AFM：应对65nm以下测量技术挑战

STI CMP

STI模块进行化学机械抛光(CMP)和湿法氮化物去除以后，产生了多样化的表面以及在活性区域及附近场氧化物区域的高度差(图3)。硅片内实际电路区域的局部形貌变化是一个非常关键的参数。晶体管电学失效与较大的或反向的活性硅与场氧化物之间的步高差相关，CMP形貌取决于特征尺寸和图形密度。然而，芯片内不同特征之间的步高相关性很差，这再一次证明了传统的椭偏法和散射测量法在测量划片区域里大块的测试结构以反映芯片内真实的电路形貌时已存在不足。AFM是一种在线测量技术，可以在任何需要的测试点进行快速的和非破坏性的芯片内形貌监控。

AFM可以检测和测量出由于硅片边缘不均匀的抛光速率造成的反向的硅/氧化物步高(图4)，图4展示了氮化物去除后活性区域和隔离区域交界处氧化物的转换，以及何种转换会影响晶体管的阈值电压。AFM对转换轮廓非常敏感，并且转换深度可以得到监控。

多晶硅凹槽反刻

在DRAM制造的沟槽电容形成过程中，会有一个深沟槽被多晶硅填充，然后经过几次反刻形成多晶硅凹槽。凹槽深度的控制非常关键，以确保正确的器件功能。AFM是直接在存储器列单元上测量凹槽深度的首选， 应用如图5所示的一种被称为"间距扫描"的方法，AFM可以对每个点的多个凹槽孔进行快速测量。芯片内AFM测量可以在小于一个小时的时间内对整片硅片进行多点扫描。凹槽底部通常会有一个具有洞状的锥形轮廓(图6)。从直到倾斜的侧壁的过渡部分被称为"肩部"，TEM和XSEM经常被用来测量过渡部分和肩部高度。AFM是取代TEM或X-SEM来测量沟槽轮廓、 总体沟槽深度和肩部高度的理想选择，并且具有极高的精确度。

当DRAM技术节点达到90纳米以下时，凹槽孔变得非常浅和狭窄。这为在线光学技术提出了重大的挑战，因为在线光学技术很难得到可靠的和精确的模型和模拟。然而，更小的AFM探针可以持续的提供准确的凹槽测量。

栅刻蚀

多晶硅或金属栅的CD和轮廓控制对无缺陷和高性能晶体管来说最为关键。X-SEM和TEM非常耗时，硅片必须废弃，并且只能提供有限的统计数据。由于具有高精确度和快速的产量，光学散射测量作为栅刻蚀的首选CD测量方法赢得了广泛的使用。然而，散射测量依赖于光谱数据库中进行模拟和建模。准确度和精确度受到诸如多晶硅/外围粗糙度、薄膜组成和厚度等诸多工艺变化的影响。对于复杂的栅结构来说，建立一个散射测量数据库需要几周甚至几个月，散射测量只能测量特殊设计的光栅，而不能被用来表征诸如芯片内存储器单元或逻辑电路的任意特征。另外，散射测量不能测量诸如抗反射或硬掩膜层的非反射物质。

AFM可以提供任何材料上芯片内任意位置的无偏差和直接的测量，并且可以作为在线监控机台或进行散射测量校正和数据库优化的参考测量方法。SAFM测量方法的优点是CD和轮廓的多重关键几何测量可以直接从单独的AFM扫描图象中抽取出来，而不需建立光学模型。多晶硅栅的LER和LER数据可以帮助优化图形和刻蚀条件。另一个例子是测量p-MOS和n-MOS之间, 隔离的和密集的栅线之间核心的输入和输出之间的CD补偿值。如图7所示，AFM也可以直接扫描真实电路特征来进行SRAM存储器上非破坏性的3D几何形貌失效分析，并且很少出错。

在栅刻蚀工艺发展初期，工程师需要明白刻蚀和光刻条件对最终栅侧壁轮廓的影响。工程师们经常希望能在同一片硅片上进行连续实验，而不是将硅片废弃。AFM可以在CD扫描模式下进行非破坏性的横截面轮廓扫描，方便工程师快速地判断多晶硅轮廓和优化刻蚀或光刻工艺条件。

栅侧墙

栅侧墙是栅刻蚀后淀积在侧壁的氮化物或氧化物薄膜，为源漏注入提供阻挡。由于AFM特有的图形识别能力，它可以在连续的工艺步骤中精确的将针头放置于同一片硅片的同一个点，测量者运用AFM扫描栅刻蚀后和稍后的栅侧墙刻蚀后的同一处栅线，从而得到每一步工艺的CD和轮廓数据(图8)。量测的差值很方便的给出了介质侧墙的厚度和轮廓，并具有绝对精确度。因此，我们采用AFM沿栅侧墙测量薄膜厚度，以确保沿垂直的侧墙覆盖的薄膜具有连续性，这种方法可以引伸到后道铜晶仔或沟槽或通孔侧壁的原子层淀积阻挡层厚度的测量。

结论

65纳米及以下的集成微电子器件的尺寸测量方法是业界挑战之一。AFM为半导体(逻辑和存储器)制造中关键前道工艺监控提供了在线和参考测量方法的有益的解决方案。AFM可以扫描电路的任意区域和各种材料，对数据进行解释时不需要任何建模和臆测。在某些情况下，AFM在横截面轮廓和形状分析方面可以取代X-SEM、TEM或Dual Beam。AFM可以在多片硅片的多个点对一个特征进行多线的同时扫描，从而搜集足够的统计数据进行特征与特征间、芯片与芯片间、硅片与硅片间、以及批次与批次间的评价、它为在线工艺控制提供了直接的芯片内测量。