散射方法测量嵌入式SiGe间隔结构

        散射测量方法日益应用于复杂结构的测量，并逐渐在间隔层的量测中占据主导地位。数量级在10nm或更薄的间隔层测量尤其困难。除间隔层厚度外，由间隔层过刻蚀导致的基板凹陷深度也对器件有着明显的影响。嵌入式SiGe通过刻蚀出沟道并填充SiGe来将其嵌入到SOI基板中，它的引入增加了测量的难度。和栅极电介质的底部相比，沟槽可能会出现欠填充或过填充的现象。对大量欠填充或过填充的测量对器件性能的监控是非常重要的。

本文讨论了用于测量eSiGe沟槽的复杂薄间隔PFET结构的散射测量方法。间隔层厚度和eSiGe沟槽的过填充量是该类结构的重要测量参数。通过测量关键参数，可以了解不同系统间测量性能上的差异。与旧系统比较，新系统的光学元件显著提高了参数的动态可重复性，同时将波长范围延伸到了深紫外光 (DUV)，而这个波长范围对测量参数有极大的灵敏度，显著提高了测量的准确性。

实验
本实验主要对45nm节点SOI技术的NFET与PFET结构进行测量。每个结构包含一个间距为190nm的多晶硅栅极，其氧化物间隔层厚度约为10nm左右。测量的PFET 结构包含过填充的eSiGe。评估的参数包括PFET和NFET氧化物间隔层的厚度，以及PFET的过填充量。上述两种结构样本的TEM如图1所示。

本实验采用的样品为经过间隔层刻蚀工艺的6枚晶圆。在这一组晶圆中，确保两个参数不一样，一个是间隔淀积厚度，它会形成不同厚度的间隔层；另一个是间隔层过刻蚀量，它会形成不同的NFET凹陷深度和PFET过填充量。采用的设备是Spectra CD200（SCD）散射测量系统和新一代平台NGP。

本文把波长范围在235nm以上的光源定义为“紫外光 (UV)”，而把波长范围为150nm～235nm的光源定义为“深紫外光 (DUV)”。创建2个NFET模型并进行比较，每个系统均使用相同的波长，并确保所有波长在紫外光的范围内。此外还采用相同的光学常数 (n＆k)，以及相同的固定和浮动模型参数。5个浮动参数分别是：氧化物间隔层厚度、栅极多晶硅关键尺寸的MCD、栅极多晶硅高度、SOI厚度和埋层氧化物厚度。

同样也创建2个PFET模型，与NFET模型类似，也使用相同的固定与浮动模型参数。PFET模型中的7个浮动参数分别是氧化物间隔层厚度、栅极多晶硅 MCD、栅极多晶硅高度、SOI梯形高度、余下的SOI厚度、埋层氧化物厚度以及eSiGe过填充量。图2 展示了NFET与PFET模型的示意图。

结果
光学常数的确定
由于光学常数或散射参数对最后的建模结果有着重大的影响，因此确定正确的光学常数或散射参数是非常关键的。确定SCD紫外光薄膜常数可采用常见的叠加堆栈办法。这种方法是在有图形的实验晶圆上收集经过多个工艺步骤后的平坦薄膜区光谱，直至间隔层刻蚀。这一过程可以追踪每一道工艺是如何影响不同材料的薄膜性能的。

确定NGP PFET模型的光学常数则更具挑战性，因为实验晶圆不能像SCD应用那样，可在每个工艺步骤后测量。除带有氧化物间隔层薄膜的无图形晶圆外，所有薄膜光谱的收集只能在这6片晶圆的间隔层刻蚀之后，在三个不同的平坦衬底上进行。这些衬底的示意图如图3所示。利用在DUV与UV范围测得的光谱数据创建合适的散射参数。换而言之，将来自这两个波长区域的光谱首次进行合并，然后创建散射参数。此外，在这个合并后的光谱范围内，同时对DUV与UV散射参数进行优化，而不是单独优化，然后拼接在一起。虽然这种方法面临更多的挑战，但可以防止产生无规律的不连续光学常数，或在235nm跃迁波长处产生衍生数据。

DUV的穿透深度相对较浅，这样可以在平坦衬底区获得上层薄膜特性（图3）。该上层薄膜特性独立于下层薄膜特性以及由于受后续工艺步骤的影响而导致的不确定性。对比来看，UV和可见光具有更深的穿透深度，因此该光谱对下层薄膜的不确定性更敏感，更难以得到上层薄膜的特性。所以，缺乏适当的用于薄膜特征描述的晶圆可能会影响NGP PFET薄膜的散射质量，尤其是在UV波长范围内。

光谱灵敏度
光谱灵敏度是确定设备能否很好地测量某一给定参数的方法之一。每个波长范围（UV或DUV）均有一个与测量参数相关的灵敏度值，表示信噪比数值。灵敏度比率（DUV/UV）是一个定量指标，用于说明在测量某一给定参数时，DUV光学元件比UV光学元件更敏感的程度。测量不同芯片上同一位置的光谱信息，并把它们标识出来，是一个很好的显现光谱灵敏度的方式。

从两片晶圆的每一片中选择相同的中心芯片。每对晶圆的工艺条件都相同，只有淀积的厚度或间隔层过刻蚀量（影响过填充量）不同。图4显示了两个芯片上不同的间隔薄膜淀积条件下的光谱叠图比较。两个芯片上的散射测量样本采用TEM分析。分析表明，这两个芯片的间隔层厚度之差为4.4nm。由于波长在DUV范围内的光谱有更多的差异性，DUV光学元件对NFET间隔层厚度的改变比UV光学元件更敏感。事实上，这一灵敏度的变化发生在DUV与UV的波长跃迁处。DUV/UV的灵敏度比值为3.7，这意味着当测量这些厚度的变化时，DUV的灵敏度是UV的3.7倍。

图5显示了不同淀积条件下，两个波段对PFET间隔层厚度变化的灵敏度。TEM的分析表明间隔层厚度之差为4.6nm。DUV光学元件对厚度的变化更敏感，在DUV/UV波长跃迁区，灵敏度开始再次发生变化。灵敏度比率表明，对PFET间隔层厚度的变化而言，DUV的灵敏度是UV的4.8倍。

图6显示了两个芯片在不同的过刻蚀量以及不同的PFET过填充量条件下的比较。晶圆组中其它芯片的TEM结果表明，这两个芯片的过填充量差约为3nm或更少。再次证明了DUV更为敏感，其灵敏度变化大约发生在DUV与UV的波长跃迁区，灵敏度比率为1.6。

从6枚实验晶圆中收集短期动态重复性（STDR）数据。分别在每枚晶圆中选择9个芯片，并对每个芯片循环测量10次，以此来确定STDR数据。对每个芯片可进行重复性测量，其平均值便是晶圆的STDR数据，然后再将这个平均值转换成一个3σ值。图7显示了STDR的结果。结果表明，NGP间隔层测量的STDR比SCD间隔层测量的STDR约低2.5至3倍。而对于PFET过填充量，NGP的STDR较SCD约降低了2倍。

准确性
与从光谱保真度方面来评估准确性的方法不同，本实验采用总量测不确定度(TMU)分析方法，从最终测量的参数间隔层厚度和PFET过填充量方面来评估准确性，TEM作为参考测量系统 (RMS)。对于NFET结构，对每个栅极结构的TEM 图像上4个不同位置进行了间隔层厚度测量，每个位置测量2次。而每个散射测量样本共对3张栅极图像进行了测量，因此每个散射测量样本总共可收集12个厚度测量数据。而对于PFET结构，可在每张栅极图片上的间隔层分散选择10个点进行间隔层厚度测量，每个点测量5次。每张栅极图片选择2个点进行过填充量的测量。这样，每个散射样本共对3张PFET栅极图像进行了测量，因此每个样本一共可以收集30个间隔层厚度和6个过填充量的测量数据。

在散射样本上进行大量的TEM取样，成本较高，难度也较大。因此TEM取样仅限于每个散射测量样本的中心位置，没有考虑样本之间在厚度和过填充量上的差异性。首先对NFET间隔层厚度的准确性进行评估。图8为SCD和NGP在测量间隔层厚度时TMU的差异。可以看出NGP TMU值得到了一定的改进：从1.48nm降至1.21nm，减少了18％。必须指出的是，由于取样有限，TMU值可能会存在较大的不确定性，所以间隔层厚度TMU的改进不是决定性的。

接下来对PFET间隔层厚度的准确性进行评估，其评估结果如图9所示。在该评估中，如上所述，NGP可以充分利用UV和DUV各自的波长范围优势，但这两种模式仍然使用相同的固定和浮动模型参数。结果表明，与SCD相比，NGP TMU得到了显著的改进：TMU从2.44nm 降至1.31nm，减少了46％。虽然TMU的误差范围较大，但是与NFET相比，其误差范围重叠的情况要少很多。

最后对PFET过填充量的准确性进行评估，评估结果如图10所示。NGP实现了少许改进，TMU从3.08nm降至2.78nm，减少了10％，过填充量值的变化幅度很小。此外，由于边界相关性较为模糊，因此难以从TEM 图片中对其进行准确测量。

结论
薄间隔层的特性描述对先进设备的监控尤为重要。与现有SpectraCD200平台 (SCD) 相比，新一代硬件平台NGP可提高45nm节点薄间隔层的测量质量。NGP可通过其先进的光谱椭圆偏光法(SE)光学元件以及低至150nm的更广泛的波长范围来提高测量质量。结果显示，NGP的短期动态重复性(STDR)较SCD降低2.5～3倍，TMU则提高了18％。与UV波长范围相比，DUV波长范围对间隔层厚度变化的灵敏度提高3.7倍。

PFET结构通常用于研究NGP如何提高间隔层厚度和过填充量的测量质量。NGP拥有更广泛的波长范围及先进的光学元件，可充分利用该模型以展示其组合优势。虽然模型使用了不同的散射文件和波长范围，但它们共享相同的固定与浮动建模参数。对于PFET结构，DUV波长对间隔层厚度变化的灵敏度较UV波长提高了4.8倍；DUV波长对过填充量的灵敏度较UV波长则提高了1.6倍。通过使用NGP，既可将过填充量的STDR降低2倍，也可使间隔层厚度的STDR降低3倍。此外，还可将间隔层厚度的TMU提高46％。虽然这两个系统的置信区间有一定的重叠，但重叠部分非常小，因此可以确定NGP有很大的改进。虽然过填充量的TMU提高了10％，但由于采样的局限性，误差范围较大。

NGP的先进SE光学元件能降低光与电噪声，因此可实现STDR的显著降低，同时延展的波长范围还能显著提升测量参数的准确度。因为与UV相比，DUV对间隔层厚度变化具有更高的灵敏度。