一种微纳深沟槽结构侧壁形貌快速测量方法及装置

摘要

本发明公开了一种微纳深沟槽结构侧壁形貌快速测量方法及装置，能够同时快速测量微纳深沟槽结构线宽、沟槽深度、侧壁角、侧壁粗糙度等侧壁形貌参数。步骤为：将波长为从近红外到中红外的光束经起偏后得到的椭圆偏振光投射到待测结构表面；采集待测结构表面零级衍射信号，计算得到微纳深沟槽结构测量红外椭偏光谱；采用分波长建模方法分别计算在近红外和中红外波段理论椭偏光谱，采用分步光谱反演方法与实验测量红外椭偏光谱匹配，依次提取出沟槽结构参数和粗糙度参数。装置包括红外光源、第一至第四离轴抛物镜、迈克尔逊干涉仪、平面反射镜、起偏器、样品台、检偏器、探测器和计算机；是一种非接触、非破坏性、低成本、快速侧壁形貌测量手段。

权利要求

1.一种微纳深沟槽结构侧壁形貌测量方法，其步骤包括：

第1步将红外光束经起偏器起偏后，投射到包含深沟槽结构的待测物品表面，红外光束位于近红外至中红外波段范围内，波长为0.8～20um；

第2步入射光束经深沟槽结构各表面反射后，经检偏器检偏，采用红外探测器接收反射信号，得到干涉信号；

第3步对红外探测器接收得到的干涉信号进行傅立叶变换，得到深沟槽结构的红外椭偏光谱；

第4步采用分波长建模方法，分别计算深沟槽结构在近红外波段和中红外波段椭偏光谱，包括振幅比和相位差；

第5步基于以上分波长建模方法，采用分步光谱反演方法依次提取深沟槽结构参数和粗糙度参数。

2.实现权利要求1所述的一种微纳深沟槽结构侧壁形貌测量方法的装置，其特征在于：该装置包括红外光源(31)、第一至第四离轴抛物镜(32、36、39、41)、迈克尔逊干涉仪(33)、平面反射镜(34)、起偏器(35)、样品台(37)、检偏器(40)、探测器(42)和计算机(43)；

红外光源(31)、第一离轴抛物镜(32)、迈克尔逊干涉仪(33)和平面反射镜(34)依次位于同一光路上，平面反射镜(34)与与迈克尔逊干涉仪(33)的出射光路之间的夹角为

45°；起偏器(35)和第二离轴抛物镜(36)依次位于平面反射镜(34)反射光路上，样品台(37)位于第二离轴抛物镜(36)反射光路上；第三离轴抛物镜(39)的入射光轴与第二离轴抛物镜(36)的出射光轴相对样品台(37)表面法线对称布置，第三离轴抛物镜(39)接收第二离轴抛物镜(36)反射光束在待测样品(38)上再次反射光束；检偏器(40)和第四离轴抛物镜(41)依次位于第三离轴抛物镜(39)的出射光路上，探测器(42)位于第四离轴抛物镜(41)出射光路的焦平面上，计算机(43)依次与探测器(42)相连。

说明书

一种微纳深沟槽结构侧壁形貌快速测量方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于集成电路(IC)和微机电系统(MEMS)器件测量技术，具体涉及微纳深沟槽结构刻蚀过程快速测量方法及装置，该方法尤其适用于3D互连通孔(TSV)和动态随机存储器(DRAM)中深沟槽结构加工过程沟槽侧壁形貌测量。

背景技术

[0002] 在微电子和功率半导体器件设计与制造工艺过程中，目前广泛采用了密集型三维结构阵列。例如在3D互连通孔(TSV)制备以及先进的动态随机存储器(DRAM)电容器设计中均采用了高深宽比的深沟槽结构。随着半导体工艺“按比例缩小”趋势的不断发展，集成电路中各种深沟槽结构特征尺寸不断下降。在特征尺寸下降的过程中，原先可以忽略的侧壁粗糙度(SWR)等侧壁形貌参数对元器件电气性能的影响将越来越大。一般来讲，沟槽侧壁形貌参数主要包括几何特征参数(如沟槽特征宽度、沟槽深度以及沟槽侧壁角等参数)和沟槽侧壁粗糙度参数。为实现有效的工艺控制，在制造过程中对深沟槽结构侧壁形貌进行快速、非破坏性的精确检测具有重要意义。

[0003] 在众多的非破坏性的测量方法中，光学测量方法特别适合该应用需求，例如反射光谱测量法，散射光谱法等，这些方法已广泛应用于光学薄膜厚度和成分测量，在部分专利及文献中已将其应用到光栅沟槽结构的测量中。在本申请人提出了“一种微纳深沟槽结构测量方法和装置”(公开号为CN101131317A，公开日为2008-02-27)和“一种微纳深沟槽结构在线测量方法及装置”(公开号为CN101393015A，公开日为2009-03-25)，该发明方法将红外光束投射到含有深沟槽结构的硅片表面，分析从深沟槽结构各分界面反射形成的干涉光得到测量红外反射光谱；采用等效介质理论构建该深沟槽结构等效多层薄膜堆栈光学模型的理论红外反射光谱，利用模拟退火算法、人工神经网络、基于梯度等优化算法实现光谱反演分析，进而提取沟槽的深度及宽度等几何特征参数，实现高深宽比深沟槽宽度和深度等尺寸的精确测量。该方法可以同时对沟槽深度、宽度和薄膜厚度进行测量。该发明方法提供的实现装置采用中红外光束对待测结构进行探测，通过精确测量得到沟槽结构表面红外反射光谱，进而光谱反演分析提取得到沟槽结构几何特征参数值。

[0004] 在以上专利文献中提到基于深沟槽结构表面红外反射光谱的测量方法，主要用与深沟槽特征宽度、深度等几何特征参数的测量。然而，由于中红外反射光谱对沟槽细微形貌变化不灵敏，在等效介质近似建模中忽略了沟槽侧壁粗糙度参数的影响，因而无法实现深沟槽结构完整侧壁形貌的测量。在该方法提出的实现装置，需要预先测量一参考反射面的反射光谱。由于参考反射面反射光谱测量条件与待测样件反射光谱测量条件的差异，会给测量结果带来较大误差。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种微纳深沟槽结构侧壁形貌参数快速测量方法，该方法可以对包括沟槽深度、宽度等几何特征参数以及沟槽侧壁粗糙度参数在内的完整沟槽侧壁形貌参数进行快速精确检测，具有非接触性，非破坏性，高速以及高精度的特点，本发明还提供了实现该方法的装置。

[0006] 本发明公开的微纳深沟槽结构侧壁形貌参数测量方法，其步骤包括：

[0007] 第1步将红外光束经起偏器起偏后，投射到包含深沟槽结构的待测物品表面，红外光束位于近红外至中红外波段范围内，波长为0.8～20um；

[0008] 第2步入射光束经深沟槽结构各表面反射后，经检偏器检偏，采用红外探测器接收反射信号，得到干涉信号；

[0009] 第3步对红外探测器接收得到的干涉信号进行傅立叶变换，得到深沟槽结构的红外椭偏光谱；

[0010] 第4步采用分波长建模方法，分别计算深沟槽结构在近红外波段和中红外波段椭偏光谱，包括振幅比和相位差；

[0011] 第5步基于以上分波长建模方法，采用分步光谱反演方法依次提取深沟槽结构参数和粗糙度参数。

[0012] 本发明所提供的实现所述微纳深沟槽结构侧壁形貌快速测量方法的装置，其特征在于：该装置包括红外光源、第一至第四离轴抛物镜、迈克尔逊干涉仪、平面反射镜、起偏器、样品台、检偏器、探测器和计算机；红外光源、第一离轴抛物镜、迈克尔逊干涉仪和平面反射镜依次位于同一光路上，平面反射镜与与迈克尔逊干涉仪的出射光路之间的夹角为45°；起偏器和第二离轴抛物镜依次位于平面反射镜反射光路上，样品台位于第二离轴抛物镜反射光路上；第三离轴抛物镜的入射光轴与第二离轴抛物镜的出射光轴相对样品台表面法线对称布置，第三离轴抛物镜接收第二离轴抛物镜反射光束在待测样品上再次反射光束；检偏器和第四离轴抛物镜依次位于第三离轴抛物镜的出射光路上，探测器位于第四离轴抛物镜出射光路的焦平面上，计算机依次与探测器相连。

[0013] 与现有的测量方法相比，本发明所提供的方法可实现微纳深沟槽结构的在线、快速、高精度的测量，在半导体测量及工艺控制领域将会有广泛的应用前景。具体而言，本发明可以在TSV、DRAM等器件中微纳深沟槽结构测量中获得如下效果：

[0014] (1)实现TSV、DRAM中各种典型深沟槽结构的完整侧壁形貌参数在线测量；

[0015] (2)实现TSV、DRAM中各种典型深沟槽结构中刻蚀过程缺陷检测，快速判断出刻蚀阻塞(chocking)、掩膜过蚀(mask erosion)等典型刻蚀缺陷。

附图说明

[0016] 图1是深沟槽结构侧壁形貌参数分波长建模示意图；

[0017] 图2是深沟槽结构侧壁形貌参数分步提取流程图；

[0018] 图3是本发明一实施案例装置系统图。

具体实施方式

[0019] 下面以斜壁深沟槽结构的测量过程为例，结合附图对本发明方法的原理和工作过程作进一步详细说明。

[0020] 本发明方法的实现步骤包括：

[0021] (1)将红外光束经起偏器起偏后，投射到包含深沟槽结构的待测物品表面，红外光束位于近红外至中红外波段范围内，波长为0.8～20um；

[0022] (2)入射光束经沟槽结构各表面反射后，经检偏器检偏，采用红外探测器接收反射信号，得到干涉信号；

[0023] (3)对红外探测器测量得到的干涉信号进行傅立叶变换，得到深沟槽结构的红外椭偏光谱；

[0024] (4)采用分波长建模方法，分别计算深沟槽结构在近红外波段和中红外波段椭偏光谱(包括振幅比和相位差)；

[0025] 如图1所示，根据沟槽结构侧壁形貌参数的特点分为两类：侧壁粗糙度参数和几何特征参数。

[0026] 在中红外波段内，沟槽结构椭偏光谱只对沟槽结构几何特征参数变化灵敏。因此，可将沟槽结构侧壁形貌参数简化，只考虑沟槽线宽D、节距P、深度H、侧壁角SWA几何特征参数。根据简化深沟槽结构特点，采用基于等效介质理论的建模方法，将简化深沟槽结构等效为多层薄膜堆栈模型，并采用等效介质近似公式(1)计算各等效层等效介电常数εeff：

[0027]

[0028] 其中，εh是该等效层所对应的沟槽结构层主要材料的电介质常数，fj是该等效层所对应的沟槽结构层中第j种其他介质所占的体积百分比，εj是该等效层所对应的沟槽结构层中第j种其他介质的电介质常数，j为沟槽结构层中其他介质种类所对应的序号。N为沟槽结构层中介质种类数，j取值为1至N。基于等效介质近似理论的建模方法参见CN101131317A中公开的方法。

[0029] 在近红外波段内，假定深沟槽结构几何特征参数值已知，侧壁粗糙度参数未知。由于在近红外波段内红外椭偏光谱对深沟槽侧壁粗糙度灵敏的特性，采用严格耦合波理论建模方法，以沟槽侧壁粗糙度参数、沟槽线宽、沟槽深度、侧壁角等几何结构参数为输入，计算该深沟槽结构在近红外波段内的椭偏光谱：

[0030] ①将沟槽侧壁形貌抽象为一周期性正弦函数，正弦函数幅值为A频率为w。

[0031] ②将沟槽结构分层，运用严格耦合波建模方法计算得到对应琼斯(Jones)矩阵[0032] ③通过琼斯矩阵元素J11和J22计算沟槽结构近红外波段理论椭偏光谱，其中，振幅比 相位差

[0033] 采用多层薄膜光学传播矩阵方法计算等效多层薄膜堆栈模型在在中红外波段的椭偏光谱：

[0034] ①首先计算多层薄膜堆栈模型光学传播矩阵：

[0035]

[0036] 其中，其中D0是环境的光学特征矩阵，Ds是基底的光学特征矩阵，Dl是膜堆栈第l层的折射率和折射角的矩阵函数，Pl是第l层相位变化角的矩阵函数。对于TE偏振方向第l层的 对于TM偏振方向第l层

[0037] ②应用多层薄膜光学传播矩阵分别计算TE和TM偏振方向反射率系数r：

[0038]

[0039] ③由TE和TM偏振方向放射率系数计算简化沟槽结构理论椭偏光谱，得到振幅比相位差

[0040] (5)基于以上分波长建模方法，采用分步光谱反演方法依次提取沟槽结构参数和粗糙度参数；

[0041] 如图2所示，首先将测量得到的红外椭偏光谱按波长分解为近红外椭偏光谱和中红外椭偏光谱。

[0042] 在中红外波段内，采用前述等效介质理论建模方法计算简化沟槽结构对应的理论红外椭偏光谱，再通过光谱匹配法，提取出沟槽结构几何特征参数，包括沟槽线宽、沟槽深度、侧壁角等参数。在这里，光谱匹配法可参见CN101393015A中公开的方法。

[0043] 在近红外波段范围内，采用严格耦合波建模方法，计算对应的深沟槽结构理论红外椭偏光谱；沟槽结构粗糙度参数模型为输入，前述中红外波段椭偏光谱提取得到的几何特征参数为已知值，然后采用光谱匹配法，提取出描述沟槽结构正弦函数幅值A和频率w值，再采用图1所示公式计算出侧壁粗糙度参数值。在这里，由于待求参数只有侧壁粗糙度参数，因此，可采用局部优化算法，如最速梯度下降法，快速求取出沟槽侧壁粗糙度参数。

[0044] 如图3所示，本发明装置包括红外光源31，第一离轴抛物镜32，迈克尔逊干涉仪33，平面反射镜34，起偏器35，第二离轴抛物镜36，样品台37，第三离轴抛物镜39，检偏器
40，第四离轴抛物镜41，探测器42，计算机43。

[0045] 红外光源31，第一离轴抛物镜32，迈克尔逊干涉仪33，平面反射镜34依次位于同一光路上，平面反射镜34与与迈克尔逊干涉仪33的出射光路之间的夹角为45°。起偏器35和第二离轴抛物镜36依次位于平面反射镜34反射光路上，样品台37位于第二离轴抛物镜36反射光路上。第三离轴抛物镜39的入射光轴与第二离轴抛物镜36的出射光轴相对样品台37表面法线对称布置，第三离轴抛物镜39接收第二离轴抛物镜36反射光束在待测样品38上再次反射光束。检偏器40和第四离轴抛物镜41依次位于第三离轴抛物镜39的出射光路上，探测器42位于第四离轴抛物镜41出射光路的焦平面上。计算机43依次与探测器42相连。

[0046] 红外光源31发出的光束经第一离轴抛物镜32反射得到平行光束，平行光束进入起偏器33得到平行椭圆偏振光束。椭圆偏振光束经迈克尔逊干涉仪34调制后，由第二离轴抛物镜36汇聚，以45°投射到待测样件38表面，反射光束经离轴抛物镜39反射，平行射入检偏器40，检测得到经待测样件表面反射后的椭偏偏振光的偏振态。从检偏器40出射的平行光束由第四离轴抛物镜41反射后进入红外探测器42内。红外探测器6包括信号采集、放大、滤波、数模转换等功能。红外探测器采集到的干涉信号经前置处理后送入计算机43。

[0047] 本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。