應(yīng)用散射技術(shù)測(cè)試復(fù)雜Spacer結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)久以來(lái)，散射技術(shù)已充分展示其精準(zhǔn)測(cè)量簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的能力，例如對(duì)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)（STI）和柵極模塊的量測(cè)。但是，IC制造商現(xiàn)在需要監(jiān)測(cè)和控制越來(lái)越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

Spacer是目前散射技術(shù)正在處理的復(fù)雜結(jié)構(gòu)之一。Spacer會(huì)影響多種器件的特征，所以非常重要。因此，在線測(cè)量spacer結(jié)構(gòu)可預(yù)測(cè)器件性能，并籍此提高性能和良率。本文所描述就是用散射技術(shù)測(cè)量復(fù)雜的spacer結(jié)構(gòu)，并使用此類測(cè)量預(yù)測(cè)電學(xué)性能。采用了一種名為“預(yù)測(cè)分析”的方法，并以此來(lái)證明散射技術(shù)測(cè)量的某些參數(shù)與柵極電阻、柵極Lpoly和晶體管電流 (Ion) 等電學(xué)性能的相關(guān)性。
由這種密切的相關(guān)性，散射測(cè)量可在電性測(cè)試前作為電學(xué)性能的重要預(yù)測(cè)指標(biāo)。因此，散射技術(shù)是提高spacer控制、縮短某些輪廓異常平均檢測(cè)時(shí)間（MTTD）的可靠測(cè)量技術(shù)。

硅片、結(jié)構(gòu)和模型
本次研究共使用了三批硅片。對(duì)硅片上的器件制造特意采用非標(biāo)準(zhǔn)化工藝，從而將工藝窗口擴(kuò)展到正常器件功能之外。因此，這些硅片間的制造工藝有足夠大的差異，完全可以探索器件結(jié)構(gòu)差異與電學(xué)性能間的相關(guān)性。

對(duì)90納米節(jié)點(diǎn)的NFET和PFET結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了測(cè)量。根據(jù)散射技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這兩種結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜，且彼此間的差異很大。這兩種結(jié)構(gòu)最明顯的特征包括：帶注入?yún)^(qū)域的絕緣硅（SOI）基層、覆蓋有摻雜的柵極多晶硅以及在氧化物spacer外部覆蓋氮化物spacer的結(jié)構(gòu)。PFET亦包含第二個(gè)位于L形氮化物spacer頂部的氧化物結(jié)構(gòu)。FET不同的形貌結(jié)構(gòu)和不同的注入物，都會(huì)造成各自結(jié)構(gòu)間有很大的差異。圖1為NFET和PFET結(jié)構(gòu)的XSEM圖像。

散射測(cè)量數(shù)據(jù)是在KLA-Tencor Spectra CD100 機(jī)臺(tái)上收集的。為了讓包含這些結(jié)構(gòu)的多種不同薄膜有正確的模型，已測(cè)量光譜和實(shí)際輪廓的匹配至關(guān)重要。應(yīng)該考慮多種注入物和其它工藝的影響，以確保能夠提取精準(zhǔn)的光學(xué)特征數(shù)據(jù)。對(duì)于NFET和PFET結(jié)構(gòu)，初次建模有10個(gè)以上的變量參數(shù)或自由度（DOF）。最后，為NFET設(shè)置七個(gè)DOF，為PFET設(shè)置八個(gè)DOF。這兩種結(jié)構(gòu)，其建模的DOF為柵極頂部的氮化物、摻雜柵極多晶硅高度、非摻雜柵極多晶硅高度、柵極多晶硅中部寬度（MCD）、氮化物spacer底部寬度、已注入的SOI厚度和SOI高度。PFET還有一個(gè)DOF是氮化物spacer厚度，此參數(shù)未應(yīng)用于NFET。NFET和PFET結(jié)構(gòu)的模型圖和其DOF見圖2。

為減緩復(fù)雜模型不穩(wěn)定的問(wèn)題，并取得較高的精度值，需收集短期動(dòng)態(tài)精度數(shù)據(jù)。NFET取樣由一塊硅片上的五塊芯片構(gòu)成，每塊芯片有三個(gè)動(dòng)態(tài)循環(huán)；PFET 取樣由一塊硅片上的九塊芯片構(gòu)成，每塊芯片上有五個(gè)動(dòng)態(tài)循環(huán)。如果 PFET 取樣的九塊芯片之一產(chǎn)生“極端”結(jié)果，意味其測(cè)量包含極高的變數(shù)。盡管此取樣是有限制的，但仍然適合這種概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵DOF的3σ精準(zhǔn)結(jié)果摘要見表1。大多數(shù)的3σ精準(zhǔn)值小于1納米，這些結(jié)果對(duì)于如此復(fù)雜的建模非常重要，并顯示出模型的穩(wěn)定可靠。

 
結(jié)果和討論
在此過(guò)程中共收集了兩個(gè)電學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)。第一個(gè)稱為PS測(cè)試，是在柵極硅化物形成后收集的。第二個(gè)稱為M1測(cè)試，是在第一層后道金屬層淀積后收集的。所有圖像均顯示的是硅片的中值數(shù)據(jù)，在每幅圖像中，通過(guò)電性測(cè)量的芯片和使用散射測(cè)量的芯片都屬于同一組芯片。任何一組測(cè)量中的“極端”值都沒有從分析中移除。

用FMP分析法計(jì)算電性測(cè)量錯(cuò)誤 (Vy)，而不是 TMU分析，因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程中使用的多種機(jī)臺(tái)已被假定為良好的測(cè)量參考機(jī)臺(tái)。計(jì)算散射測(cè)量錯(cuò)誤 (Vx) 時(shí)使用表1中的精確值（使用包含極端項(xiàng)的PFET數(shù)據(jù)）。使用精確值是因?yàn)橹皇褂昧艘粋€(gè)機(jī)臺(tái)，且TMU分析并未在散射數(shù)據(jù)上執(zhí)行。盡管精度元素應(yīng)該可以估算出來(lái)，但卻無(wú)法確知，因此并入Vother精度元素能否預(yù)測(cè)或并入對(duì)TPE、CPE和CPQ的主要度量區(qū)別不大，因此區(qū)別在于這些度量的二階效應(yīng)。由于計(jì)算兩種系統(tǒng)測(cè)量錯(cuò)誤時(shí)都需使用芯片級(jí)數(shù)據(jù)，所以誤差必須轉(zhuǎn)換為硅片級(jí)數(shù)據(jù)，以便用于預(yù)測(cè)分析。該轉(zhuǎn)換值是通過(guò)使用芯片級(jí)別數(shù)據(jù)的變化量除以每個(gè)硅片上測(cè)得芯片數(shù)量大致得出的。

PS測(cè)試：柵極電阻
PS測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，柵極電阻與氮化物spacer pulldown相關(guān)聯(lián)。NFET柵極電阻采用柵極電阻參數(shù)PCN_Rs，而PFET柵極電阻采用參數(shù)PCP_RS進(jìn)行測(cè)量。柵極電阻的電性測(cè)量在兩個(gè)不同的物理結(jié)構(gòu)上執(zhí)行，因此僅將NFET pulldown與NFET柵極電阻(PCN_RS) 相比較；并僅將PFET pulldown與PFET柵極電阻(PCP_RS) 相比較，結(jié)果見圖3。由于氮化物pulldown在散射模型中被定義為負(fù)數(shù)，因此請(qǐng)注意每個(gè)圖像的左邊表示更多pulldown。

TPE、CPE和CPQ的x和y形式以及百分比度量、數(shù)據(jù)對(duì)的數(shù)量和R2均如圖中所示。TPE和CPE亦顯示，對(duì)NFET來(lái)說(shuō)，氮化物pulldown可預(yù)測(cè)的柵極電阻在0.68ohm/square之內(nèi)；對(duì)于PFET則在1.4 ohm/square之內(nèi)。圖像的CPQ范圍大約在3和4之間。Vother是主要的誤差來(lái)源。即使在Vx的精度組件已確定并且并入Vx時(shí)也是如此。

此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的物理解釋是，由于pulldown增加，更多的柵極需面臨以后的硅化物形成（氧化物隔板在硅化物成形前將去除）。形成更多的硅化物后，柵極電阻由于硅化物的高傳導(dǎo)性而降低。

M1測(cè)試：柵極電阻
柵極電阻也會(huì)在 M1測(cè)試時(shí)進(jìn)行測(cè)量，圖4是它和氮化物spacer pulldown的關(guān)系。TPE和CPE顯示，對(duì)NFET來(lái)說(shuō)，氮化物pulldown可預(yù)測(cè)柵極電阻在0.73ohm/square之內(nèi)；對(duì)于PFET則在0.82ohm/square內(nèi)。CPQ的范圍大約在3到4之間。再次對(duì)應(yīng)于某個(gè)數(shù)據(jù)范圍，足以顯示出其間良好（但不是極佳）的關(guān)聯(lián)性。此關(guān)聯(lián)的物理解釋和在PS測(cè)試中的解釋相同。

圖5對(duì)M1測(cè)試時(shí)測(cè)得的柵極電阻與多晶硅MCD進(jìn)行比較。這一次，TPE和CPE兩種度量都再次顯示多晶硅MCD可預(yù)測(cè)柵極電阻到0.88ohm/square以內(nèi) (NFET)，或1.3ohm/square以內(nèi)(PFET)。與氮化物pulldown比較，CPQ (～2-3) 值略低。這表示數(shù)據(jù)范圍足以顯示某些級(jí)別的關(guān)聯(lián)。此關(guān)聯(lián)的物理解釋為：柵極CD更大，則其柵極頂部的表面區(qū)域也更多，以方便未來(lái)硅化物成形，這樣會(huì)造成更低的柵極電阻。

M1測(cè)試：Lpoly
Lpoly是在M1測(cè)試中基于電容的柵極長(zhǎng)度電性測(cè)量，它和柵極多晶硅MCD散射測(cè)量相關(guān)聯(lián)（圖6）。CPE 略小于TPE，因此電性測(cè)量誤差非常小，但對(duì)整體誤差卻有明顯影響。多晶硅MCD測(cè)量能夠預(yù)測(cè)Lpoly的測(cè)量，對(duì)于NFET和PFET來(lái)說(shuō)，其誤差都在~1.5 nm以內(nèi)。NFET的CPQ為～2-3，這表示數(shù)據(jù)范圍對(duì)顯示某些量級(jí)的關(guān)聯(lián)已足夠；PFET的CPQ為~5，這表示數(shù)據(jù)范圍足以顯示其良好的關(guān)聯(lián)。Lpoly的測(cè)量表示它能夠準(zhǔn)確地測(cè)量物理柵極長(zhǎng)度，因此應(yīng)該與散射多晶硅MCD測(cè)量相關(guān)聯(lián)。

M1測(cè)試：晶體管電流
圖7顯示了進(jìn)行M1測(cè)量時(shí)，通過(guò)NFET (nIon) 的晶體管電流和氮化物pulldown測(cè)量相關(guān)聯(lián)。再次發(fā)現(xiàn)CPE僅略小于TPE。氮化物pulldown測(cè)量預(yù)測(cè)NFET晶體管電流誤差范圍在～40μA/μm 以內(nèi)，～2-3的CPQ值表示數(shù)據(jù)范圍已足夠顯示某些關(guān)聯(lián)。如前文所示，此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的物理解釋為：spacer被過(guò)度刻蝕，使得氮化物pulldown增加，導(dǎo)致?lián)诫s的SOI層上層氧化物損耗增加。由于氧化物層減少，源漏摻雜劑向外擴(kuò)散，更薄的氧化物導(dǎo)致更多的摻雜劑向外擴(kuò)散。源漏中的摻雜劑變少會(huì)降低傳導(dǎo)性，導(dǎo)致NFET源漏中的電流 (nIon) 減少。由于PFET中的攙雜劑差異，在pIon和PFET氮化物pulldown之間看不到類似的關(guān)聯(lián)。

 
結(jié)論
預(yù)測(cè)分析方法可用于預(yù)測(cè)一個(gè)基于其它測(cè)量（稱為自變量）的測(cè)量（因變量），因此不可避免會(huì)出現(xiàn)預(yù)測(cè)測(cè)量誤差。

散射技術(shù)可成功的為復(fù)雜的NFET和PFET spacer結(jié)構(gòu)建模。散射測(cè)量數(shù)據(jù)是從非標(biāo)準(zhǔn)工藝硅片上收集的，以探索結(jié)構(gòu)變量和電性參數(shù)之間的關(guān)系。柵極電阻Lpoly和晶體管電流 (Ion) 的電性測(cè)量，與用散射測(cè)量方式對(duì)氮化物spacer pulldown和柵極多晶硅MCD進(jìn)行的在線測(cè)量相關(guān)聯(lián)。在每種情況中，都可使用散射測(cè)量預(yù)測(cè)電性測(cè)量，具備相關(guān)的3σ置信范圍。通過(guò)對(duì)spacer進(jìn)行在線監(jiān)控來(lái)預(yù)測(cè)器件性能，從而改善器件性能和良率。

此工作證實(shí)了電性測(cè)量是判斷復(fù)雜結(jié)構(gòu)的散射測(cè)量的適當(dāng)方法。由于有了這些功能，使用電性測(cè)量對(duì)這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)試將會(huì)變得更普遍。

致謝
本文參考了《Proceedings of SPIE 2007 Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXI Conference》卷 6518 同名標(biāo)題的原版 SPIE 出版物。IBM 的 Chas Archie 為本文的預(yù)測(cè)分析發(fā)展部分提供了清晰明確的建議；IBM 的 Blaze Messer 協(xié)助收集和分析過(guò)許多數(shù)據(jù)；IBM 的 RonFiege 和 Clem Bottini 協(xié)助收集過(guò)光譜，而 IBM 的 Ben Himmel 還提供過(guò)電性測(cè)試工具匹配數(shù)據(jù)。作者在此向以上人員致謝。最后，我們還要感謝 KLA-Tencor 的 Jesus Rivas，他曾幫助我們提取薄膜光學(xué)常數(shù)。