光学测量技术不断发展
2011-08-03 15:07阅读：
光学测量技术不断发展
射频世界
半导体技术不断向着更为细小的技术节点迈进，一些传统的测量技术已经捉襟见肘了，一旦证明这些技术不再满足技术的需求，那么它们所在的相关测试、测量领域将产生空白。因此，至少对于下两个技术节点而言，测量技术必须更为迅速的发展以满足芯片生产商的要求。
如果还有人对散射光栅测量技术抱有信心的话，那他会是KLA-Tencor (San Jose)薄膜和散射测量技术市场部主管Wayne McMillan。“OCD技术将被用于研发45和32nm技术及监控65和45nm关键工艺层表现；为了得到优异的栅电极线宽控制，逻辑电路生产商已在好几代节点使用了OCD技术。
McMillan指出，CD-SEM不能有效地测量具有多边墙结构的多晶栅的线宽，也不能测量浅沟道隔离（STI）的深度。随着技术跨入
45nm节点，逻辑器件制造商致力于采用应力技术来进一步提高器件的性能，这项技术是依靠刻蚀技术移除栅电极四周的硅材料，而后淀积锗硅（
SiGe）从而通过应力提高器件的性能。“对于这项技术而言，关键是能够测量刻蚀深度和在栅电极底部的低切，”
McMillan说：“这已经超出了线宽的范畴，我们称之为形貌测量。”逻辑电路生产商必须了解栅电极底部的刻蚀状况以控制注入工艺。另外，边墙在栅电极顶部的形貌也非常重要，这将对后续的金属硅化物在栅电极顶部的生长状况产生影响，从而改变栅电极的电阻值。
一旦栅电极得到了监控那么器件的稳定性也就获得了保障，因此器件生产商需要测试栅电极的整体形貌，此外逻辑电路对这一测量技术的要求更加精确。在内存产品中，这一技术的需求尤为突出，其原因是生产商期待它的表现能够等同于断面TEM但不损伤硅片，进而可以获得更高的芯片产量。“在测试包括浮栅等结构的闪存产品时，测量对象不仅包括线宽还有一系列不同厚度的氧化层，”
McMillan说：“DRAM生产商还会对凹槽栅结构进行测量，这一结构并不在硅片表面，而是通过刻蚀技术深入其中。由于凹槽栅结构决定栅电极的长度和性能，因此他们必须知道线宽尺寸和电极下方的刻蚀深度。”对于45nm DRAM，一些技术方案是采用finFET等3-D晶体管结构。对此CD-SEM测量显得困难重重，而光学技术却游刃有余。
CD-SEM的角色正在发生变化。随着先进成像技术的引入，检测技术必须能够控制热点等缺陷。先进的光学临近修正（OPC）被使用，CD-SEM可以对器件的特定位置进行量测，以确保电路图像的正确转移。这项技术更像一种对模型仿真出的易于出错结构的定向测试技术。
毫无疑问，32nm将是一道难关。问题之一源自所采用的成像技术；对于闪存而言，双重成像技术将成为可能的解决方案。这项技术依靠设计以及DFM将密集图形进行分割，它采用标准的光刻工艺，并在许多区域进行两次薄膜淀积和刻蚀操作以满足成像的要求。因此，薄膜淀积的厚度、刻蚀边墙的形貌以及最终图形的线宽都必须得到监控。在边墙淀积和刻蚀后，技术人员需要测量边墙的宽度和相应的形貌以确保最终图形能够满足技术要求。
逻辑电路将采用高介电常数绝缘材料/金属栅电极结构和应变硅工艺。这对于薄膜淀积技术而言困难重重，所幸已有工具可以解决问题。对于光学线宽测量技术（OCD），主要挑战是器件的薄膜结构变得更为复杂（低k材料引入）、测量精度和设备匹配性的要求都更为严格。其他挑战源于双重成像技术（DP），这项技术对图形套准和线宽的要求也更高。用于测量线宽和套准的新一代高精度设备正在紧锣密鼓的研发中。然而，套准测量的精度要求有些令人沮丧：到了32nm技术节点时，偏差冗余量被压缩至原来的一半。由于DP技术的两次光刻会相互影响，最终导致线宽漂移和套准偏差两者的结果相同。
DRAM的finFET器件使用的测量模型仍然处于研发阶段，而逻辑电路finFET器件的模型研发更为困难。“经过研究发现150 SE模型能够获得薄膜的灵敏度，而且需要测量材料的成份，”McMillan说，“此外，对于形貌的监控也是必不可少的，这是因为fin相互作用范围以及栅电极的形貌至关重要，而仅仅线宽并不足以表征这些特性。为了确保器件的性能，你必须了解fin究竟有多高、多宽，覆盖在上方的薄膜表现以及fin的形貌等特性。”
由于非图形化的划片槽与芯片内部实际状况存在差异，目前的趋势是尽可能的测量与器件相似的结构以缩小测量结果和实际器件之间的偏差。一些芯片制造商希望能够测量图形化的划片槽区域，这就要求散射光栅测量技术能够对图形上的薄膜以及叠加设计的图形进行测量。内存生产商希望对芯片内的实际器件进行
测量，通常这些测试图形是3-D结构，这意味着测量结果不仅要包括线宽还要有相应的形貌数据。这类测量对于模型的灵活度和硬件的灵敏度都有不小的挑战。
FEI
Co.数据存储和MEMS市场主管Rudy
Kellner指出，市场不仅重视传统的CD-SEM，也在逐步增强对S/TEM或TEM的投入。“新一代的SEM技术将具有更高的分辨率，而且我们还致力于增强S/TEM以及TEM的性能，这不仅包括分析能力还包括测量能力，”他说。
S/TEM测量技术大规模应用的另一个挑战是制备样品。对于CD-SEM或者传统的分析SEM而言，制备样品的流程较为简单。然而，当必须使用S/TEM或TEM等复杂测量技术时，样品制备的成本是十分惊人的（图2）。随之而来的问题是怎样才能迅速的制备样品、进行高效测量。在技术上，这不是问题，但需要在现有的成本后面加一到两个零。在某些情况下，新一代的自动化聚焦离子束分析技术（FIB）能够有效地降低S/TEM的制样成本，进而达到与传统分析SEM相近的水平。
CD-SEM仍然是主流测量技术Applied Materials的SEM测量设备产品经理Ram
Peltino 指出目前CD-SEM仍然是半导体生产厂家的主流测量技术，由于其已经证明了能够可靠的测量2X和1Xnm的结构，且能够长期在生产线上稳定的工作，所以在32nm乃至更为细小的技术节点，这项技术仍将发挥着举足轻重的作用。Peltinov进一步表示在32nm节点，相对于光学测量技术而言，CD-SEM具有更大的优势。
随着2-D非重复性结构的增加以及许多新材料的引入，编写、设定光学测量菜单的难度不断提高。相反，CD-SEM却能够在无晶片的情况下基于CAD数据自动化设定菜单，这大大简化了测量程序的编写操作，进而使这项技术在市场上占得先机。
Applied
Materials的工艺研发部门正致力于研发图形分割技术，这项技术能够将密集线条图形分解成不同的两块。“对于这项技术而言，将核心图形间隙与图形末梢隔断区分开是至关重要的，在这一操作中，你不能像光学方法那样简单进行平均处理，”
Peltinov说。CD-SEM能够满足3Xnm至1Xnm各技术节点的需求，它能够详细的测量核心图形间隙、图形末梢隔断和边墙的线宽尺寸，以及用来定义图形质量的线边缘粗糙度（LER）和线宽粗糙度（LWR）表现，从而能够有力的支持图形分割技术的研发工作。
对于光刻-刻蚀-再光刻-再刻蚀的双重成像技术（LELE
DP）而言，套准测量是最大的挑战，由于CD-SEM具备极佳的分辨率和重复精确度表现，并且套准和被套准层是清晰可见的，因此这项技术也成为最佳的解决方案。
双重成像技术面临的问题
Nova Measuring Instruments
Ltd. 市场部经理Noam
Shintel相信光学测量技术能够提供包括图形的侧壁倾角、多层薄膜的边墙厚度在内的各种必不可少的关键形貌参数。“光学测量技术是一种确实可行的线宽测量技术解决方案，”他说：“这项技术的优势明显，它能够对图形形貌进行全面测量、具备较高的生产效率以及较低的使用成本，当然有收获就需付出，相应的技术研发难度也较大，为了获得准确的测量结果需要精确的模型以及各层薄膜详细的光学特性。”
光学测量技术的问题在于开发周期过长，且自动化程度相对较低。随着业界使用的商用模型不断成熟完善，平均销售价格（ASP）迅速回落，产品快速投入市场。但为了满足32nm乃至更先进技术日益复杂的需求，设备的自动化程度需要进一步提高。
由于没有其它的备选方案（EUV可能在22nm技术节点时进入商用市场），DP光刻技术毫无悬念的成为最有可能的32nm光刻技术解决方案，由于这一技术的特殊性，无疑也对测量技术提出了更高的要求。“双重成像光刻技术的套准偏差会导致线宽尺寸发生变化，反之亦然，”Shintel说：“目前已经有不少备选技术方案，但业界仍然没有在其中做出选择。”DP技术的主要问题在于 —
测量技术不但要具有史无前例的测量精度，而且设备的生产效率也必须能够与光刻曝光设备相互匹配。为了能够精确控制DP工艺，图形的线宽尺寸和套准表现需要在同一位置进行测量并进而建立两者之间的相互关系，这是非常困难的。目前，这些测量是使用不同的设备和技术在硅片的不同位置进行的。
Applied刻蚀部门CTO Uday Mitra解释道，40nm以下NAND和NOR闪存的自对准型DP技术（SADP）或边墙成像技术的线宽测量非常重要。目前的测量设备已经能够满足国际半导体发展路线（ITRS）的需求。得益于优异的边墙薄膜稳定的工艺表现，对于边墙的测量已经不再是必不可少的操作流程。在如此细小的线宽尺寸情况下，改善LER和LWR表现会成为一个主要的工艺技术难题，但对于测量技术而言却不存在太多困难；而且，依靠SADP技术并采用先进光刻薄膜，LER和LWR表现已经得到了明显的提高。
对于使用LELE的DP技术而言，提高对准精确度的测量表现是必要的。而且，由于LELE方案的LER表现是SADP方案的两倍，因此LER和LWR可能造成量测匹配混乱。由于同一样品的LWR和LER漂移大于实际设备间差，所以除非每次测量都在同一点，否则两台CD-SEM将给出不同的测量结果。LER的3S数值会比测量规格大5倍。
随着接触孔和DRAM竖式电容结构的深宽比提高，测量技术也面临着更多的挑战。直到今天，业界仍然没能找到一种能够可靠、非破坏性的测量高深宽比接触孔的方法。未来，深宽比还将继续提高，甚至达到40：1，研发在线的测量技术是十分必须的。
参照测量技术
ReVera市场部主管John Samuels认为耦合/非耦合状态对会测量结果产生显著的影响。他说：“因为包括SiO2、Si3N4 或者TiN等在内的单一双组分薄膜的光学特性稳定，所以依靠光学测量技术能够容易的进行膜厚量测。另外，基于CD-SEM的分辨率就可以满足线宽测量和薄膜形貌确认的需求。”但是随着技术的发展，诸如HfSiON或
