuǎn)90。角，平行光束再經(jīng)第 二平面反射鏡(259)反射偏轉(zhuǎn)45"。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種微納深溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量方法及裝置，能夠同時(shí)測(cè)量微納深溝槽結(jié)構(gòu)溝槽深度、寬度和薄膜厚度。其方法是將紅外光束投射到含有深溝槽結(jié)構(gòu)的硅片表面，分析從深溝槽結(jié)構(gòu)各分界面反射形成的干涉光得到測(cè)量反射光譜；采用等效介質(zhì)理論構(gòu)建該深溝槽結(jié)構(gòu)等效多層薄膜堆棧光學(xué)模型的理論反射光譜，利用模擬退火算法和基于梯度的優(yōu)化算法，通過(guò)理論反射光譜對(duì)該測(cè)量反射光譜進(jìn)行擬合，進(jìn)而提取溝槽的深度及寬度等集合特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高深寬比深溝槽寬度和深度等尺寸的精確測(cè)量。本發(fā)明裝置，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)上電容器典型深溝槽結(jié)構(gòu)的測(cè)量，具有非接觸性，非破壞性和低成本的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101131317SQ20071005329
公開(kāi)日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2007年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月20日
發(fā)明者劉世元, 史鐵林, 張傳維, 沈宏偉, 顧華勇 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)