AFM：應對65nm以下測量技術挑戰(zhàn)

多晶硅凹槽反刻

在DRAM制造的溝槽電容形成過程中，會有一個深溝槽被多晶硅填充，然后經(jīng)過幾次反刻形成多晶硅凹槽。凹槽深度的控制非常關鍵，以確保正確的器件功能。AFM是直接在存儲器列單元上測量凹槽深度的首選， 應用如圖5所示的一種被稱為“間距掃描”的方法，AFM可以對每個點的多個凹槽孔進行快速測量。芯片內AFM測量可以在小于一個小時的時間內對整片硅片進行多點掃描。凹槽底部通常會有一個具有洞狀的錐形輪廓(圖6)。從直到傾斜的側壁的過渡部分被稱為“肩部”，TEM和XSEM經(jīng)常被用來測量過渡部分和肩部高度。AFM是取代TEM或X-SEM來測量溝槽輪廓、 總體溝槽深度和肩部高度的理想選擇，并且具有極高的精確度。

當DRAM技術節(jié)點達到90納米以下時，凹槽孔變得非常淺和狹窄。這為在線光學技術提出了重大的挑戰(zhàn)，因為在線光學技術很難得到可靠的和精確的模型和模擬。然而，更小的AFM探針可以持續(xù)的提供準確的凹槽測量。

柵刻蝕

多晶硅或金屬柵的CD和輪廓控制對無缺陷和高性能晶體管來說最為關鍵。X-SEM和TEM非常耗時，硅片必須廢棄，并且只能提供有限的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由于具有高精確度和快速的產(chǎn)量，光學散射測量作為柵刻蝕的首選CD測量方法贏得了廣泛的使用。然而，散射測量依賴于光譜數(shù)據(jù)庫中進行模擬和建模。準確度和精確度受到諸如多晶硅/外圍粗糙度、薄膜組成和厚度等諸多工藝變化的影響。對于復雜的柵結構來說，建立一個散射測量數(shù)據(jù)庫需要幾周甚至幾個月，散射測量只能測量特殊設計的光柵，而不能被用來表征諸如芯片內存儲器單元或邏輯電路的任意特征。另外，散射測量不能測量諸如抗反射或硬掩膜層的非反射物質。

AFM可以提供任何材料上芯片內任意位置的無偏差和直接的測量，并且可以作為在線監(jiān)控機臺或進行散射測量校正和數(shù)據(jù)庫優(yōu)化的參考測量方法。SAFM測量方法的優(yōu)點是CD和輪廓的多重關鍵幾何測量可以直接從單獨的AFM掃描圖象中抽取出來，而不需建立光學模型。多晶硅柵的LER和LER數(shù)據(jù)可以幫助優(yōu)化圖形和刻蝕條件。另一個例子是測量p-MOS和n-MOS之間, 隔離的和密集的柵線之間核心的輸入和輸出之間的CD補償值。如圖7所示，AFM也可以直接掃描真實電路特征來進行SRAM存儲器上非破壞性的3D幾何形貌失效分析，并且很少出錯。

在柵刻蝕工藝發(fā)展初期，工程師需要明白刻蝕和光刻條件對最終柵側壁輪廓的影響。工程師們經(jīng)常希望能在同一片硅片上進行連續(xù)實驗，而不是將硅片廢棄。AFM可以在CD掃描模式下進行非破壞性的橫截面輪廓掃描，方便工程師快速地判斷多晶硅輪廓和優(yōu)化刻蝕或光刻工藝條件。

柵側墻

柵側墻是柵刻蝕后淀積在側壁的氮化物或氧化物薄膜，為源漏注入提供阻擋。由于AFM特有的圖形識別能力，它可以在連續(xù)的工藝步驟中精確的將針頭放置于同一片硅片的同一個點，測量者運用AFM掃描柵刻蝕后和稍后的柵側墻刻蝕后的同一處柵線，從而得到每一步工藝的CD和輪廓數(shù)據(jù)(圖8)。量測的差值很方便的給出了介質側墻的厚度和輪廓，并具有絕對精確度。因此，我們采用AFM沿柵側墻測量薄膜厚度，以確保沿垂直的側墻覆蓋的薄膜具有連續(xù)性，這種方法可以引伸到后道銅晶仔或溝槽或通孔側壁的原子層淀積阻擋層厚度的測量。

結論

65納米及以下的集成微電子器件的尺寸測量方法是業(yè)界挑戰(zhàn)之一。AFM為半導體(邏輯和存儲器)制造中關鍵前道工藝監(jiān)控提供了在線和參考測量方法的有益的解決方案。AFM可以掃描電路的任意區(qū)域和各種材料，對數(shù)據(jù)進行解釋時不需要任何建模和臆測。在某些情況下，AFM在橫截面輪廓和形狀分析方面可以取代X-SEM、TEM或Dual Beam。AFM可以在多片硅片的多個點對一個特征進行多線的同時掃描，從而搜集足夠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行特征與特征間、芯片與芯片間、硅片與硅片間、以及批次與批次間的評價、它為在線工藝控制提供了直接的芯片內測量。

由于它的絕對準確性，AFM可以被用作極好的參考標準來校正其它尺寸測量方法，從而建立起追蹤鏈和已知的不確定的預算。CD AFM經(jīng)常被用作有口皆碑的CD測量方法以保持和在線光學散射測量和CD SEM之間的校準，并且可以加快散射測量數(shù)據(jù)庫的發(fā)展。以AFM為基礎的參考測量系統(tǒng)使得世界范圍內的不同工廠之間的測量機臺匹配得以實現(xiàn)，確保Fab1的30納米確實等同于Fab2的30納米。

特征空間大小是對AFM的一個限制，只有當空間足夠大并使得探針可以伸入進行掃描時AFM才能夠工作，當溝槽空間窄于探針直徑時AFM無法進行掃描。隨著AFM探針技術的進一步發(fā)展，已經(jīng)有能夠測量窄空間和很大縱寬比的更小針頭出現(xiàn)。