测量侧壁隔离的3D

 
侧壁隔离主要用于精细的MOSFET制程中，它们直接确定了沟道长度、结的几何形状和陡峭度，从而确定了晶体管的最终电特性。常用的CD-SEM和光学散射测量法（OCD）面临原理上的极限。由于先进的半导体逻辑和存储器件制造严格遵循ITRS路线图，为了控制用微光刻工艺产生的65nm和45nm节点图形的特征形状尺寸，制造商就转向采用先进的3D度量方法。

多级隔离的每一隔离决定S/D注入的位置。用切实可行的3D度量方法描述和控制侧壁隔离厚度和形状(尤其是图形底部的)是至关重要的。3D-AFM度量方法以较高精度测量典型的栅极隔离参数，例如线宽、高度、节距、侧壁图形、侧壁角、线边缘粗糙度(LER)、线宽变化量(LWV)和侧壁粗糙度（SWR）。测量的几何参数的详细说明见表1和图1。此外，它也可用来作为辅助参考和标定度量方法、在线工艺控制或工程评定。

隔离图形控制
如图2所示，每一侧壁隔离是在栅极侧壁上用高度各向异性的反应离子刻蚀（RIE）形成的介质薄膜。隔离提供了在晶体管沟道中制造源-漏(S/D)结过程中依次注入需要的横向偏置。工艺流程在几个隔离形成和注入步骤间交替进行。侧壁隔离对于恰当地控制相对于晶体管栅极边缘的横向位置和依次掺杂注入的交叠是至关重要的。隔离决定了与晶体管的最终电性能直接相关的沟道长度、结的精确几何形状和陡峭度。

随着栅极和沟道长度的缩小，S/D扩展结的深度需要减少，以维持和进一步提高晶体管的开/关性能。但是，减少SDE深度会显著增加晶体管串连电阻（这就减少了驱动电流）。可以在多级注入工艺间采用多种隔离结构来制作S/D结，使驱动电流最大的同时保持晶体管的低寄生电容。

如图2所示，第一个偏置隔离的形成是在轻掺杂SDE结形成前（pMOS)或后(nMOS)，但在晕环注入置于沟道中之前。然后，分别为重度注入的缓冲层和S/D形成第二和第三个隔离。不同制造商的晶体管集成的细节可能不同，但基本概念是一样的。

各个隔离的横向尺寸直接限定了浅SDE、缓冲层和深S/D结的位置。这些结确定了晶体管的关键电特性(阈值电压、驱动电流、沟道电阻/漏电流、负载电容和短路沟道效应)。通过调整淀积薄膜厚度(CD)、RIE加工过程(CD和形状)及优化注入剂量/能量，可以实现需要的SDE、缓冲层和S/D设计。因此，侧壁隔离CD和形状控制是非常关键的。需要控制每一隔离的形状和底部宽度，以确保批次间、晶圆间、晶圆各处和集成电路(IC)各处晶体管电性能的一致性。

隔离度量方法的挑战
隔离厚度和侧壁形状是重要的控制参数。隔离厚度和形状测量特别有挑战性，对于大多数现有的薄膜度量方法(包括基于X-射线、光学、声学和电子束的各种技术)仍是一个难题。隔离制作要求一个对侧壁厚度、侧壁形状和隔离下拉高度的真正3D测定解决办法。表2比较了现有的各种尺寸度量技术。

缺少第三维（垂直方向）信息阻止了用CD-SEM对隔离底部、侧壁形状和垂直下拉高度的可靠测量。SEM还受由静电、材料差异和邻近效应引起的CD偏置变化的影响。

3D-AFM能获得非破坏性测量最低的不确定性。因此，可以用它作为基准度量系统，测量代表特定技术的样品的绝对尺寸，确定测试用度量设备的样品与样品间偏置不确定性分量。目前，3D-AFM是确定与样品相关的偏置和评估、标定在线CD-SEM和OCD的唯一实用方法。

3D-AFM测量与样品、邻近效应和图形密度无关。它给出具有最小CD测量不确定性的绝对准确度。3D-AFM提供了纳米精度和准确度的非破坏性测量，全自动数据分析和高达10-40sec/site的生产率。这使3D-AFM成为在线监控和工程分析侧壁隔离的优良度量工具，不用开发OCD模型或刮削晶圆进行X-SEM或TEM分析。

测量侧壁厚度
由于特殊的识别图形能力，在系列工艺步骤中3D-AFM能将探针精确地置于同一晶圆的同一点上。测量人员用AFM扫描栅极刻蚀及后面栅极隔离刻蚀后的同一栅极线条，获得每一步的CD和形状数据（图3）。差异就很方便地给出了隔离侧壁厚度和形状。具有绝对准确度的直接测量特性使用户不用做光学度量的推测工作，也克服了CD-SEM在测量侧壁底部CD中的弱点。

评估OCD模型
65nm及以下节点技术对隔离厚度变化有严格的容差（与栅极CD相当）。由于OCD在速度、成本和精度方面的明显优点，它是很好的候选方法。但OCD数据的准确度需要校验。传统上广泛采用TEM作为基准和标定。但现在3D-AFM是比TEM好的替代方法，校验和标定侧壁隔离OCD 模型时测量隔离厚度的MU较优。此外，它能快速而又非破坏性地产生大量有价值的数据。

图4是用3D-AFM作为基准工具校验OCD模型的结果。这里OCD和AFM之间的明显差异表明，为了提高准确度需要对OCD模型作进一步开发。

为了校验第一个偏置栅隔离OCD度量方法的准确度，栅极底部总CD用3D-AFM在隔离刻蚀工艺后标定。图5给出了OCD和基准数据间的关系。数据显示关联度0.86和斜率0.80。在这一步栅极底部CD的整线偏移为-2.8nm。用基准底部栅CD不确定性0.95nm(3σ)估计整线TMU为0.70nm(3σ)。底部栅CD的OCD单台设备精度和整线精度分别为0.32nm(3σ)和0.41nm(3σ)。对应的偏置隔离厚度的OCD单台设备精度和整线精度分别为0.17nm(3σ)和0.21nm(3σ)。对于偏置隔离刻蚀时的底部栅CD控制，OCD提供了较为满意的整线TMU（TMU/T低于0.2）和可接受的准确度。氮化物隔离（第二个）堆叠和几何形状对于OS建模来说是过于复杂了。因此，采用SEM控制氮化物隔离刻蚀工艺阶段的栅底部总CD和隔离厚度。具有70个事先标定位置（节距260nm OCD结构）二片曝光矩阵晶圆用于测量系统分析。晶圆在三台基线SEM设备上进行七天以上的测量。图6给出了SEM和基准数据间的关系。数据表明关联度0.99，斜率0.99。氮化物隔离刻蚀时底部栅CD的整线偏移为14.2nm（对照在栅刻蚀时SEM偏移为8.8nm）。用基准数据不确定性1.1nm(3σ)估计 整线 TMU为2.1nm(3σ)。底部栅CD的OCD单台设备精度和整线精度分别为0.13nm(3σ)和0.20nm(3σ)。用于氮化物侧壁隔离控制的SEM整线TMU/T比处于可接受的0.2水平以下。3D-AFM测量精度是基于几天内进行的重复测量，对每一个被分析的工艺阶段确定的。NIST可追踪标准用来校验3D-AFM线CD和XYZ尺度标定。NIST可追踪性是对整个技术每一关键工艺阶段处的CD度量方法建立的。这里可以清楚地看到，3D-AFM在确认OCD模型方面是十分成功的。

测量氮化物隔离下拉高度
隔离最终形成时，各向异性RIE刻蚀从平坦表面优先去除氮化物薄膜，比侧壁表面去除速度快，在栅侧壁上留下隔离薄膜。硅化工艺将在全部暴露的栅电极和源/漏区域中的硅上面形成硅化镍，从而形成晶体管电接点。侧壁隔离提供了栅侧壁上一个均匀覆盖层，防止硅化。但是，若RIE刻蚀过分的话，隔离会遭遇顶部损失，引起隔离顶部下拉至低于栅电极顶部，结果就暴露出栅顶部拐角的侧壁。

没有覆盖的栅材料在随后的硅化工艺过程中就会形成硅化镍。这减少了源/漏硅化物和栅侧壁硅化物之间的距离，增加了栅极泄漏电流的机会。此外，硅化物纵条与横带的形成会导致器件短路。故要特别关注准确地测量和控制氮化物隔离的下拉高度（NSPD）。

与CD-SEM(无纵向数据)和OCD(模型有不准确性)不同，3D-AFM为NSPD高度提供了直接、可靠且无破坏的测量。现场3D-AFM数据表明，对于NSPD的重复性可达2nm(3σ)。图7说明X-SEM和3D-AFM对典型的NSPD测量非常一致。但X-SEM仅在一个断面处测量。就3D-AFM来说，图7是沿栅极长度16次扫描线(或断面)的平均值。取这些数据花了不到40秒。这例子进一步说明了3D-AFM在提供多次取样减小测量不确定性方面的好处。

结论
新一代3D-AFM证明了其单独用于生产监控的能力，是面对CD-SEM和OCD挑战的辅助解决方法。对于先进的隔离制作工程，3D-AFM是至关重要的基准、在线监控或制作工程的定性工具。特别是作为生产中极有价值的基准工具，3D-AFM为评估TMU、确认和标定在线CD-SEM或OCD度量系统等提供了无偏测量。