用于测量微结构中的横向深度的方法和装置与流程

1.本发明涉及半导体加工中产生的图案化微结构的计量领域。在本说明书的上下文中，微结构是具有各个特征的尺寸的结构，例如鳍的宽度和长度，数量级为纳米到一微米或更多微米。


背景技术：

2.半导体加工行业一直受到器件、单元和功能的缩放的推动，以保持单位面积性能和成本的稳定增长，从而使10nm以下的器件架构成为hvm(大批量制造)现实。然而，由于它们极小的纳米级尺寸，上述器件的制造需要对其几何形状进行精确控制，尤其是cd(临界尺寸)。与此同时，4nm及以上的技术节点将看到对埋藏信息的3d计量需求增加。在横向腔蚀刻的情况下，一定量的材料被横向移除，例如在氮化物和/或氧化物堆叠下方，这极大地阻碍了对蚀刻深度参数的精确控制。这种监测通常通过涉及临界尺寸扫描电子显微镜(cd-sem)或光学临界尺寸(ocd)的计量步骤来完成，但是cd-sem对这种埋藏信息不敏感，并且ocd依赖于复杂的模型，其中化合物(氧化物、氮化物、多晶硅等)堆叠的许多几何参数可能与腔深度相关，以使得后者不能通过拟合来唯一地确定。


技术实现要素：

3.本发明的目标是提供针对在前一段落中陈述的问题的解决方案。该目标通过所附权利要求书中公开的方法和装置来达成。
4.本发明的方法应用光谱测量来确定微结构的侧壁中的横向凹陷深度。该结构被形成在更大的衬底上且该侧壁相对于该衬底处于直立位置，并且该凹陷与该衬底基本上平行地延伸。该凹陷可以是通过相对于两个相邻层蚀刻第一层来获得的蚀刻深度，各层与衬底平行地定向，蚀刻工艺从侧壁向内进展。根据本发明的方法，能量束被定向在衬底处。落在该结构上的入射束产生分别由检测器和处理单元来捕获和处理的光谱响应。该响应包括与该衬底以及该结构的一个或多个材料相关的一个或多个峰值。根据本发明，从所述一个或多个峰值中导出表示横向凹陷深度的参数，所述参数具有先前确立的与所述深度的一对一关系。使用先前确立的关系来从所测得的参数中导出该深度。
5.该方法是快速的，并且根据大部分实施例，该方法是非侵入式的，并因此表示对埋藏结构执行计量的一种方式，而没有诸如cd-sem或ocd等现有技术的缺点。该方法可用于半导体加工线中的横向深度的在线测量。
6.本发明尤其涉及一种用于测量位于衬底上的微结构中的横向凹陷深度的方法，该结构具有相对于该衬底处于直立位置的细长侧壁，该结构包括从该侧壁向内形成并且与该衬底的表面基本上平行地延伸的至少一个凹陷，该方法包括以下步骤：
[0007]-将能量束定向在该结构处，
[0008]-测量由入射束与该结构之间的相互作用产生的光谱响应，
[0009]-检测该响应中的一个或多个峰值并从所述一个或多个峰值中导出表示凹陷深度
的参数值，所述参数具有先前确立的与该凹陷深度的一对一关系，
[0010]-使用先前确立的关系来从检测到的参数值中导出该凹陷深度。
[0011]
根据一实施例，该结构包括与该衬底的表面基本上平行定向的至少一个第一层，该层被夹在两个相邻层之间，并且其中该第一层相对于相邻层是凹陷的，该凹陷是从侧壁向内形成的。
[0012]
根据一实施例，该第一层是由第一材料形成的，而相邻层是由不同于第一材料的第二材料形成的。
[0013]
根据一实施例：
[0014]-该衬底是硅衬底，
[0015]-该结构是具有两个细长侧壁的鳍形结构，并且其中该第一层和相邻层在所述两个侧壁之间延伸，
[0016]-该第一材料是sige并且该第二材料是si，
[0017]-该能量束是激光束并且该光谱响应是拉曼响应，
[0018]-鳍结构包括与该衬底一致的硅基底部分以及所述基底部分上的硅纳米片的堆叠，这些硅纳米片通过相对于所述硅纳米片凹陷的sige层彼此隔开并与基底部分隔开，
[0019]-该参数是拉曼光谱中与硅原子在sige层中的振动相关的强度峰值和与硅原子在硅衬底、基底部分和/或硅纳米片中的振动相关的强度峰值之间的比值，
[0020]-先前确立的关系是线性的。
[0021]
根据一实施例，凹陷深度是在其中该第一层是相对于相邻层被渐进地蚀刻的工艺中形成的蚀刻深度，该蚀刻工艺从侧壁向内进展。
[0022]
根据一实施例，能量束是激光束，该激光束的光在侧壁的长度方向上极化，并且光谱响应是拉曼光谱响应。
[0023]
根据一实施例，能量束是电子束，并且光谱响应是能量色散x射线光谱响应。
[0024]
根据一实施例，能量束是x射线束，并且该光谱响应是x射线光电子光谱响应。
[0025]
根据一实施例，能量束是离子束，并且光谱响应是二次离子质谱响应。
[0026]
根据一实施例，先前确立的关系是线性关系。
[0027]
本发明等同地涉及一种用于执行根据本发明的方法的装置，该装置包括：
[0028]-能量束源，
[0029]-检测器，
[0030]-处理单元，其被配置成在对结构应用如所附权利要求1所述的方法时执行以下步骤：
[0031]
获取来自检测器的光谱响应，
[0032]
在该光谱响应的基础上确定该参数的值，
[0033]
从所获取的参数值并从先前确立的一对一关系中导出凹陷深度。
[0034]
根据一实施例，源是激光源并且检测器和处理单元被配置成用于拉曼光谱。
[0035]
本发明等同地涉及被配置成在处理单元上运行并执行所附权利要求11所述的步骤的计算机程序产品。
[0036]
本发明等同地涉及根据本发明的方法的用途，该方法用于在半导体加工线中执行对横向凹陷深度的在线测量。
[0037]
本发明等同地涉及根据本发明的装置的用途，该装置用于在半导体加工线中执行对凹陷深度的在线测量。
附图说明
[0038]
图1a到1d示出了蚀刻工艺的各渐进阶段，该蚀刻工艺被应用于对其应用本发明的方法的鳍形结构。
[0039]
图2示出了通过本发明的方法从图1所示的结构获取的典型拉曼光谱。
[0040]
图3示出了来自光谱的两个特性峰值强度的比值与蚀刻时间之间的关系。
[0041]
图4示出了图3中表示的同一比值，但现在因变于蚀刻深度之间的关系。
[0042]
图5a和5b示出了将本发明的方法应用于叉片型鳍结构阵列。
[0043]
图6示出了对于图5a和5b所示的叉片型结构的通过使用不同的光谱技术的方法来导出的各种参数与蚀刻深度之间的关系。
具体实施方式
[0044]
在半导体可靠性和表征中，光谱被用作测量机械应力、成分、掺杂和相位的工具。众所周知的光谱技术包括x射线光电子能谱(xps)、能量色散x射线光谱(eds)和拉曼光谱。
[0045]
如在上文中和权利要求中所陈述的，本发明的方法允许在光谱测量的基础上测量横向深度，其中代表性参数能从响应中导出，该参数处于与深度的先前确立的一对一关系，由此允许从该测量中导出该深度。
[0046]
本发明是在蚀刻工艺的基础上被验证的，但通常本发明涉及测量横向凹陷深度，而不管已经被用来产生该深度的工艺如何。在该腔正在用填充材料填充时，该方法例如还可用于渐进地测量横向腔的递减深度。
[0047]
以下实验已被进行并且用作本发明的概念验证。已生产出鳍形结构，该结构的横截面在图1a中示出。该结构包括由硅形成的基底部分2，该基底部分与硅衬底10一致。该结构的宽度大约是120nm。在垂直于该附图的平面的方向上测量的结构长度是几微米。该结构具有两个侧壁11，如在该附图中，这两个侧壁可垂直于衬底10的表面，但侧壁还可朝鳍结构1的垂直中心平面稍微倾斜。一般而言，侧壁相对于衬底10处于直立位置。
[0048]
结构1进一步包括具有约9nm厚度的sige层3，这创造了硅纳米片4的多层堆叠，这些纳米片各自也具有约9nm的厚度。该结构之上的氮化硅部分5表示用于生产鳍形结构1的光刻掩模。结构1已通过以下操作来生产：在硅衬底10上沉积sige 3和si 4的连续薄层，之后形成光刻掩模5并向下蚀刻掉该掩模的任一侧上的材料至大约105nm的深度，该深度是从硅衬底10的上表面测量的。si和sige层堆叠在finfet晶体管中的超晶格结构的制造中找到了应用。
[0049]
sige层3然后通过选择性蚀刻工艺来被蚀刻掉，该选择性蚀刻工艺可以是本领域内已知的出于该目的的任何工艺，其中sige是相对于基底部分2、掩模部分5和硅纳米片4从鳍形结构1的侧壁11向内渐进蚀刻的。图1b、1c和1d分别示出蚀刻时间10s、20s和30s处的结构。横向蚀刻深度在这些时间点分别是约4nm、10nm和19nm。在这些蚀刻深度中的每一者处，使用相对于鳍形结构1位于其上的衬底10垂直定向的激光束来完成拉曼光谱测量。激光具有532nm的波长并且在鳍结构1的长度的方向上极化。该激光聚焦在具有大约一微米的直径
的点上(即，激光束直径本身是大约一微米)，该点与鳍结构1的整个宽度交叠。每一深度处的测量时间是100s。一般而言，在应用本发明的基于拉曼光谱的实施例时，测量时间范围可以从短时间(例如，在5s和10s之间)直到几分钟，这取决于激光功率或其他参数。
[0050]
图2示出了蚀刻工艺开始时的拉曼响应，即对应于图1a所示的结构。521cm-1处的强峰值15来自衬底10、基底部分2和/或硅纳米片4中的si-si振动，但与此同时不同的伴峰值16出现在比主521cm-1峰略低的频率处。该特征源自sige材料中的si-si振动。该第二峰值的强度因变于sige材料的剩余体积，并因此与蚀刻深度直接相关。图3示出了因变于蚀刻时间的被归一化为si-si主峰值强度的si-si伴峰值强度，即伴峰值16与主峰值15之间的比值。展示了强度比值随蚀刻时间的延长而非线性减小。然而，在将总蚀刻深度用作横坐标参数时，如图4所示，该关系变得线性。该线性关系表示该比值与蚀刻深度之间的一对一关系，即当比值已知时该关系使得能够确定蚀刻深度。该关系由此允许通过测量拉曼光谱并从所述光谱中导出伴峰值强度与主峰值强度之比的值来确定蚀刻深度。该方法由此允许通过在蚀刻工艺期间执行定期拉曼测量来监测蚀刻深度。
[0051]
将sige/si比值用作深度相关参数本身与使用拉曼光谱相关，因为已经发现sige相关峰值16和si相关峰值15两者都随着蚀刻深度的增加而增大，这是出乎意料的并且可被归因于样品的反射率和吸收率两者减小的综合效应。然而，si峰值比sige相关峰值更快地上升，以使得比值表现出因变于蚀刻深度的减小。
[0052]
拉曼峰值比与凹陷深度之间的类似关系已经在具有与图1所示的结构类似的尺寸的纳米片结构上得到验证，但这些纳米片结构包括与多晶硅片相互间隔的sio2片堆叠且多晶硅片具有相对于sio2片的各种凹陷深度。
[0053]
然而，凹陷相关参数可以不同于所述比值，这是在使用其他光谱技术时的情况(参见下文)。在许多情况下，凹陷相关参数可以仅仅是光谱中的一个特定峰值强度或者所述峰值下的积分面积，该峰值直接表示被照射结构中的特定材料的量。该参数于是因变于凹陷深度的增加而减小。该峰值或积分峰值面积优选地基于以任意单位(a.u.)表达的光谱(如图2所示)，所述单位独立于在测量期间施加的特定测量条件。
[0054]
本发明的方法由此不限于限定上述实验的条件集。该方法并非仅仅适用于其中被蚀刻层在结构的两个侧壁11之间延伸的鳍形结构1，而是普遍地适用于具有相对于其上形成该结构的衬底是直立的至少一个侧壁且至少一个横向凹陷沿该侧壁延伸的任何结构。该方法可适用于平行鳍阵列，每一个鳍以上述方式从侧面凹陷。在后一种情况下，光束的宽度可照射该阵列的若干鳍。例如，上述鳍形结构的阵列可具有约400nm的间距，以使得具有1微米直径的激光束照射该阵列的两个相邻鳍。当凹陷相关参数是如上所述的两个峰值之比时，被照射鳍的数目在该比值中被析出因数。然而，当峰值自身或该峰值下的积分面积被用作深度相关参数时，被照射鳍的数目可能需要在计算每个鳍中的凹陷深度时被纳入考虑。
[0055]
鳍可以比该实验中所使用的结构更窄，例如具有20nm数量级的宽度。如上所述，该实验所选择的参数是伴峰值强度相对于主峰值强度的比值。这对于相对于si蚀刻sige层的特定情形是如此的。对于其他几何形状和材料，其他参数可以是可适用的。该方法例如还可适用于如图1中的、但sio2和非晶si分别代替si和sige的类似超晶格结构。一对一关系优选是线性的，这允许只基于几次校准测量就在大横向深度范围内导出该关系。然而，当该关系不是线性的时候，也可通过更彻底的校准来跨大深度范围确定该关系。该方法因此不限于
该参数与横向深度之间的线性关系。
[0056]
本发明是在蚀刻工艺的基础上被验证的，但通常本发明涉及测量横向凹陷深度，而不管已经被用来产生该深度的工艺。该方法例如还可用于渐进地测量横向凹陷的递减深度，因为该凹陷是用填充材料填充的。例如，当图1的结构被用作超晶格时，凹陷可以用不同的材料(例如，tin)来填充以创造相邻硅层之间的间隔件。本发明的方法可用于基于对凹陷中的所述不同材料的逐渐增大的体积是灵敏的光谱响应来测量递减的深度。在用tin填充的间隔件的特定情形中，递减的深度例如可通过本发明的方法来检测，不使用不适合tin的拉曼光谱，而是使用例如eds(参见下文)。
[0057]
本发明不限于使用入射激光束以及经由拉曼光谱的分析。当使用该组合时，入射光的波长使其探测整个感兴趣区域。激光在结构的一个或多个侧壁(横向凹陷被形成到(诸)侧壁中)的长度方向上极化也是重要的。
[0058]
适用于本发明的多个替代能量束和光谱测量技术在下文中概述。使用eds，被定向在结构处的能量束是电子束，并且响应通过检测来自该能量束的电子所产生的x射线来测量，这些电子激发该结构中的内壳电子，这些内壳电子然后释出并以被激发材料所特有的能级发射x射线。光谱响应因此是因变于x射线能量的x射线强度光谱。对于图1a-1d的结构，光谱中的ge相关峰值对蚀刻深度是灵敏的，该峰值本身或该峰值下的积分面积随着凹陷深度的增加而减小。电子束的着陆能量优选高于约4kev。成功的实验已经在图1的结构上使用具有5.7kev的着陆能量和60s的测量时间来完成。
[0059]
使用xps，被定向在结构处的能量束是x射线束。材料通过内壳电子的喷射而被电离，这些内壳电子被检测并且其能量表征材料。光谱响应现在是因变于各种材料中的内壳电子的结合能的发射电子强度(电子计数)的光谱，这考虑到发射电子的动能等于x射线能量(已知的)减去结合能。成功的实验已经在图1的结构上使用以1.48kev的能量产生x射线的基于铝的x射线源来完成，这显示出光谱中的3d ge相关峰值在约30ev的结合能下对蚀刻深度是灵敏的，且该峰值本身或该峰值下的积分面积随着凹陷深度的增加而减小。该情形中的测量时间是2小时。然而，对xps的使用不需要移除硬掩模5。
[0060]
另一替代方案是使用二次离子质谱(sims)，其中入射能量束是离子束，该离子束以发射离子的形式从结构中溅射材料，从结构中逐层释出。发射离子按其质量被检测和分析。质量例如通过测量电离物质的飞行时间来确定。光谱响应由此是因变于结构中的各种材料的飞行时间或质量的离子计数的光谱。然而，该技术是侵入式的，因为各上层在检测到与凹陷位置处的材料相关的信号之前被溅射。与此相关地，测量时间也比上述技术更长。然而，成功的实验已经在图1的结构上完成，这显示出sims光谱中的ge相关峰值(ge-、sige-、ge-2)对凹陷深度是灵敏的，且每一个峰值或峰值下的积分面积随着凹陷深度的增加而减小。测量时间可以是一小时或更长，在该测量时间期间从结构的顶部渐进地溅射掉材料。当在总溅射时间的连贯阶段期间溅射掉sige层3时，所记录的光谱使得能够确定不同的sige层的蚀刻深度，因为ge相关峰值强度因相应凹陷的深度而异(即，取决于图1a到1d所示的结构中的哪一个经受溅射束)。
[0061]
本领域内已知的其他现有光谱测定技术可以在本法明的方法和装置中使用，例如xrf(x射线荧光)、xrd(x射线衍射分析)和rbs(卢瑟福背散射光谱法)。
[0062]
能量束不一定与衬底10的表面垂直地定向。最优束定向可取决于所应用的光谱技
术。
[0063]
本发明不限于确定可通过移除第一材料层(例如，图1中的sige层3)来获得的凹陷的深度，该第一材料层被夹在不同于第一材料的第二材料的两层(诸如图1中的硅基底部分2和si层4)之间。凹陷可被形成在由单个材料形成的结构中，只要所应用的光谱技术对因变于凹陷深度的该测量的体积变化是灵敏的。
[0064]
本发明的方法可以在线应用，例如集成在包括如上所述的横向蚀刻工艺的半导体制造工艺中。以此方式，该方法使得能够在蚀刻工艺的各种时间对蚀刻深度进行快速且(在绝大多数情况下)非侵入式测量，这允许对蚀刻工艺进行在线验证。
[0065]
该方法可使用已知的光谱工具来执行，这些光谱工具包括诸如激光源或电子束源等能量束源、检测器以及用于在数值上处理所获取的光谱的处理单元。然而，本发明还涉及用于执行本发明的方法的特定工具，包括一些基本组件，并且其中在应用激光 拉曼光谱的组合时，处理单元可访问先前确立的参数(例如，si/sige层堆叠的情形中的伴峰值强度与主峰值强度之间的比值)与凹陷深度之间的关系。所述关系可被存储在存储器中，该存储器被结合在处理单元中或者对于该处理单元是可访问的。该处理单元被进一步配置成执行以下步骤：
[0066]-获取来自检测器的光谱响应，
[0067]-在从该检测器获取的光谱响应的基础上确定该参数的值，
[0068]-从所获取的参数值以及先前确立的一对一关系中导出凹陷深度。
[0069]
优选地，该处理单元是被编程为执行以上步骤的计算机。本发明由此还涉及这一计算机程序。
[0070]
本发明的方法也适用于所谓的叉片结构，如图5a和5b所示。这些叉片结构的阵列已被提供，并且具有大约50nm的临界尺寸cd以及大约90nm的间距p。如本领域已知的，叉片结构是如图1的结构中的包括纳米片的鳍形结构，但具有在鳍的中心垂直平面的任一侧上分隔纳米片的垂直壁。如图5a所示的叉片鳍20已经在硅衬底10上加工。每一鳍包括交替的si纳米片21和sige纳米片22。顶部的sige纳米片具有比下面的sige纳米片更高的厚度。垂直壁23包括sin以及可能未在该附图中示出但在本领域内是公知的附加层。sti(浅沟隔离)氧化物层分隔这些结构。相对于si蚀刻sige，以产生图5b所示的横向蚀刻结构。非蚀刻和蚀刻结构这两者在蚀刻工艺中的对应于各蚀刻深度的各个阶段使用各种不同的光谱技术来经受本发明的方法。
[0071]
图6示出了对于四种光谱技术：拉曼(曲线30)、eds(曲线31)、xps(曲线32)以及sims(曲线33)的因变于蚀刻深度的归一化特征参数值，以及每一深度处的sige体积相对于蚀刻工艺开始时的sige体积的比值(曲线34)。所使用的参数因光谱技术而异。例如，对于拉曼曲线30，使用光谱中的sige相关峰值相对于si相关峰值的比值，如以上参照图2解释的。对于eds和xps，该参数是光谱中的表示sige体积的典型ge相关峰值(即，该峰值下的面积)的积分强度。对于sims，三个不同的ge相关峰值结果表示sige体积。图6中使用的sims相关参数基于在大约1小时的溅射时间期间测量的这三个峰值之一的积分强度。
[0072]
看到xps曲线32对于零深度测量点具有一个离群值。这被认为是由于覆盖结构的薄sio2层的影响。然而，除了这个数据点以外，所有这些技术都产生参数与蚀刻深度之间的合适的一对一关系是清楚的，这使得能够通过测量所考虑的参数来确定蚀刻深度。
[0073]
尽管已在附图和前述描述中已经详细地图示和描述了本发明，但此类图示和描述应被认为是说明性或示例性的而非限制性的。在实施所要求保护的发明时，所公开的实施例的其他变型可以由本领域技术人员从对附图、本公开以及所附权利要求的研究而理解和实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”(“a”或“an”)不排除复数。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。