[发明专利]一种微纳深沟槽结构侧壁形貌快速测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于集成电路(IC)和微机电系统(MEMS)器件测量技术，具体涉及微纳深沟槽结构刻蚀过程快速测量方法及装置，该方法尤其适用于3D互连通孔(TSV)和动态随机存储器(DRAM)中深沟槽结构加工过程沟槽侧壁形貌测量。

背景技术

在微电子和功率半导体器件设计与制造工艺过程中，目前广泛采用了密集型三维结构阵列。例如在3D互连通孔(TSV)制备以及先进的动态随机存储器(DRAM)电容器设计中均采用了高深宽比的深沟槽结构。随着半导体工艺“按比例缩小”趋势的不断发展，集成电路中各种深沟槽结构特征尺寸不断下降。在特征尺寸下降的过程中，原先可以忽略的侧壁粗糙度(SWR)等侧壁形貌参数对元器件电气性能的影响将越来越大。一般来讲，沟槽侧壁形貌参数主要包括几何特征参数(如沟槽特征宽度、沟槽深度以及沟槽侧壁角等参数)和沟槽侧壁粗糙度参数。为实现有效的工艺控制，在制造过程中对深沟槽结构侧壁形貌进行快速、非破坏性的精确检测具有重要意义。

在众多的非破坏性的测量方法中，光学测量方法特别适合该应用需求，例如反射光谱测量法，散射光谱法等，这些方法已广泛应用于光学薄膜厚度和成分测量，在部分专利及文献中已将其应用到光栅沟槽结构的测量中。在本申请人提出了“一种微纳深沟槽结构测量方法和装置”(公开号为CN101131317A，公开日为2008-02-27)和“一种微纳深沟槽结构在线测量方法及装置”(公开号为CN101393015A，公开日为2009-03-25)，该发明方法将红外光束投射到含有深沟槽结构的硅片表面，分析从深沟槽结构各分界面反射形成的干涉光得到测量红外反射光谱；采用等效介质理论构建该深沟槽结构等效多层薄膜堆栈光学模型的理论红外反射光谱，利用模拟退火算法、人工神经网络、基于梯度等优化算法实现光谱反演分析，进而提取沟槽的深度及宽度等几何特征参数，实现高深宽比深沟槽宽度和深度等尺寸的精确测量。该方法可以同时对沟槽深度、宽度和薄膜厚度进行测量。该发明方法提供的实现装置采用中红外光束对待测结构进行探测，通过精确测量得到沟槽结构表面红外反射光谱，进而光谱反演分析提取得到沟槽结构几何特征参数值。

在以上专利文献中提到基于深沟槽结构表面红外反射光谱的测量方法，主要用与深沟槽特征宽度、深度等几何特征参数的测量。然而，由于中红外反射光谱对沟槽细微形貌变化不灵敏，在等效介质近似建模中忽略了沟槽侧壁粗糙度参数的影响，因而无法实现深沟槽结构完整侧壁形貌的测量。在该方法提出的实现装置，需要预先测量一参考反射面的反射光谱。由于参考反射面反射光谱测量条件与待测样件反射光谱测量条件的差异，会给测量结果带来较大误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微纳深沟槽结构侧壁形貌参数快速测量方法，该方法可以对包括沟槽深度、宽度等几何特征参数以及沟槽侧壁粗糙度参数在内的完整沟槽侧壁形貌参数进行快速精确检测，具有非接触性，非破坏性，高速以及高精度的特点，本发明还提供了实现该方法的装置。

本发明公开的微纳深沟槽结构侧壁形貌参数快速测量方法，其步骤包括：

第1步将红外光束经起偏器起偏后，投射到包含深沟槽结构的待测物品表面，红外光束位于近红外至中红外波段范围内，波长为0.8～20um；

第2步入射光束经沟槽结构各表面反射后，经检偏器检偏，采用红外探测器接收反射信号，得到干涉信号；

第3步对红外探测器测量得到的干涉信号进行傅立叶变换，得到深沟槽结构的红外椭偏光谱；

第4步采用分波长建模方法，分别计算深沟槽结构在近红外波段和中红外波段椭偏光谱，包括振幅比和相位差；

第5步基于以上分波长建模方法，采用分步光谱反演方法依次提取沟槽结构参数和粗糙度参数。

本发明所提供的实现所述微纳深沟槽结构侧壁形貌快速测量方法的装置，其特征在于：该装置包括红外光源、第一至第四离轴抛物镜、迈克尔逊干涉仪、平面反射镜、起偏器、样品台、检偏器、探测器和计算机；红外光源、第一离轴抛物镜、迈克尔逊干涉仪和平面反射镜依次位于同一光路上，平面反射镜与与迈克尔逊干涉仪的出射光路之间的夹角为45°；起偏器和第二离轴抛物镜依次位于平面反射镜反射光路上，样品台位于第二离轴抛物镜反射光路上；第三离轴抛物镜的入射光轴与第二离轴抛物镜的出射光轴相对样品台表面法线对称布置，第三离轴抛物镜接收第二离轴抛物镜反射光束在待测样品上再次反射光束；检偏器和第四离轴抛物镜依次位于第三离轴抛物镜的出射光路上，探测器位于第四离轴抛物镜出射光路的焦平面上，计算机依次与探测器相连。