AFM：應(yīng)對65nm以下測量技術(shù)挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體工業(yè)目前已經(jīng)進入65納米及以下技術(shù)時代，關(guān)鍵特征通常為納米級，如此小特征的制造工藝要求特殊的測量儀器，以便能夠表征出納米級幾何尺寸，從而檢驗出任何偏離工藝規(guī)格中心值的情況，確保與設(shè)計規(guī)格保持一致。

掃描探針顯微鏡(SPM)已經(jīng)應(yīng)用在納米技術(shù)和納米科學(xué)中，主要包括以結(jié)構(gòu)、機械、磁性、形貌、電學(xué)、化學(xué)、 生物、工程等為基礎(chǔ)的研究和工業(yè)應(yīng)用。原子力顯微鏡(AFM)是以顯微力感應(yīng)為基礎(chǔ)的SPM家族的一個分枝。工業(yè)用AFM是一種自動的，由菜單驅(qū)動的在線生產(chǎn)測量機臺，自動的硅片操作、對準(zhǔn)、探針操作、位置尋找、抓圖和圖像數(shù)據(jù)分析等測量都被編程在菜單中，最終輸出測量數(shù)據(jù)。值得一提的是，AFM作為130納米及以下技術(shù)結(jié)點中表征刻蝕和化學(xué)機械拋光(CMP)的尺寸測量的先進幾何控制方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造業(yè)，與半導(dǎo)體工業(yè)工藝技術(shù)類似，光掩膜和薄膜為主的工業(yè)也采用了AFM作為工藝測量方法。

AFM可以測量表面形貌、3D尺寸和幾何形狀，水平表面輪廓和垂直側(cè)壁形狀輪廓。測量區(qū)域可以在很小(50μm)或很長(10cm)的范圍內(nèi)。采用小比例AFM模式，可測量的變量有高度或深度、線寬、線寬變化、線邊緣粗糙度、間距、側(cè)壁角度、側(cè)壁粗糙度、橫截面輪廓、和表面粗糙度。在長范圍（Profiler模式），AFM用于CMP工藝總體表面形貌輪廓的測量。

AFM測量的優(yōu)點

除AFM以外，CD SEM、橫截面SEM(X-SEM), TEM、Dual Beam、光學(xué)散射測量、光學(xué)輪廓儀和探針輪廓儀均為已有的表征和監(jiān)控工藝尺寸的測量方法。通常認為最值得信任的3D尺寸分析方法應(yīng)該是X-SEM或TEM，但是X-SEM或TEM的主要障礙是樣品制備、機臺操作、時間以及費用。X-SEM和TEM會破壞硅片，并且只能一次性的切入特征區(qū)域。TEM不能在光刻膠上工作。CD SEM會導(dǎo)致光刻膠吸收電荷、收縮、甚至損傷光刻膠， CD SEM幾乎無法提供3D形狀信息。光學(xué)散射測量具有快速和準(zhǔn)確的特點，但是只能在特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)上工作，并且無法提供LER和ＬＷＲ數(shù)據(jù)。為特定的薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)展一套可靠的散射測量數(shù)據(jù)庫通常是非常困難并且耗時的?？臻g分辨率和光斑尺寸會限制Ｘ射線、光學(xué)厚度、或形貌測定儀器的應(yīng)用。

由于AFM的獨特特性，使得它與其它測量技術(shù)相比具有更明顯的優(yōu)勢。AFM可以在非真空環(huán)境中工作。它是一種表面力感應(yīng)的顯微鏡，所以它可以提供非破壞性的，直接的3D測量，勝于模擬、 模型、或者推斷。AFM可以快速的檢查橫截面輪廓或表面形貌，以便檢測出尺寸是否在規(guī)格內(nèi)，而不需像TEM一樣破壞制品。AFM沒有光斑尺寸限制，并且在CMP平坦化應(yīng)用方面，它比光學(xué)或探針輪廓儀具有更高的分辨率。

AFM可以在線測量當(dāng)今納米電子工業(yè)中的任何材料樣品，不管其薄膜層結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性或是組成。AFM對于最新的先進工藝和材料集成中涌現(xiàn)出來的新材料(SiGe、高K、金屬柵和低K)并不敏感。電路圖案的逼真度和尺寸取決于其附近的環(huán)境。然而，AFM測量與特征接近度或圖形密度效應(yīng)之間沒有偏差，這些都是ITRS2005測量部分所列出的重要要求。因此，AFM在世界半導(dǎo)體工業(yè)贏得了廣泛應(yīng)用，并且其在130納米及更小尺寸中的應(yīng)用正在增加。在應(yīng)用目的方面，AFM可以被用為在線監(jiān)控深度、CD和輪廓，取代TEM進行橫截面輪廓的工程分析，是在線散射測量和CD校準(zhǔn)以及追蹤的極好的參考。表1為自動AFM測量的典型應(yīng)用。

操作原理

在一個反饋控制回路中，AFM掃描儀控制一個微小探針在X(或Y)和Z方向進行掃描，在探針和樣品表面間保持緊密的接近，從而獲得所有XY和Z方向的高分辨率方位數(shù)據(jù)，如圖1所示。

3D形貌的原始數(shù)據(jù)是由x/y/z空間數(shù)據(jù)構(gòu)造而來的。然后，離線的軟件分析使探頭形狀不再環(huán)繞AFM圖像并且提取出測量目標(biāo)相關(guān)的重要幾何參數(shù)， 如深度、 特定區(qū)域頂部/中間/底部的線寬、 側(cè)壁角度和輪廓形狀、 或表面形貌。

STI刻蝕

淺溝槽隔離(STI)是邏輯、 DRAM和Flash等硅器件中的一種普通工藝。STI形成晶體管中的活性硅區(qū)域和隔離氧化物區(qū)域。AFM在STI刻蝕深度、線寬、CD和側(cè)壁輪廓測量方面有著獨特的應(yīng)用。圖2展示了與TEM橫截面相比典型的AFM輪廓。從比較中可以說明，AFM在表征窄深的STI溝槽全3D幾何形狀方面取代了冗長和高耗費的TEM，STI溝槽在活性硅區(qū)域頂部通常有一層氮化物作為硬掩膜，CD SEM通常很難準(zhǔn)確測量從氮化物到硅轉(zhuǎn)換區(qū)域的硅的CD。高分辨率的AFM可以掃描出這個轉(zhuǎn)換點，可以在轉(zhuǎn)換位置編程出圖象分析，從而計算氮化物底部CD和硅頂部的CD。AFM可以對整片硅片進行快速非破壞性的描繪，而X-SEM和TEM是無法做到的。溝槽側(cè)壁角度(SWA)的微小變化會引起最終圖形特征上線寬的巨大變化，AFM為高深寬比的STI溝槽提供了非破壞性及高精度的SWA表征。

STI CMP

STI模塊進行化學(xué)機械拋光(CMP)和濕法氮化物去除以后，產(chǎn)生了多樣化的表面以及在活性區(qū)域及附近場氧化物區(qū)域的高度差(圖3)。硅片內(nèi)實際電路區(qū)域的局部形貌變化是一個非常關(guān)鍵的參數(shù)。晶體管電學(xué)失效與較大的或反向的活性硅與場氧化物之間的步高差相關(guān)，CMP形貌取決于特征尺寸和圖形密度。然而，芯片內(nèi)不同特征之間的步高相關(guān)性很差，這再一次證明了傳統(tǒng)的橢偏法和散射測量法在測量劃片區(qū)域里大塊的測試結(jié)構(gòu)以反映芯片內(nèi)真實的電路形貌時已存在不足。AFM是一種在線測量技術(shù)，可以在任何需要的測試點進行快速的和非破壞性的芯片內(nèi)形貌監(jiān)控。

AFM可以檢測和測量出由于硅片邊緣不均勻的拋光速率造成的反向的硅/氧化物步高(圖4)，圖4展示了氮化物去除后活性區(qū)域和隔離區(qū)域交界處氧化物的轉(zhuǎn)換，以及何種轉(zhuǎn)換會影響晶體管的閾值電壓。AFM對轉(zhuǎn)換輪廓非常敏感，并且轉(zhuǎn)換深度可以得到監(jiān)控。