专利名称：一种微纳深沟槽结构测量方法及装置的利记博彩app
技术领域：
本发明属于集成电路(IC)和微机电系统(MEMS)器件测量技术， 具体涉及一种微纳深沟槽(深宽比达50:1以上)结构测量方法及装置，该 方法尤其适用于动态随机存储(DRAM)的深沟槽电容器结构深度及宽度背景技术在微电子和微机电系统(MEMS)设计与制造工艺过程中，目前广泛采用 了高深宽比的深沟槽结构，如最新的动态随机存储(DRAM)开始采用复杂的 瓶状深沟槽电容器结构，深度反应离子刻蚀(DRIE)工艺可以很容易制作深 宽比达50:1以上的集成电路和MEMS结构。为了实现有效的工艺控制， 在制造过程中对深沟槽结构的尺寸进行在线、非破坏性的精确检测具有非 常重要的意义。从原理上来看，很多传统方法都可用于沟槽测量，包括基于干涉的表 面形貌测量仪、装有特殊探针的原子力显微镜(AFM, Atomic Force Microscope), 基于剖面制样的扫描电子显微镜(SEM， Scanning Electron Microscope) 和聚焦离子束(FIB, Focused Ion Beam)等。但是，随着90nm及更新先进节 点工艺的不断采用，特征尺寸在不断下降，沟槽深宽比在不断提高，沟槽 形状也变得越来越复杂，上述传统测量方法已经很难甚至根本无法同时满 足工艺控制和优化所需的无接触、非破坏、快速、低成本、高灵敏度等测 量要求。表面形貌测量仪的基本原理是利用光学干涉成像，即被测表面与某个 参考镜表面的反射可以在成像平面上产生干涉现象，形成明暗相间的干涉 图案。如果参考镜产生微小位移，即产生移相，则即使被测表面形貌保持
不变，但形成的干涉图案也将发生改变。利用这一相移干涉(PSI, Phase Shifting Interferometry)技术，通过控制参考镜的相移并利用相位去包裹算 法，可以从不同相移下的多幅干涉图案中估计出一幅被测表面的垂向高度 形貌图。基于上述原理的表面形貌仪更适合于测量表面形貌变化缓慢的结 构，可以用来测量特征尺寸较大的浅沟槽，但对于特征尺寸很小且深宽比 很大的深沟槽来说，由于光线无法入射到深沟槽底部并有效反射出来，因 此无法胜任这样的测量任务。原子力显微镜的基本原理是利用原子之间的范德华力来呈现样品的表 面特性。将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针 尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在 极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将 对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向 起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描 各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。为了测量沟槽结构 的尺寸，AFM悬臂梁针尖必须深入到沟槽内部，这对浅沟槽结构测量是可 行的；对于高的深宽比结构则需要改进AFM针尖，以克服针尖深入到沟槽 内部探测的障碍；在深宽比相同但特征尺寸趋向90nm以下时，进一步改进 AFM针尖将面临更大的困难和挑战。扫描电子显微镜的工作原理是利用聚焦电子束在样品表面逐点扫描成 像，以观察样品的表面结构。利用一束极细的电子束扫描样品，在样品表 面激发出次级电子，其多少与电子束入射角即样品的表面结构有关；次级 电子由探测体收集并转换为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信 号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像，反映 了样本的表面结构，可以获得相当高的测量分辨率， 一般为3 6nm。利用 SEM进行结构表面测量，需要谨慎地制备试样；对于沟槽结构测量来说， 由于感兴趣的区域深埋在硅片内部，则需要切开硅片并制成剖面试样。因 此，尽管SEM在微电子领域获得了广泛应用，出现了诸如CD-SEM和断面 SEM的专门设备，但这种方法本身是一种破坏性和损伤性的测量方法，只 能对有限的硅片部位进行测量，不仅测试时间长，而且测试成本高，特别 是难以获得整块硅片的CD等测量分布信息，从而无法为提高良率、解决工艺问题和优化工艺参数提供足够快速而完整的输入信息。聚焦离子束的工作原理是利用聚焦后的离子束扫描样品表面，通过检 测从样品中被激发出的二次电子，形成二次电子像进行观测。其工作原理、 构造和功能与扫描电子显微镜非常类似，在测量沟槽结构时也同样需要先 切开硅片并制成剖面试样，因此同样具有扫描电子显微镜的上述优点和缺点。红外光谱与分子的结构密切相关，是研究表征分子结构的一种有效手 段。与其它方法相比较，红外光谱由于对样品没有任何限制，因而傅立叶 变换红外光谱技术可提供一种无接触、非破坏、快速、低成本和高灵敏度的测量新途径。Yakovlev和Charpenary等人在1998年SPIE会议上撰文 "Compact FTIR wafer-state sensors: A new way of in-line ULSI characterization", 提出采用紧凑型红外反射光谱仪进行超大规模集成电路工艺的在 线表征和控制，通过研究外延硅厚度和电阻率测量、嵌入式DRAM深沟槽 集成测试、SOI注入剂量控制、光刻胶性能表征等应用实例。1999年，IBM 公司Watson禾口 Wickramasinghe撰文"Measurement of trench depth by infrared interferometry"，提出了一种用于测量非接触式、快速测量高深宽比结构沟 槽深度的方法。该方法的基本原理是硅相对于红外光束是透明的，因此， 红外光束可以不一穿透硅片表面和沟槽；由于沟槽底部占空比的突变产生 了光学常数的不连续性；透射光束在底部不连续界面产生反射，与硅片表 面的反射光束产生干涉；通过分析干涉谱图峰值间的距离得到沟槽的深度 值。2002年，在线技术公司Chatpenaiy等人和加州大学柏克利传感器与执 行器中心Bustillo又发表论文"Real-time etch-depth measurements of MEMS devices",提出采用红外反射谱技术实现MEMS器件刻蚀深度的实时测量， 可测量lOnm-lOO^im宽度DRIE过程中深沟槽和深孔等多种结构的深度。 以上文章表明了红外反射谱测量法用于90nm节点DRAM加工过程在线 工艺控制和优化的巨大潜力。在兰德尔*S ，蒙特等人的中国专利文献公开号CN1421045A中公开了 一种用于光学检测晶片中的沟槽深度的方法，该方法采用的技术是检测一 多波长光的强度中的某一第一最大值，对应顶部沟槽表面的反射；同时检 测一多波长光的强度中的某一第二最大值，对应底部沟槽表面的反射；进 而确定在该第一最大值与该第二个最大值之间的某一最大峰值间距，从而 获得对应的沟槽深度。在安德鲁 烕克斯 屈恩等人的中国专利文献公开号CN1774639A中 公开了一种用于现场监测和控制膜厚及沟槽深度的方法，该发明首先通过 诸如现场监视的方法从晶圆的表面搜集反射率数据并生成参考光谱，然后 从当前测量光谱与参考光谱的比率来确定归一化反射率，进而确定半导体 晶圆上的层厚和沟槽深度等数据。在Halle等人的欧洲专利号EP1018632A3中公开了一种基于红外反射 谱测量刻蚀材料的深度的方法及装置，该发明提出了一种基于红外反射谱 测量半导体填充沟槽刻蚀凹陷深度的方法，运用红外光束探照半导体材料 表面，通过分析从沟槽结构各层分界面反射形成的干涉光谱从而得到实验 反射谱，采用最小二乘法等方法拟合出理论多层薄膜光学模型反射谱，进 而提取理论模型薄膜厚度，即近似得到掩模层厚度和填充沟槽凹陷部分深 度。以上方法都只能针对浅沟槽结构的沟槽深度或薄膜厚度的测量，且沟 槽的宽度信息为己知。随着90nm及更先进节点工艺的采用，上述方法很难 满足高深宽比(50:1以上)深沟槽结构沟槽深度及宽度测量的要求。发明内容本发明的目的在于提供一种微纳深沟槽结构测量方法，该方法可以同 时对沟槽深度、宽度和薄膜厚度进行测量，具有非接触性，非破坏性和低 成本的特点，本发明还提供了实现该方法的装置。本发明提供的微纳深沟槽结构测量方法，其步骤包括(A) 将红外激光束投射到被测硅片表面的深沟槽区域，红外激光束的波长为1.4卩m-28um;(B) 硅片表面的反射光束、沟槽底部的反射光束以及从其它分界面的 反射光束产生干涉，利用红外探卿器接收该干涉信号，分析得到反射光谱特征数据；(C) 根据深沟槽结构特点选取多层薄膜堆栈光学模型，描述深沟槽结 构的光学参数；(D) 利用公式(I)计算薄膜堆桟的反射系数，再利用计算得到的各 波长下的等效薄膜堆栈的反射系数获得该沟槽结构的反射光谱；<formula>formula see original document page 10</formula>其中，:11 =12 =a—'[riA^力化，D。是环境的光学特征矩阵，a是基底的光学特征矩阵，a是膜堆栈第/层的折射率和折射角的矩阵函数，尸,是第/层相位变化角的矩阵函数；(E)通过等效光学模型反射光谱拟合反射光谱，提取得到薄膜厚度、 沟槽深度和沟槽宽度。本发明提供的微纳深沟槽结构测量装置，其特征在于该装置包括红 外光源、干涉仪、探测光路、样品台、接收光路、探测器、放大器、滤波 器、模数转换器和计算机；红外光源、干涉仪和探测光路依次位于同一光 路上，探测光路的出射光与样品台的上表面法线之间的夹角为45。，接收光 路与样品台上表面法线之间的夹角为45°,探测器位于接收光路的出光口， 探测器、放大器和滤波器依次相连，滤波器通过模数转换器与计算机连接；红外光源出射光经过干涉仪进入探测光路，经探测光路校准后，入射 到位于样品台上的样品表面，然后从样品上反射的带有沟槽结构信息的光 束进入接收光路，接收光路将发散光束变成平行光束出射至探测器；探测 器将光信号转换为电信号，再经放大器放大后送入滤波器，滤波器进行滤 波，去除杂散信号，再经过模数转换器送入计算机进行处理。本发明方法将红外光束投射到含有深沟槽结构的硅片表面，分析从深 沟槽结构各分界面反射形成的干涉光得到测量反射光谱；采用等效介质理
论构建该深沟槽结构等效多层薄膜堆栈光学模型的理论反射光谱，利用模 拟退火算法和基于梯度的优化算法，通过理论反射光谱对该测量反射光谱 进行拟合，进而提取沟槽的深度及宽度等几何特征参数，实现了高深宽比 深沟槽宽度和深度等尺寸的精确测量。与现有的测量方法相比，本发明所 提供的方法是一种非接触性的，非破坏性的，低成本的测量方法，在半导 体测量领域将会有广泛的应用前景。本发明提出的微纳深沟槽结构测量装置，可以在DRAM的深沟槽电容器结构测量中获得如下效果(1) 实现DRAM常规深沟槽、斜侧壁深沟槽、瓶状深沟槽和多晶硅 填充沟槽等典型深沟槽结构的测量；(2) 实现在DRAM深沟槽缺陷原位检测、高深宽比微纳结构刻蚀实 时监控、瓶状沟槽多晶硅再填充沟槽在线检测、全场硅片CD均匀性快速评 估，以及在光刻胶和介电薄膜表征。薄膜外延生长工艺反馈、绝缘硅加工 注氧剂量控制等。
图1是微纳深沟槽结构反射模型示意图；图2是微纳深沟槽结构等效多层薄膜堆栈反射模型示意图；图3是锥形深沟槽结构的剖面图以及等效模型示意图；图4是瓶状深沟槽结构的剖面图以及等效模型示意图；图5是填充型深沟槽结构的剖面图以及等效模型示意图；图6是瓶状深沟槽结构的反射谱图；图7是本发明一实施案例装置系统图；图8是本发明一实施案例装置的光学结构示意图；图9是本发明另一实施案例装置的光学结构示意图。
具体实施方式
DRAM深沟槽主要有锥形深沟槽，瓶状深沟槽以及掺杂深沟槽。利用 等效介质理论和严格耦合波理论可以将各种不同结构的深沟槽等效为具有
光学特征参数的薄膜堆桟，并且采用Maxwdl-Gamett理论计算出等效膜堆 栈的光学常数，比如等效折射率，等效电介质常数等，然后通过反射率公 式可以获得等效膜堆栈的理论反射谱。这样的理论反射谱与沟槽的组成成 分、沟槽的深度和宽度有关，因此可以通过调整这些参数从而改变理论上 的反射谱，与实验测量的反射谱达到最佳匹配，提取出沟槽的深度及特征 宽度信息。本发明方法能同时测量高深宽比深沟槽结构深度与宽度等几何特征参 数的方法。下面结合附图对本发明方法的原理和工作过程作进一步详细的 说明。(1) 将红外激光束投射到被测硅片表面的深沟槽区域，红外激光束的 波长为1.2um画20um;(2) 硅片表面的反射光束、沟槽底部的反射光束以及从其它分界面的 反射光束产生干涉，利用红外探测器接收该干涉信号，分析得到反射光谱 特征数据；如图1所示，深沟槽结构由上至下包括顶层1、沟槽层3和基底5。红 外光束7投射到深沟槽结构表面，部分入射光在结构表面发生折射，部分 入射光在结构表面发生反射。折射光线8在沟槽层底部分界面及深沟槽结 构表面分界面发生多次反射、折射后的反射光IO与深沟槽结构表面反射光 9发生干涉，该干涉光进入探测器6。(3) 根据深沟槽结构特点选取一多层薄膜堆栈光学模型，描述深沟槽结构的光学参数；由于入射的红外光波长远大于沟槽的特征宽度，在这样的情况下，可 以使用Maxwdl-Gamett理论将图1的深沟槽结构等效为图2所示多层均匀 薄膜堆栈模型，依次包括顶层等效层2，沟槽层等效层4和基底等效层6。根据公式(1)计算深沟槽结构所对应的各等效层的电介质常数e， Maxwell-Garnett理论计算公式(1)所示<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，SA是该等效层所对应的沟槽结构层主要材料的电介质常数，力是 该等效层所对应的沟槽结构层中第7'种其他介质所占的体积百分比，g是该等效层所对应的沟槽结构层中第7种其他介质的电介质常数，y'为沟槽结构层中其他介质种类所对应的序号。w为沟槽结构层中介质种类数，y取值为1至N。图3A是典型的锥形深沟槽结构，由上至下依次包括SiN层11、沟槽 层31、基底层41。运用以上等效介质理论公式(1)，可以分别计算沟槽结 构各等效层的电介质常数，如顶层含主要介质SiN和其它介质空气，在已 知它们的电介质常数和相^体积百分比例的情况下可以计算出其等效层的 电介质常数。同理中间层也可以用以上方法计算，典型的沟槽是锥形，Si 和空气所占的比例随着沟槽深度的变化而变化，此时可以将沟槽层离散化 为阶梯状计算。沟槽层底部由于其沟槽深度和宽度的不均匀性，可以按照 某种函数分布如Beta函数计算其等效层的电介质常数，将其等效为等效电 介质常数变化的过渡层。因此，锥形深沟槽结构的等效多层薄膜堆栈光学 模型中的一种如图3B所示，由SiN层等效层12，沟槽层等效层321、 322, 基底等效层42组成，其中322为过渡层。图4A是典型的瓶状深沟槽结构，由上至下依次包括SiN层13、瓶颈 层33、瓶身层35、基底层43。根据瓶颈层，瓶身层的宽度和深度，将实际 的瓶状深沟槽结构等效为多层膜堆栈结构。其等效多层薄膜堆栈光学模型 中的一种如图4B所示，由SiN层等效层14，瓶颈层等效层34，瓶身层等 效层36及基底层等效层44构成。图5A是典型的掺杂深沟槽结构，由上至下一次包括SiN层、沟槽凹陷 层、掺杂填充层39、基底层55。根据沟槽凹陷层37和掺杂填充层39的宽 度和深度以及填充物质的光学特性，将实际的沟槽结构等效为膜堆栈结构。 其等效多层薄膜堆栈光学模型中的一种如图5B所示，由SiN层等效层70， 沟槽凹陷层等效层38，掺杂填充层等效层40及基底层等效层56构成。(4)应用Fresnel公式和薄膜光学传播矩阵计算等效光学模型反射光
谱；多层薄膜堆栈的反射系数可以运用光学传播矩阵的方法计算。多层薄 膜堆栈的光学传播矩阵如公式(2)所示<formula>formula see original document page 14</formula>(2)由此可得膜堆栈的反射系数其中A^是环境的光学特征矩阵，A是基底的光学特征矩阵，Z),是膜堆 栈第/层的折射率和折射角的矩阵函数，是第/层相位变化角的矩阵函数。 由以上计算得到的各波长下的等效薄膜堆栈的反射系数可以得到该沟槽结 构的反射光谱。图6显示在DRAM中广泛应用的瓶状深沟槽结构的反射光谱曲线。在 反射谱曲线中，反射率谱线调制周期与沟槽深度有关，调制周期17和周期 18与掩模层厚度和沟槽深度有关；总反射率大小与沟槽占空比有关；反射 谱曲线衰减与沟槽底部深度有关。(5)通过深沟槽结构等效光学模型反射光谱拟合测量反射光谱，进而 提取得到沟槽深度及宽度等几何特征参数。记步骤(3)测得的沟槽结构反射光谱为i^，步骤(4)计算的该沟槽 结构等效光学模型的反射光谱为凡( ，"；…", ， …",为介质复折 射率，A…4为等效层薄膜厚度。建立i^与A最小二乘拟合参数式，如式 (3)所示，<formula>formula see original document page 14</formula> (3)求解式(3)，得到使y( ，《… ，《)为最小的一组参数";，A…",，《,。由于在磁导率为l时，电介质常数5 = ^，而复折射率5 = "+汰，其中"是实折射率，代表光在这种介质中的传播速度，A:是消光系数，代表这 种介质对光的吸收程度。因此，通过"7… 可计算得到各等效层等效电 介质常数&…e,。将等效电介质常数带入(1)即可计算出各层沟槽宽度，14"广"为各等效层厚度，即沟槽结构各层深度值。求解式(3)涉及大量非线性元，本发明方法采用模拟退火算法和Levenberg-Marquardt迭代算法相结合，先使用模拟退火算法在整个解空间 内査找最优解，再将结果代入Levenberg-Marquardt迭代算法精确查找，实 现快速准确求解。步骤如下StepA:使用模拟退火算法在较弱收敛条件下求解式(3)，获得一组参数"/，《…",.，《.，的值；StepB:以StepA获得的"；，《…wz.， 作为Levenberg-Marquardt迭代的初值，再次求解式(3)。如图7所示，实现上述方法的装置包括红外光源21、干涉仪22、探测 光路23、样品台24、接收光路25、探测器26、放大器27、滤波器28、模 数转换器29和计算机30。红外光源21、干涉仪22和探测光路23依次位 于同一光路上，探测光路23的出射光与样品台24的上表面法线之间的夹 角为45°，接收光路25与样品台24上表面法线之间的夹角为45。，探测器 26位于接收光路25的出光口，探测器26、放大器27和滤波器28依次相 连，滤波器28通过模数转换器29与计算机30连接。探测光路23和接收光路25由一系列抛物镜、平面镜、光阑按下述的 方位连接，具体实施方式
如图8、 9所示，但不限于以上两种形式。红外光 源21出射光经过干涉仪22进入探测光路23，经探测光路23校准后，入射 到位于样品台24上的样品表面，然后从样品上反射的带有沟槽结构信息的 光束进入接收光路25，接收光路25将发散光束变成平行光束出射至探测器 26。探测器26将光信号转换为电信号，再经放大器27放大后送入滤波器 28，滤波器28进行滤波，去除杂散信号，再经过模数转换器29送入计算 机30，计算机30得到探测器26接收到的干涉光信号的干涉图，进行傅立 叶变换，得到接收到的红外光各波数下的反射率强度以及其变化特性与趋 势。如图8所示，本发明装置的一实施案例光路结构探测光路23包括第 一离轴抛物镜231、第一可调矩形光阑232、第二离轴抛物镜233、第一平 面反射镜234和第三离轴抛物镜235。第一离轴抛物镜231位于干涉仪22
的出射光路上，第一可调矩形光阑232位于第一离轴抛物镜231的焦平面 上，第二离轴抛物镜233位于第一可调矩形光阑232的出射光路上，第一 平面反射镜234的法线与第二离轴抛物镜233的出射光路的夹角为45。。第 三离轴抛物镜235位于第一平面反射镜234的出射光路上。接收光路25包 括第四离轴抛物镜251、第二平面反射镜252、第五离轴抛物镜253、第二 可调矩形光阑254和第六离轴抛物镜255，其位置与探测光路23相对样品 表面法线对称布置。红外光源21发出红外光进入干涉仪22，干涉光出射后投射到第一离轴 抛物镜231上面，光束偏转90。角后聚焦，在焦平面上放置第一可调矩形光 阑232，光束经过焦平面后发散，投射到第二离轴抛物镜233上面，发散光 束变成平行光束，经第一平面反射镜234反射后，光束投射到第三离轴抛 物镜235上面，光束偏转90。角，由平行光束变为聚焦光束，聚焦光以45。 角入射到样品241上面，反射的发散光束由第四离轴抛物镜251接收，发 散光束变成平行光束并入射到第二平面反射镜252，经反射后光束改变方向 投射到第五离轴抛物镜253上，光束偏转90。角后聚焦，在焦平面上放置第 二可调矩形光阑254，光束经过焦平面后，由第六离轴抛物镜255把发散光 束变成平行光束并偏转90°角，最后平行光束进入探测器26。如图9所示，本发明装置的另一实施案例光路结构探测光路23包括 第一平面反射镜236、第一离轴抛物镜237、第一可调矩形光阑232、第一 椭球镜239。第一平面反射镜236位于第干涉仪22出射光路上，平面反射 镜法线与干涉仪出射光路之间夹角为22.5°;第一离轴抛物镜237位于第一 平面反射镜236光路上，第一可调矩形光阑232位于第一离轴抛物镜237 焦平面上，且与第一离轴抛物镜237出射光路垂直；第一椭球镜239位于 第一可调矩形光阑232出射光路上。接收光路25包括第二椭球镜256、第 二可调矩形光阑254、第二离轴抛物镜257、第一平面反射镜259，其位置 与探测光路23相对样品表面法线对称布置。红外光源21发出红外光进入干涉仪22，干涉光出射后经第一平面反射 镜236反射偏转45。后投射到第一离轴抛物镜237上面，光束偏转90°角后 聚焦，在焦平面上放置第一可调矩形光阑232，光束经过焦平面后发散，投
射到第一椭球镜239上面，由发散光束变为聚焦光束，聚焦光以45。角入射 到样品241上面，反射的发散光束由第二椭球镜256接收，光束偏转9(T 角后聚焦，在焦平面上放置第二可调矩形光阑254,光束经过焦平面后，由 第二离轴抛物镜257把发散光束变成平行光束并偏转90°角，平行光束最后 经第二平面反射镜259反射偏转45°进入探测器26。红外光源21发出的红外光波长范围为1.7 U m-28 u m，在这种红外波长 下硅的结构是透明的，可穿透硅片样品上的深沟槽；红外光经过干涉仪22， 相当于对红外光进行了调制，出射的干涉光不易受自然光影响，可提高信 噪比，保证了测量精度；光路中采用了离轴抛物镜231、 233、 235、 237、 251、 253、 255、 257以及椭球镜239、 256，其结构简单，不产生色差，适 用波段宽，反射率高，既保证光路的质量，简化结构，也减小了能量损失； 可调矩形光阑232放置在聚焦光束的焦平面上，通过减小光阑232矩形孔 的长和宽，在焦平面处可以阻挡发散角大的光线通过，从而达到减小样品 上测量光斑尺寸的目的，通常情况下，当矩形孔长宽各为几百微米时，可 以得到足够小的光斑来避免杂散光的影响；聚焦光束以45。角斜入射到样品 台24表面上，可以增加测量光束经过微结构层的距离，当以45。角入射时， 不同散度角的光束基本上都聚焦在样品241的表面，这样可以使能量集中， 减小光斑大小，使有用光束和杂散光最大限度的分离；可调矩形光阑254 放置在聚焦光束的焦平面上，通过减小光阑254矩形孔的长和宽，使有用 的反射光通过，阻挡由于光束经过样品背面而产生的杂散光，使获得的反 射光更有效。系统装置操作步骤如下1. 系统对样品进行检测时，首先通过光源中的可见光，对整个光路进行 光路准直，使探测光束聚焦在样品表面。2. 样品由样品台夹持，样品台拥有五个自由度，调节样品台的X、 Y、 Z三个方向运动，使探测光斑位于样品表面的微结构处，调节另外两个自由 度，使其做俯仰转动，通过调节样品台，使样品表面位于聚焦光束的最佳 焦平面。3. 样品调节完毕后，入射到样品表面的聚焦光束经过反射后进入接收光
路，并且能够让探测器检测到光信号。4. 调节探测光路中的光阑，减小通光孔径，限制入射光束的散度角，允许通过的光线散度角最大为0.125° ，使样品上的聚焦光斑减小到400X600 l_im。5. 调节接收光路中的光阑，减小通光孔径，使含有信息的有用光束通过， 阻挡光路中夹杂的杂散光。6. 检测器得到干涉光信号后，余下步骤由模数、数模转换器和计算机等 自动完成，最后得到我们所要的光谱图。通过编制的软件对光谱图进行分 析，并最终得到薄膜层堆栈结构的相关参数。
权利要求
1、一种微纳深沟槽结构测量方法，其步骤包括(A)将红外激光束投射到被测硅片表面的深沟槽区域，红外激光束的波长为1.4μm-28μm；(B)硅片表面的反射光束、沟槽底部的反射光束以及从其它分界面的反射光束产生干涉，利用红外探测器接收该干涉信号，分析得到反射光谱特征数据；(C)根据深沟槽结构特点选取多层薄膜堆栈光学模型，描述深沟槽结构的光学参数；(D)利用公式(I)计算薄膜堆栈的反射系数，再利用计算得到的各波长下的等效薄膜堆栈的反射系数获得该沟槽结构的反射光谱；
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(C)将深沟槽结构等效为多层均匀薄膜堆桟模型，根据公式(II)计算深沟槽结构所对应的各等效层的电介质常数e:<formula>formula see original document page 2</formula>其中，^是该等效层所对应的沟槽结构层主要材料的电介质常数，为是 该等效层所对应的沟槽结构层中第/种其他介质所占的体积百分比，S,.是该 等效层所对应的沟槽结构层中第y种其他介质的电介质常数，J为沟槽结构层中其他介质种类所对应的序号，/取值为1至N， N为沟槽结构层中介 质种类数。
3、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤(E)按照下述过程进行处理(El)记步骤(C)测得的沟槽结构反射光谱为/ w，步骤(D)计算的 该沟槽结构等效光学模型的反射光谱为为A(",， "7…",，《)， …",为 介质复折射率，A…J,.为等效层薄膜厚度；建立i^与^最小二乘拟合参数 式如式(III):<formula>formula see original document page 3</formula> (III) 求解式(m)，得到使x",，《 …", ， 4)为最小的一组参数";，A…",，《,，其中，A…《为各等效层厚度，即沟槽结构各层深度值；(E2)通过 …",计算得到各等效层等效电介质常数e广w,，再根据 公式(II)计算各层沟槽宽度。
4、 一种微纳深沟槽结构测量装置，其特征在于该装置包括红外光源 (21)、干涉仪(22)、探测光路(23)、样品台(24)、接收光路(25)、探测器(26)、放大器(27)、滤波器(28)、模数转换器(29)和计算机(30); 红外光源(21)、干涉仪(22)和探测光路(23)依次位于同一光路上，探 测光路(23)的出射光与样品台(24)的上表面法线之间的夹角为45°，接 收光路(25)与样品台(24)上表面法线之间的夹角为45。，探测器(26) 位于接收光路(25)的出光口，探测器(26)、放大器(27)和滤波器(28) 依次相连，滤波器(28)通过模数转换器(29)与计算机(30)连接；红外光源(21)出射光经过干涉仪(22)进入探测光路(23)，经探测 光路(23)校准后，入射到位于样品台(24)上的样品表面，然后从样品 上反射的带有沟槽结构信息的光束进入接收光路(25)，接收光路(25)将 发散光束变成平行光束出射至探测器(26);探测器(26)将光信号转换为 电信号，再经放大器(27)放大后送入滤波器(28)，滤波器(28)进行滤 波，去除杂散信号，再经过模数转换器(29)送入计算机(30)进行处理。
5、 根据权利要求4所述的装置，其特征在于探测光路(23)包括第 一离轴抛物镜(231)、第一可调矩形光阑(232)、第二离轴抛物镜(233)、 第一平面反射镜(234)和第三离轴抛物镜(235);第一离轴抛物镜(231) 位于干涉仪(22)的出射光路上，第一可调矩形光阑(232)位于第一离轴 抛物镜(231)的焦平面上，第二离轴抛物镜(233)位于第一可调矩形光 阑(232)的出射光路上，第一平面反射镜(234)的法线与第二离轴抛物 镜(233)的出射光路的夹角为45。，第三离轴抛物镜(235)位于第一平面 反射镜(234)的出射光路上；干涉仪(22)出射的干涉光投射到第一离轴抛物镜(231)上，光束偏 转9(T角后聚焦，在焦平面上放置第一可调矩形光闹(232)，光束经过焦平 面后发散，投射到第二离轴抛物镜(233)上面，发散光束变成平行光束， 经第一平面反射镜(234)反射后，光束投射到第三离轴抛物镜(235)上 面，光束偏转90。角，由平行光束变为聚焦光束，聚焦光以45°角入射到样口 h叩工o
6、 根据权利要求4所述的装置，其特征在于探测光路(23)包括第 一平面反射镜(236)、第一离轴抛物镜(237)、第一可调矩形光阑(232)、 第一椭球镜(239);第一平面反射镜(236)位于第干涉仪(22)出射光路 上，平面反射镜法线与干涉仪出射光路之间夹角为22.5°，第一离轴抛物镜(237)位于第一平面反射镜(236)光路上，第一可调矩形光阑(232)位 于第一离轴抛物镜(237)焦平面上，且与第一离轴抛物镜(237)出射光 路垂直，第一椭球镜(239)位于第一可调矩形光阑(232)出射光路上；干涉仪(22)出射的干涉光投射到第一平面反射镜(236)，反射偏转 45。后投射到第一离轴抛物镜(237)上面，光束偏转90。角后聚焦，在焦平 面上放置第一可调矩形光阑(232)，光束经过焦平面后发散，投射到第一 椭球镜(239)上面，由发散光束变为聚焦光束，聚焦光以45。角入射到样口 k
7、 根据权利要求5所述的装置，其特征在于接收光路(25)包括第 四离轴抛物镜(251)、第二平面反射镜(252)、第五离轴抛物镜(253)、 第二可调矩形光阑(254)和第六离轴抛物镜(255)，其位置与探测光路(23) 相对样品表面法线对称布置；第四离轴抛物镜(251)接收样品反射的发散光束，将发散光束变成平 行光束并入射到第二平面反射镜(252),经反射后光束改变方向投射到第 五离轴抛物镜(253)上，光束偏转90。角后聚焦，在焦平面上放置第二可 调矩形光阑(254),光束经过焦平面后，由第六离轴抛物镜(255)把发散 光束变成平行光束并偏转90°角。
8、 根据权利要求6所述的装置，其特征在于接收光路(25)包括第 二椭球镜(256)、第二可调矩形光阑(254)、第二离轴抛物镜(257)、第 一平面反射镜(259)，其位置与探测光路(23)相对样品表面法线对称布 置；第二椭球镜(256)接收样品反射的发散光束，光束偏转9(T角后聚焦， 在焦平面上放置第二可调矩形光阑(254),光束经过焦平面后，由第二离 轴抛物镜(257)把发散光束变成平行光束并偏转90。角，平行光束再经第 二平面反射镜(259)反射偏转45"。
全文摘要
本发明公开了一种微纳深沟槽结构测量方法及装置，能够同时测量微纳深沟槽结构沟槽深度、宽度和薄膜厚度。其方法是将红外光束投射到含有深沟槽结构的硅片表面，分析从深沟槽结构各分界面反射形成的干涉光得到测量反射光谱；采用等效介质理论构建该深沟槽结构等效多层薄膜堆栈光学模型的理论反射光谱，利用模拟退火算法和基于梯度的优化算法，通过理论反射光谱对该测量反射光谱进行拟合，进而提取沟槽的深度及宽度等集合特征参数，实现了高深宽比深沟槽宽度和深度等尺寸的精确测量。本发明装置，可实现动态随机存储器(DRAM)上电容器典型深沟槽结构的测量，具有非接触性，非破坏性和低成本的特点。
文档编号G01B11/02GK101131317SQ20071005329
公开日2008年2月27日 申请日期2007年9月20日 优先权日2007年9月20日
发明者刘世元, 史铁林, 张传维, 沈宏伟, 顾华勇 申请人:华中科技大学