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基於散射量測技術的臨界尺寸及輪廓測量

上網時間: 2003年01月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:microscopy  顯微鏡方法  metrology  測量  cd metrology 

這篇技術文章討論了幾何尺寸如何突破0.1μm臨界值以及特徵輪廓測量如何成為控制蝕刻製程的關鍵因素。

半導體元件特徵尺寸的不斷減小推動著先進測量方法的發展。當幾何尺寸低於0.1μm臨界值時,特徵輪廓測量成為控制光刻及蝕刻製程的關鍵因素,它有助於提高量產的良率。

傳統CD測量方法已接近先進半導體元件解析度的有效極限,如臨界尺寸掃描電子顯微鏡(CD-SEM)和基於影像的傳統光學方法。由於它們採用自上而下的觀測方法,因此局限性很大,無法提供邊緣及底部的特徵數據,從而也不能提供不規則器件的相關數據。雖然特徵數據可以藉由SEM橫截面獲得,但這種方法必須離線執行,而且費時費力,還可能具有破壞性。

臨界尺寸發散對稱法

為了解決CD-SEM和基於影像的傳統光學CD方法所面臨的局限性,基於散射測量法(Scatterometry) 的光學參數測量法已經成為新興的CD測量方法。散射測量法利用反射對稱法或橢圓對稱法測量產生的光信號,即測量在透明薄膜上形成的包含對稱線/間隔陣列的光柵結構。藉由目標器件上光反射、衍射及折射的相互作用可從反射信號中擷取相位及密度資訊,這些資訊可用於採用嚴格耦合波分析(RCWA)的計算建模方法重建特徵模式的輪廓。

現有的散射測量法CD及輪廓測量方法使用了各種光信號採集法,它們的複雜性不同,檢測故障的能力也不一樣。此外,重構CD及輪廓的發散對稱法數據建模有兩種主要途徑,一種為與解決方案資料庫相結合的離線建模,另一種為線上即時直接回歸方案計算。

光信號採集的三種方法廣泛用於散射測量法臨界尺寸CD應用中:

  1. 採用普通入射角的反射對稱法。這種方法將密度與波長相比較。

  2. 2角單波長橢圓對稱法。這種方法是將密度及相位與入射角的變化作比較。

  3. 採用切線入射角的分光鏡橢圓對稱法。它將密度和相位與波長作比較。

這三種方法在品質和產生光信號的資訊內容上存在顯著區別。普通入射反射對稱法支援快速採集數據,但不提供相位資訊,對再次進入或過切的邊牆輪廓不敏感。變角橢圓對稱法及分光鏡橢圓法雖然數據採集速度慢,但由於入射角近似切線,且信號中包含的資訊量大,它們能提供更多關於形狀和輪廓的數據。

重構特徵參數的數據建模可採用線上方式,即採用即時回歸法尋找方案,也可採用離線方式,將捕獲的頻譜與儲存的方案資料庫進行比較。RCWA利用晶圓的光柵結構計算光的衍射以模擬SE或光柵獨特結構(輪廓、CD、角、薄膜厚度)所對應的反射對稱信號。由於光信號中所含資訊量減少了,因此普通入射角反射對稱法及2θ橢圓對稱法所使用的RCWA模型的複雜性有所降低。由於分光鏡橢圓對稱法輸出信號中資訊量增多,它所使用的RCWA模型變得複雜一些,也可以構建更詳細的輪廓。

即時回歸法直到近期才被限制用於普通入射角反射光度法及2θ橢圓光度法信號的建模。這兩種方法可以進行計算,只需幾秒鐘即可得出結果,但這只是因為起始數據內容少。這些結果反過來又進行非複雜的結構近似,如矩形和梯形,它們不能提供更詳盡的輪廓資訊,以便在高級器件的光刻製程中有效地實現製程控制。

相反地,與方案資料庫共同使用的離線建模方法卻能進行更複雜的計算,這是因為它與測量工具的計算量並不直接相關。它將採集的頻譜數據與儲存的方案資料庫進行比較,資料庫中的每種方案都包含以前計算的光譜,並涵蓋了製程參數中各種已知的變化。所獲取數據與儲存數據的最佳匹配被確定為測量結果。低成本的PC硬體和定製的搜索引擎可在一秒鐘內將測量的頻譜與預先計算的方案相匹配。

直到最近才發現實現最佳整體性能的方法是將基於離線庫的建模方法與分光計橢圓光度測量法結合起來,這樣既具有豐富的數據資訊,還能實現複雜的建模功能,因此可提供高品質的CD測量結果和輪廓形狀資訊。重構的輪廓與從截面SEM獲取的圖像完全相關。0.1μm以下的特徵測量精密度達次奈米級。但是,當條件快速變化時,資料庫產生時間及參數化會使這種方法出現問題。

突破性散射測量法進展

理想的散射測量法必須將資訊量大的分光計橢圓光度法與具有複雜輪廓計算功能的即時回歸建模方法結合起來。最近已經推出了具有這種功能的測量系統。它採用突破性的軟體專利算法,用現有的CPU即可承擔計算負荷,性能、速度或輪廓複雜性都不會受影響,其結果可在幾秒鐘內計算完成,整個外形輪廓精密度可達次奈米級。

由於這種新方法允許迅速修改配方,而且新結構的設置過程也很快,因此它可作為獨立使用工程及製程開發或晶圓/混合製造環境的光測量平台。對於整合測量產品而言,成本是其重要因素,基於庫的分光計橢圓光度法能以合理的成本實現所需的速度及精密度。

應用

在淺溝隔離及波紋整合應用中,製程變化可能會造成凹角、溝槽、T型頂及其它異常形狀,這些問題將會在後續製程中引起沈積薄膜空缺及破裂。在一些關鍵的閘極

製程中,異常問題還會導致減產,如過切、微槽和凹槽。在這些應用場合下,光刻法及蝕刻製程工程師們需要提供完整而精確外形資訊的CD測量工具,而不是簡單地作矩形或梯形近似。

在過去兩年中,先進的半導體器件製造商們已經將基於SE工具及離線資料庫的建模方法用於門開發檢測(DI)及最終檢測(FI) CD領域。這種具有即時回歸建模的SE新工具已經成功地証明了其性能在這些領域及STI和波紋槽溝等應用中是接近的。

小結

高級半導體器件的特徵尺寸向0.1μm技術發展,傳統CD測量工具不能為工程師們提供實現有效製程控制及產量管理所需的詳盡輪廓資訊。本文介紹了一種完整的散射測量方案,它將即時建模與基於庫的建模方法結合起來,可實現晶圓製造所需的高性能CD散射測量功能。

Andrew H. Shih

Therma-Wave Inc.

twi-info@thermawave.com




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