用于利用激光增强电子隧穿效应检测深度特征中的缺陷的方法

摘要

一种用于基于激光增强电子隧穿效应来检测诸如沟道孔、过孔孔或沟槽的深度特征中的缺陷的方法。提供具有位于其上的膜堆叠层的衬底。在膜堆叠层中形成第一和第二深度特征。第一深度特征具有设置在其底部的牺牲氧化物层。第二深度特征包括欠蚀刻缺陷。牺牲氧化物层具有低于50埃的厚度。使衬底经受激光增强电子束检查过程。用电子束对衬底进行扫描，并且用激光束对衬底进行照射。激光束诱发跨越牺牲保护层的电子隧穿，由此俘获对应于第一深度特征的亮电压衬度(BVC)信号，并且检测对应于第二深度特征的暗电压衬度(DVC)信号。

权利要求

1.一种缺陷检查方法，包括：

提供具有位于其上的膜堆叠层、处于所述膜堆叠层中的第一深度特征、以及处于所述膜堆叠层中的第二深度特征的衬底，其中，所述第一深度特征包括设置在其底部的牺牲保护层，并且所述第二深度特征包括设置在其底部的欠蚀刻缺陷；以及使所述衬底经受激光增强电子束检查过程，其中，用电子束对所述衬底进行扫描，并且用激光束对所述衬底进行照射，其中，在所述激光增强电子束检查过程期间，所述激光束诱发跨越所述牺牲保护层的电子隧穿，由此俘获对应于所述第一深度特征的亮电压衬度(BVC)信号，并且检测对应于所述第二深度特征的暗电压衬度(DVC)信号，所述激光束具有短于600nm的波长以便能够使得用所述电子束对所述衬底进行的扫描能够具有位于其上的膜堆叠层、处于所述膜堆叠层中的第一深度特征、以及处于所述膜堆叠层中的第二深度特征的衬底中检测到所述第二深度特征，其中，控制所述激光束选择性地以一预定角度对所述衬底进行照射，所述预定角度可在从0°到90°但不包括0°和90°的范围内变动。

2.根据权利要求1所述的缺陷检查方法，其中，所述牺牲保护层是氧化硅层，并且具有处于5埃和100埃之间的范围内的厚度。

3.根据权利要求1所述的缺陷检查方法，其中，所述衬底是半导体衬底。

4.根据权利要求1所述的缺陷检查方法，其中，所述第一深度特征和所述第二深度特征是穿透所述膜堆叠层的中空孔。

5.根据权利要求1所述的缺陷检查方法，其中，所述膜堆叠层包括由交替的电介质层和导电层构成的多层或者由交替的电介质层和金属栅极线替换牺牲层构成的多层。

6.根据权利要求1所述的缺陷检查方法，其中，所述第一深度特征包括垂直于所述衬底的主表面延伸的一个端部部分，并且其中，所述端部部分包括硅层以及帽盖外延硅层的牺牲保护层。

7.根据权利要求1所述的缺陷检查方法，其中，在所述第一深度特征和所述第二深度特征中的每者中，沉积牺牲层，并且其中，所述第一深度特征和所述第二深度特征未完全被所述牺牲层填充，并且在所述第一深度特征和所述第二深度特征中的每者中形成了空隙。

8.根据权利要求7所述的缺陷检查方法，其中，所述牺牲保护层使外延硅层与所述牺牲层绝缘。

9.根据权利要求1所述的缺陷检查方法，其中，所述激光束具有大约2.0eV的能量。

说明书

用于利用激光增强电子隧穿效应检测深度特征中的缺陷的

方法

技术领域

[0001] 本公开涉及一种缺陷检查方法。更具体而言，本公开涉及一种用于基于激光增强电子隧穿效应检测深度特征(例如，沟道孔、过孔孔或缝隙沟槽)中的缺陷的方法。

背景技术

[0002] 在半导体器件的制造中，对图案化衬底进行缺陷检查，从而能够实现对可接受器件的生产。已经开发出了各种检查技术来俘获图案化衬底上的缺陷。一种常见的检查技术
是电子束检查(EBI)。

[0003] EBI是通过在形成于衬底上的器件的表面图案之上扫描电子束并且收集从受到扫描的器件的表面图案发出的二次电子作为检查信号而执行的。按照灰度级对所述信号进行
处理和表示，以产生受到扫描的器件的表面图案的图像。

[0004] 在3D NAND存储器制造工艺期间，随着膜堆叠层的层数提高，蚀刻设备的能力变得越来越难以满足一次完成蚀刻的要求，并且因而已经出现了3D NAND多堆叠层技术。多堆叠
层技术需要牺牲层(例如，氧化硅、碳)，以在制造上部膜堆叠层时保护下部堆叠层衬底。

[0005] 然而，由于覆盖下部堆叠层衬底而不允许电子通过的牺牲层的存在，常规EBI工艺既不能检测也不能区分下部堆叠层衬底的欠蚀刻缺陷。因此，在本行业中非常有必要提供
一种改进的缺陷检查方案，从而能够实现对下部堆叠层的欠蚀刻缺陷的有效检测，并且能
够及时监测在线缺陷或问题。

发明内容

[0006] 本公开的目的在于提供一种改进的在线缺陷检查方法，其能够检测深度特征(例如，沟道孔、过孔孔或缝隙沟槽等)中的欠蚀刻缺陷。

[0007] 根据本公开的一个方面，公开了一种缺陷检查方法。提供具有位于其上的膜堆叠层的衬底。在膜堆叠层中形成第一深度特征和第二深度特征。第一深度特征包括位于其底
部的牺牲保护层。第二深度特征包括欠蚀刻缺陷。使衬底经受激光增强电子束检查过程。

[0008] 用电子束对衬底进行扫描，并且用激光束对衬底进行照射。在激光增强电子束检查过程期间，激光束诱发通过牺牲保护层的电子隧穿，由此俘获对应于第一深度特征的亮
电压衬度(BVC)信号，并且检测对应于第二深度特征的暗电压衬度(DVC)信号。

[0009] 根据一些实施例，牺牲保护层是氧化硅层，并且具有处于5埃和100埃之间的范围内的厚度。

[0010] 根据一些实施例，所述衬底是半导体衬底。

[0011] 根据一些实施例，第一深度特征和第二深度特征是是中空的，从而穿透所述膜堆叠层。

[0012] 根据一些实施例，所述膜堆叠层包括由交替的电介质层(例如，氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅等)和导体层(例如，掺杂多晶Si、由W、Co、Cu等构成的金属层)构成的多层，
或者由交替的电介质层(例如，氧化硅、碳化硅等)和栅极线替换牺牲层(例如，氮化硅、氮氧
化硅等)构成的多层。

[0013] 根据一些实施例，第一深度特征包括垂直于衬底的主表面延伸的一个端部部分，并且其中，所述端部部分包括硅层以及帽盖所述外延硅层的牺牲保护层。

[0014] 根据一些实施例，在第一深度特征和第二深度特征中的每者中，沉积牺牲层(例如，多晶Si、碳等)，并且其中，第一深度特征和第二深度特征未完全被牺牲层填充，并且在
第一深度特征和第二深度特征中的每者中形成了空隙。

[0015] 根据一些实施例，牺牲保护层使外延硅层与牺牲层绝缘。

[0016] 根据一些实施例，所述激光束具有高于硅的带隙的能量。

[0017] 根据一些实施例，所述激光束具有大约2.0eV的能量。

[0018] 在阅读了在各幅附图中例示的优选实施例的以下详细描述之后，本发明的这些和其他目的对于本领域普通技术人员而言无疑将变得显而易见。

附图说明

[0019] 被并入本文并形成说明书的部分的附图例示了本公开的实施例并与说明书一起进一步用以解释本公开的原理，并使相关领域的技术人员能够做出和使用本公开。

[0020] 图1是示出了根据本公开的一个实施例的利用常规EBI方法对制作于衬底上的下部堆叠层的其上带有欠蚀刻缺陷的有密切关系的部分的检查结果的示意性截面图；

[0021] 图2是示出了根据本公开的一个实施例的示例性电子束检查系统的示意图；

[0022] 图3是示出了根据本公开的一个实施例的利用激光增强EBI方法所做的与制作于衬底上的下部堆叠层的其上带有欠蚀刻缺陷的有密切关系的部分相对应的检查结果的示
意性截面图。

[0023] 将参考附图描述本公开的实施例。

具体实施方式

[0024] 现在将详细参考本发明的示例性实施例，在附图中对其给出了例示，以便于理解和实施本公开并实现所述技术效果。应当理解，下文的描述只是以举例方式做出的，而不对
本公开构成限制。本公开的各种实施例和实施例中的各种特征只要不相互矛盾就可以通过
各种方式进行组合和重新安排。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，对本公开的修改、
等价方案或改进都是本领域技术人员可理解的，并且旨在包含在本公开的范围内。

[0025] 应当指出，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定
特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。

[0026] 此外，在联系实施例描述特定特征、结构或特性时，联系其他实施例(无论是否明确描述)实现这样的特征、结构或特性处于相关领域技术人员的知识范围内。

[0027] 一般而言，应当至少部分地从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分地取决于上下文，文中使用的术语“一个或多个”可以用于以单数意义描述任何特征、结构或特性，
或者可以用于以复数意义描述特征、结构或特性的组合。类似地，还可以将术语“一”或“所
述”理解为传达单数用法或者传达复数用法，其至少部分地取决于上下文。

[0028] 应当容易地理解，应当按照最宽的方式解释本公开中的“在……上”、“在……上方”和“在……之上”，以使“在……上”不仅意味着“直接处于某物上”，还包括在某物“上”且
其间具有中间特征或层的含义，并且“在……上方”或者“在……之上”不仅意味着在某物
“上方”或“之上”，还包括在某物“上方”或“之上”且其间没有中间特征或层(即，直接在某物
上)的含义。

[0029] 此外，此外，诸如“在…下”、“在…下方”、“下部”、“在…上方”、“上部”等空间相对术语在本文中为了描述方便可以用于描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的
如图中所示的关系。空间相对术语旨在涵盖除了在附图中所描绘的取向之外的在设备使用
或操作中的不同取向。设备可以以另外的方式被定向(旋转90度或在其它取向)，并且本文
中使用的空间相对描述词可以类似地被相应解释。术语“垂直”是指垂直于半导体衬底的表
面的方向，并且术语“水平”是指平行于该半导体衬底的表面的任何方向。

[0030] 本公开涉及一种用于基于激光增强电子隧穿效应来检测深(高纵横比)沟道孔、过孔孔或沟槽中的缺陷的方法。提供具有位于其上的膜堆叠层的衬底。在膜堆叠层中形成第
一孔特征和第二孔特征。第一孔特征包括设置在其底部的牺牲氧化物层，并且第二孔特征
包括处于其底部的欠蚀刻缺陷。牺牲氧化物层具有小于50埃的厚度，以使得能够跨越牺牲
氧化物层诱发电子隧穿。使衬底经受激光增强电子束检查过程。用电子束对衬底进行扫描，
并且用激光束对衬底进行照射，其中，激光束诱发跨越牺牲保护层的电子隧穿，由此俘获对
应于第一孔特征的亮电压衬度(BVC)信号，并且检测对应于第二孔特征的暗电压衬度(DVC)
信号。

[0031] 图1示出了根据本公开的一个实施例的利用常规电子束检查(EBI)方法所做的与制作在衬底上的底部膜堆叠层的其上带有欠蚀刻缺陷的有密切关系的部分相对应的检查
结果的示意性截面图。如图1所示，提供衬底10。衬底10可以是半导体衬底。根据一个实施
例，例如，衬底10可以包括硅衬底。根据一些实施例，例如，衬底10可以包括绝缘体上硅
(SOI)衬底、SiGe衬底、SiC衬底或者外延衬底，但不限于此。可以在衬底10上形成用于制作
三维(3D)存储单元阵列(例如3D NAND闪速存储器阵列)的膜堆叠层20。

[0032] 例如，膜堆叠层20可以包括由交替的氧化物层202和氮化物层204构成的多个层。根据一个实施例，例如，氮化物层204可以是牺牲氮化硅层，并且可以在后面的阶段中被选
择性地去除。在氮化物层204被选择性地去除之后，可以沉积导体层来代替氮化物层204，所
述导体层可以充当字线条带或栅电极。根据一个实施例，例如，硬掩模层22可以被形成在膜
堆叠层20上。根据一个实施例，例如，硬掩模层22可以包括氧化硅层，但不限于此。

[0033] 应当理解，衬底10可以包括制作于其上的集成电路，例如，用于3D存储单元阵列的驱动器电路，在附图中出于简单起见没有将其示出。交替的氧化物层202和氮化物层204可
以是通过化学气相沉积(CVD)方法、原子层沉积(ALD)方法或者本领域已知的任何适当方法
形成的。

[0034] 根据一个实施例，例如，在膜堆叠层20中形成多个高纵横比的深度特征，例如沟道孔。为了简单起见，在附图中仅示出了两个示例性沟道孔30a和30b。应当理解，在层堆叠层
20中可以形成沟道孔的阵列。根据一个实施例，例如，沟道孔30a和30b是穿透膜堆叠层20的
中空圆柱形深孔。根据一个实施例，例如，沟道孔30a和30b可以是通过使用各向异性干法蚀
刻方法(例如，反应离子蚀刻(RIE)方法)形成的，但不限于此。

[0035] 根据一个实施例，例如，沟道孔30a可以包括至少一个端部部分301，端部部分301可以基本上垂直于衬底10的主表面10a延伸。端部部分301可以包括外延硅层310以及帽盖
外延硅层310的牺牲保护层320。例如，牺牲保护层320可以是具有处于5埃和100埃之间的范
围内的厚度的薄氧化硅层。例如，牺牲保护层320可以具有大约45埃的厚度。

[0036] 根据一个实施例，在沟道孔30a和30b中的每者中，可以沉积牺牲多晶硅层302，其充当用于上部堆叠层沟道孔的蚀刻工艺的蚀刻停止层(ESL)。根据一个实施例，由于沟道孔
蚀刻可能得到的不完美垂直轮廓的原因，沟道孔30a和30b可能未被牺牲多晶硅层302完全
填充，并且可能在沟道孔30a和30b中形成空隙(或缝)303。牺牲保护层320使下面的外延硅
层310与牺牲多晶硅层302绝缘。根据一个实施例，在沉积了牺牲多晶硅层302之后，可以执
行平面化工艺(包括但不限于化学机械抛光(CMP)或干法蚀刻工艺或湿法蚀刻工艺)，以去
除沟道孔30a和30b外部的多余多晶硅层。在这一点上也可以部分地去除并暴露硬掩模层22
的顶表面。

[0037] 根据一个实施例，例如，示例性沟道孔30b可以具有位于沟道孔30b的底部的欠蚀刻缺陷40。通过执行常规EBI方法获得的电压衬度(VC)图像100a表明，常规EBI工具针对正
常的沟道孔30a和异常的欠蚀刻沟道孔30b两者同时俘获了暗VC(DVC)信号。由于牺牲保护
层320的存在无法将沟道孔30b底部的欠蚀刻缺陷40与正常沟道孔30a区分开。本公开解决
了这一问题。

[0038] 图2是示出了根据本公开的一个实施例的示例性EBI系统的示意图。应当理解，图2中的配置和元件只是为了达到举例说明的目的。如图2所示，示例性EBI系统5可以包括用于
形成接受检查的样本的电压衬度图像的电子束成像设备510。例如，电子束成像设备510可
以包括用于在真空环境中生成电子束的电子束发生器511。电子束通过聚光器透镜模块512
和物镜513，由此形成经聚焦到固定在台515上的样本514上的会聚电子束5111。会聚电子束
5111可以由偏转模块516来控制，以对样本514的表面进行扫描。

[0039] 电子束5111随同所发射的二次电子5112一起在样本514的表面处被部分地散射回去，二次电子5112被传感器或检测器模块517收集。检测器模块517相应地生成检测信号
5113。耦合至检测器模块517的图像形成模块518接收检测信号5113并相应地形成图像，例
如电压衬度图像或灰度级图像。

[0040] 根据一个实施例，例如，电子束成像设备510还包括用于将激光束512照射到样本514的表面上的光源520。根据一个实施例，例如，可以提供缺陷判定设备530。缺陷判定设备
530可以耦合至电子束成像设备510。缺陷判定设备530可以包括控制模块531和图像分析模
块532。光源520可以耦合至控制模块531，使得在样本514接受检查时从光源520发出的激光
束512的参数得到很好的控制。激光束521可以根据会聚电子束5111的扫描而选择性地以预
定角θ照射到样本514的表面上。角θ的优选值可以在从0°到90°的范围内变动(不包括0°和
90°)。例如，可以在会聚电子束5111的扫描之前或者与之同时使激光束521选择性地照射到
样本514的表面上。

[0041] 根据一个实施例，激光束521具有高于硅的带隙Eg(对于单晶Si而言Eg＝1.12eV)的能量。根据一个实施例，例如，激光束521可以具有大约2.0eV的能量。根据一个实施例，例
如，激光束521可以包括具有短于600nm的波长的光子，所述光子具有大于硅的带隙能量Eg
的能量。本公开提供了一种改进的在线缺陷检查方法，其能够基于激光增强电子隧穿效应
来检测深度特征(例如，沟道孔、过孔孔或沟槽)中的欠蚀刻缺陷。

[0042] 还请参考图3。图3是示出了根据本公开的一个实施例的利用激光增强EBI方法所做的与制作于衬底上的下部堆叠层的其上带有欠蚀刻缺陷的有密切关系的部分相对应的
检查结果的示意性截面图。通过类似的附图标记表示类似的层、区域或元件。

[0043] 如图2和图3所示，可以在会聚电子束5111的扫描之前或者与之同时使激光束521选择性地照射到样本514的表面上。激光束521沿预定方向传播，穿透膜堆叠层20，并且之后
抵达衬底10的表面。激光束521提供具有高于样本514的硅的带隙的能量的光子，由此在硅
衬底10中产生电子空穴对102，并感生出跨越正常沟道孔30a中的牺牲保护层320的电子隧
穿漏电流。通过感生出跨越正常沟道孔30a中的牺牲保护层320的电子隧穿漏电流，能够通
过图2中的电子束成像设备510检测出亮VC(BVC)信号。电子束成像设备510可以将欠蚀刻沟
道孔30b检测为DVC信号，由此形成图3中所示的可视觉区分的VC图像100b。

[0044] 使用本公开是有利的，因为可以使用EBI检测来以实时的、在线的方式将异常沟道孔中的欠蚀刻缺陷与正常沟道孔有效地区分开。所公开的实施例基于材料的光电效应和电
子的量子隧穿效应。理论计算表明，当绝缘层的厚度小于5nm时，电子的量子隧穿效应是非
常明显的。因此，当牺牲保护层320的厚度约为4.5nm(45埃)时，有EBI检测信号。激光具有
600nm的波长，并且能够满足Si电子激发的能量要求。通过调整激光束的角度，Si中的电子
吸收光子能量并变成激发电子。大量的电子的存在提高了隧穿电子的数量，从而使EBI能够
区分正常沟道孔和异常沟道孔。

[0045] 所公开的实施例在不需要去除牺牲氧化物层的情况下提供了有效的EBI在线检测。所公开的实施例还提供了提早3个星期俘获深孔中的欠蚀刻缺陷、高准确度和非破坏性
检查的优点。图1和图3中所示的半导体结构仅用于举例说明目的。应当理解，本公开可以适
用于其他EBI缺陷检查情况，例如，高纵横比接触孔或沟槽。

[0046] 本领域的技术人员将容易地发现，在遵循本发明的教导的同时可以对器件和方法做出很多修改和变更。相应地，应当将上文的公开内容视为仅由所附权利要求的划定范围
来限定。