散射測量方法日益應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的測量，并逐漸在間隔層的量測中占據(jù)主導(dǎo)地位。數(shù)量級在10nm或更薄的間隔層測量尤其困難。除間隔層厚度外，由間隔層過刻蝕導(dǎo)致的基板凹陷深度也對器件有著明顯的影響。嵌入式SiGe通過刻蝕出溝道并填充SiGe來將其嵌入到SOI基板中，它的引入增加了測量的難度。和柵極電介質(zhì)的底部相比，溝槽可能會出現(xiàn)欠填充或過填充的現(xiàn)象。對大量欠填充或過填充的測量對器件性能的監(jiān)控是非常重要的。

本文討論了用于測量eSiGe溝槽的復(fù)雜薄間隔PFET結(jié)構(gòu)的散射測量方法。間隔層厚度和eSiGe溝槽的過填充量是該類結(jié)構(gòu)的重要測量參數(shù)。通過測量關(guān)鍵參數(shù)，可以了解不同系統(tǒng)間測量性能上的差異。與舊系統(tǒng)比較，新系統(tǒng)的光學(xué)元件顯著提高了參數(shù)的動態(tài)可重復(fù)性，同時將波長范圍延伸到了深紫外光 (DUV)，而這個波長范圍對測量參數(shù)有極大的靈敏度，顯著提高了測量的準確性。

實驗
本實驗主要對45nm節(jié)點SOI技術(shù)的NFET與PFET結(jié)構(gòu)進行測量。每個結(jié)構(gòu)包含一個間距為190nm的多晶硅柵極，其氧化物間隔層厚度約為10nm左右。測量的PFET 結(jié)構(gòu)包含過填充的eSiGe。評估的參數(shù)包括PFET和NFET氧化物間隔層的厚度，以及PFET的過填充量。上述兩種結(jié)構(gòu)樣本的TEM如圖1所示。

本實驗采用的樣品為經(jīng)過間隔層刻蝕工藝的6枚晶圓。在這一組晶圓中，確保兩個參數(shù)不一樣，一個是間隔淀積厚度，它會形成不同厚度的間隔層；另一個是間隔層過刻蝕量，它會形成不同的NFET凹陷深度和PFET過填充量。采用的設(shè)備是Spectra CD200（SCD）散射測量系統(tǒng)和新一代平臺NGP。

本文把波長范圍在235nm以上的光源定義為“紫外光 (UV)”，而把波長范圍為150nm～235nm的光源定義為“深紫外光 (DUV)”。創(chuàng)建2個NFET模型并進行比較，每個系統(tǒng)均使用相同的波長，并確保所有波長在紫外光的范圍內(nèi)。此外還采用相同的光學(xué)常數(shù) (n＆k)，以及相同的固定和浮動模型參數(shù)。5個浮動參數(shù)分別是：氧化物間隔層厚度、柵極多晶硅關(guān)鍵尺寸的MCD、柵極多晶硅高度、SOI厚度和埋層氧化物厚度。

同樣也創(chuàng)建2個PFET模型，與NFET模型類似，也使用相同的固定與浮動模型參數(shù)。PFET模型中的7個浮動參數(shù)分別是氧化物間隔層厚度、柵極多晶硅 MCD、柵極多晶硅高度、SOI梯形高度、余下的SOI厚度、埋層氧化物厚度以及eSiGe過填充量。圖2 展示了NFET與PFET模型的示意圖。

結(jié)果
光學(xué)常數(shù)的確定
由于光學(xué)常數(shù)或散射參數(shù)對最后的建模結(jié)果有著重大的影響，因此確定正確的光學(xué)常數(shù)或散射參數(shù)是非常關(guān)鍵的。確定SCD紫外光薄膜常數(shù)可采用常見的疊加堆棧辦法。這種方法是在有圖形的實驗晶圓上收集經(jīng)過多個工藝步驟后的平坦薄膜區(qū)光譜，直至間隔層刻蝕。這一過程可以追蹤每一道工藝是如何影響不同材料的薄膜性能的。

確定NGP PFET模型的光學(xué)常數(shù)則更具挑戰(zhàn)性，因為實驗晶圓不能像SCD應(yīng)用那樣，可在每個工藝步驟后測量。除帶有氧化物間隔層薄膜的無圖形晶圓外，所有薄膜光譜的收集只能在這6片晶圓的間隔層刻蝕之后，在三個不同的平坦襯底上進行。這些襯底的示意圖如圖3所示。利用在DUV與UV范圍測得的光譜數(shù)據(jù)創(chuàng)建合適的散射參數(shù)。換而言之，將來自這兩個波長區(qū)域的光譜首次進行合并，然后創(chuàng)建散射參數(shù)。此外，在這個合并后的光譜范圍內(nèi)，同時對DUV與UV散射參數(shù)進行優(yōu)化，而不是單獨優(yōu)化，然后拼接在一起。雖然這種方法面臨更多的挑戰(zhàn)，但可以防止產(chǎn)生無規(guī)律的不連續(xù)光學(xué)常數(shù)，或在235nm躍遷波長處產(chǎn)生衍生數(shù)據(jù)。

DUV的穿透深度相對較淺，這樣可以在平坦襯底區(qū)獲得上層薄膜特性（圖3）。該上層薄膜特性獨立于下層薄膜特性以及由于受后續(xù)工藝步驟的影響而導(dǎo)致的不確定性。對比來看，UV和可見光具有更深的穿透深度，因此該光譜對下層薄膜的不確定性更敏感，更難以得到上層薄膜的特性。所以，缺乏適當(dāng)?shù)挠糜诒∧ぬ卣髅枋龅木A可能會影響NGP PFET薄膜的散射質(zhì)量，尤其是在UV波長范圍內(nèi)。

光譜靈敏度
光譜靈敏度是確定設(shè)備能否很好地測量某一給定參數(shù)的方法之一。每個波長范圍（UV或DUV）均有一個與測量參數(shù)相關(guān)的靈敏度值，表示信噪比數(shù)值。靈敏度比率（DUV/UV）是一個定量指標，用于說明在測量某一給定參數(shù)時，DUV光學(xué)元件比UV光學(xué)元件更敏感的程度。測量不同芯片上同一位置的光譜信息，并把它們標識出來，是一個很好的顯現(xiàn)光譜靈敏度的方式。

從兩片晶圓的每一片中選擇相同的中心芯片。每對晶圓的工藝條件都相同，只有淀積的厚度或間隔層過刻蝕量（影響過填充量）不同。圖4顯示了兩個芯片上不同的間隔薄膜淀積條件下的光譜疊圖比較。兩個芯片上的散射測量樣本采用TEM分析。分析表明，這兩個芯片的間隔層厚度之差為4.4nm。由于波長在DUV范圍內(nèi)的光譜有更多的差異性，DUV光學(xué)元件對NFET間隔層厚度的改變比UV光學(xué)元件更敏感。事實上，這一靈敏度的變化發(fā)生在DUV與UV的波長躍遷處。DUV/UV的靈敏度比值為3.7，這意味著當(dāng)測量這些厚度的變化時，DUV的靈敏度是UV的3.7倍。

圖5顯示了不同淀積條件下，兩個波段對PFET間隔層厚度變化的靈敏度。TEM的分析表明間隔層厚度之差為4.6nm。DUV光學(xué)元件對厚度的變化更敏感，在DUV/UV波長躍遷區(qū)，靈敏度開始再次發(fā)生變化。靈敏度比率表明，對PFET間隔層厚度的變化而言，DUV的靈敏度是UV的4.8倍。

圖6顯示了兩個芯片在不同的過刻蝕量以及不同的PFET過填充量條件下的比較。晶圓組中其它芯片的TEM結(jié)果表明，這兩個芯片的過填充量差約為3nm或更少。再次證明了DUV更為敏感，其靈敏度變化大約發(fā)生在DUV與UV的波長躍遷區(qū)，靈敏度比率為1.6。

從6枚實驗晶圓中收集短期動態(tài)重復(fù)性（STDR）數(shù)據(jù)。分別在每枚晶圓中選擇9個芯片，并對每個芯片循環(huán)測量10次，以此來確定STDR數(shù)據(jù)。對每個芯片可進行重復(fù)性測量，其平均值便是晶圓的STDR數(shù)據(jù)，然后再將這個平均值轉(zhuǎn)換成一個3σ值。圖7顯示了STDR的結(jié)果。結(jié)果表明，NGP間隔層測量的STDR比SCD間隔層測量的STDR約低2.5至3倍。而對于PFET過填充量，NGP的STDR較SCD約降低了2倍。

準確性
與從光譜保真度方面來評估準確性的方法不同，本實驗采用總量測不確定度(TMU)分析方法，從最終測量的參數(shù)間隔層厚度和PFET過填充量方面來評估準確性，TEM作為參考測量系統(tǒng) (RMS)。對于NFET結(jié)構(gòu)，對每個柵極結(jié)構(gòu)的TEM 圖像上4個不同位置進行了間隔層厚度測量，每個位置測量2次。而每個散射測量樣本共對3張柵極圖像進行了測量，因此每個散射測量樣本總共可收集12個厚度測量數(shù)據(jù)。而對于PFET結(jié)構(gòu)，可在每張柵極圖片上的間隔層分散選擇10個點進行間隔層厚度測量，每個點測量5次。每張柵極圖片選擇2個點進行過填充量的測量。這樣，每個散射樣本共對3張PFET柵極圖像進行了測量，因此每個樣本一共可以收集30個間隔層厚度和6個過填充量的測量數(shù)據(jù)。

在散射樣本上進行大量的TEM取樣，成本較高，難度也較大。因此TEM取樣僅限于每個散射測量樣本的中心位置，沒有考慮樣本之間在厚度和過填充量上的差異性。首先對NFET間隔層厚度的準確性進行評估。圖8為SCD和NGP在測量間隔層厚度時TMU的差異?？梢钥闯鯪GP TMU值得到了一定的改進：從1.48nm降至1.21nm，減少了18％。必須指出的是，由于取樣有限，TMU值可能會存在較大的不確定性，所以間隔層厚度TMU的改進不是決定性的。

接下來對PFET間隔層厚度的準確性進行評估，其評估結(jié)果如圖9所示。在該評估中，如上所述，NGP可以充分利用UV和DUV各自的波長范圍優(yōu)勢，但這兩種模式仍然使用相同的固定和浮動模型參數(shù)。結(jié)果表明，與SCD相比，NGP TMU得到了顯著的改進：TMU從2.44nm 降至1.31nm，減少了46％。雖然TMU的誤差范圍較大，但是與NFET相比，其誤差范圍重疊的情況要少很多。

最后對PFET過填充量的準確性進行評估，評估結(jié)果如圖10所示。NGP實現(xiàn)了少許改進，TMU從3.08nm降至2.78nm，減少了10％，過填充量值的變化幅度很小。此外，由于邊界相關(guān)性較為模糊，因此難以從TEM 圖片中對其進行準確測量。

結(jié)論
薄間隔層的特性描述對先進設(shè)備的監(jiān)控尤為重要。與現(xiàn)有SpectraCD200平臺 (SCD) 相比，新一代硬件平臺NGP可提高45nm節(jié)點薄間隔層的測量質(zhì)量。NGP可通過其先進的光譜橢圓偏光法(SE)光學(xué)元件以及低至150nm的更廣泛的波長范圍來提高測量質(zhì)量。結(jié)果顯示，NGP的短期動態(tài)重復(fù)性(STDR)較SCD降低2.5～3倍，TMU則提高了18％。與UV波長范圍相比，DUV波長范圍對間隔層厚度變化的靈敏度提高3.7倍。

PFET結(jié)構(gòu)通常用于研究NGP如何提高間隔層厚度和過填充量的測量質(zhì)量。NGP擁有更廣泛的波長范圍及先進的光學(xué)元件，可充分利用該模型以展示其組合優(yōu)勢。雖然模型使用了不同的散射文件和波長范圍，但它們共享相同的固定與浮動建模參數(shù)。對于PFET結(jié)構(gòu)，DUV波長對間隔層厚度變化的靈敏度較UV波長提高了4.8倍；DUV波長對過填充量的靈敏度較UV波長則提高了1.6倍。通過使用NGP，既可將過填充量的STDR降低2倍，也可使間隔層厚度的STDR降低3倍。此外，還可將間隔層厚度的TMU提高46％。雖然這兩個系統(tǒng)的置信區(qū)間有一定的重疊，但重疊部分非常小，因此可以確定NGP有很大的改進。雖然過填充量的TMU提高了10％，但由于采樣的局限性，誤差范圍較大。

NGP的先進SE光學(xué)元件能降低光與電噪聲，因此可實現(xiàn)STDR的顯著降低，同時延展的波長范圍還能顯著提升測量參數(shù)的準確度。因為與UV相比，DUV對間隔層厚度變化具有更高的靈敏度。