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TE