CN103292747B - 一种测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法及装置，装置包括：显微镜、多个光纤传感器以及后端处理设备，将光纤传感器的光纤探头置于Fin线条侧墙同一侧，光纤探头和Fin表面距离在准直光纤临界距离内发射入射光；收集经过散射的光束，将光束转化为电信号输出；根据该电信号计算得到表面粗糙度。本发明的方法解决了其他测量仪器无法测量垂直侧墙粗糙度这一问题，有利于半导体制备工艺中纳米线条制备的表征，对集成电路制备工艺研究有重要意义。本发明的装置结构简单，成本低。测量***组成仪器简单易购买，光学***测量，无需使用探针，没有消耗配件，成本相对较低。

Description

一种测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种测量细线条表面粗糙度的方法，尤其涉及一种利用光的散射测量FinFET器件线条侧墙表面粗糙度的方法及装置，属于超大规模集成电路制造技术领域。

背景技术：

鳍式场效应晶体管(FinField-effectTransistor；FinFET是由美国伯克利大学ChenmingHu教授等人于1999年发明的新型器件，FinFET对短沟效应有突出的抑制作用。随着2011年Intel宣布在22nm处理器中使用FinFET器件工艺。FinFET又一次成为研究焦点。

FinFET的电流是在Fin线条的侧墙表面流动，因此，侧墙表面的粗糙度对器件性能有很大的影响。如果侧墙表面比较粗糙，会导致栅氧质量变差，载流子迁移率下降，驱动电流减小，泄露电流增大，低频噪声增加。因此，降低侧墙表面的粗糙度对FinFET器件的制备很关键。而准确定量地测量和表征侧墙表面的粗糙度是寻找降低粗糙度方法的前提。

半导体制造技术中，表面粗糙度的测量多通过原子力显微镜（AtomicForceMicroscope）来定量测量平面的表面粗糙度，其原理是利用针尖和原子间的作用力来表征表面的形貌。扫描过程是由压电陶瓷驱动样品移动，由于压电陶瓷的伸缩变形量非常微小，控制电压每改变1V，伸缩量仅改变几个纳米。因此AFM测量的精度非常高，但是这种方法在测量垂直表面的粗糙度时受到限制，原因有两点，一是竖直的探针很难用针尖触碰到垂直的侧墙；二是针尖本身有一定宽度和弧度，即使是有坡度的侧墙，针尖也很有可能触碰不到侧墙底部。对于AFM在测量Fin线条侧墙粗糙度的局限性，很多学者进行了研究，目的是通过各种办法使得可以用AFM设备表征出侧墙的粗糙度。例如：意大利Padova大学的Marinello等人通过将样片倾斜一定角度，使针尖可以接触到侧墙底部，来表征侧墙表面的粗糙度；美国IBM研究中心的Martin等人使用一种特殊的针尖以获得较好的侧墙精度；比利时天主教鲁汶大学的XiaohuiTang等人利用减薄后的SOI片制备Fin线条，然后将BOX层腐蚀掉，使Fin线条倒掉，侧墙由垂直变为平面，再用AFM测量侧墙表面粗糙度。这些方法虽然最终可以得到侧墙表面粗糙度，但是测试过程复杂，对工艺和设备有特殊要求，不能普遍用于垂直侧墙表面粗糙度的测量。

发明内容：

本发明提出一种利用光的散测量侧墙粗糙度的方法，可以对垂直侧墙表面粗糙度进行精确测量，对样片无特殊制备要求，避免使用探针时对表面造成损伤，避免消耗探针。

本发明的技术方案如下：一种测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法，其步骤包括：

将光纤探头置于Fin线条侧墙同一侧发射入射光；

收集经过散射的光束，将所述光束转化为电信号输出；

根据该电信号测定得到表面粗糙度。

更进一步，所述光纤探头和待测Fin线条在同一水平面，与Fin线条长度方向垂直。

更进一步，所述光纤探头和所述Fin表面距离在准直光纤临界距离内发射入射光。

更进一步，所述电信号计算得到表面粗糙度的方法为：反射场散射光强I转化为电信号后与表面粗糙度R_q按照如下关系转化：其中，K为与入射光强及表面材料反射系数有关的常数，α′₀为镜反射方向与表面方向夹角，λ为光波波长，R_q为表面粗糙度。

更进一步，当所述Fin线条侧墙表面轮廓的高度和斜率分布为高斯型分布，且入射光波波长大于表面轮廓的粗糙度R_q时，反射场散射光强按空间角度为变量成高斯分布，其中，σ²为光强分布的方差，α为反射场中光线与表面法线的夹角。

优选地，所述光纤探头采用准直型光纤传感器。

优选地，收集经过散射的光束时，所述镜反射方向与表面方向夹角α′₀为0。

优选地，使用显微镜对光纤探头进行调节，在测量开始时关闭显微镜光源。

优选地，采用光敏元件将所述光束转化为电信号输出。

基于测量方法本发明还提出一种测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的装置，包括：一个显微镜、多个光纤传感器以及后端处理设备，

所述显微镜用于调节传感器探头和侧墙表面之间的距离；

所述光纤传感器用于发送光束并接收反射光，所述光纤传感器由光纤、光敏元件和信号放大电路组成；

所述后端处理设备用于对收集到的数据进行处理，并输出被测侧墙的表面粗糙度R_q，所述后端处理设备由计算机设备、输出单元、计算单元组成。

本发明的有益效果：

1）解决了其他测量仪器无法测量垂直侧墙粗糙度这一问题。表面粗糙度测量仪器，如原子力显微镜（AFM）在测量垂直表面时有很大困难，本发明专门针对垂直侧墙表面粗糙度的测量问题而提出，有利于半导体制备工艺中纳米线条制备的表征，对集成电路制备工艺研究有重要意义。

2）避免了传统测量仪器中使用探针接触式测量手段。本发明采用光学测量手段，避免使用探针，因此对样品表面不会造成损伤。

3）光学***，实现快速测量，精度高。

4）结构简单，成本低。测量***组成仪器简单易购买，光学***测量，无需使用探针，没有消耗配件，成本相对较低。

附图说明：

图1是本发明测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法一实施例中粗糙表面的反射场光强分布成高斯分布示意图。

图2是本发明测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法一实施例中随机型、准直型和同轴型光纤传感器输出电压V和工作距离d的关系示意图。

图3是本发明测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的装置一实施例中测量装置示意图。

图4是本发明测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法一实施例中操作步骤示意图。

其中，1为光纤信号发生器，1-1为光纤信号接收器，1-2为光敏元件，2为显微镜，3为光纤线路，4为待测硅片侧墙表面，5为硅片长,6为硅片宽,7为硅片高。

具体实施方案：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，可以理解的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

发明原理

表面粗糙度一般用轮廓算术平均偏差即表面粗糙度的均方根值R_q表示，定义了取样单位长度1内轮廓偏距y(x)绝对值的算术平均值。

根据光在粗糙表面的散射理论，当一束光以α角入射到被测表面时，如果表面是理想光滑的，入射光在镜反射方向产生全反射，反射角为α′。如果表面是粗糙的，入射光的一部分或全部产生散射并偏离α'角。因此空间某个角度的光能变化可以反映表面粗糙度特性。就镜反射反向来说，表面越粗糙，能量就越小，从而可以根据它的变化测量表面粗糙度的大小。

一束光以α角照射到粗糙表面时，在光线的反射场中形成散射场光强分布，当被测表面轮廓的高度和斜率分布为高斯型分布，且入射光波波长大于表面轮廓的高度均方根值R_q时，反射场光强分布按空间角度为变量成高斯分布，如图1所示。反射场光强（可参考Beckmann,Petr;Spizzichino,Andre,“Thescatteringofelectromagneticwavesfromroughsurfaces”,Norwood,MA,ArtechHouse,Inc.,1987,pp.511.）可表示为：

$I\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1}{{\left({2\mathrm{\π\σ}}^2\right)}^{1/2}}\exp [-\frac{{(\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_0^{\′})}^2}{{2\mathrm{\δ}}^2}]---\left(1\right)$

σ²为光强分布的方差，α为反射场中光线与表面法线的夹角；α'₀为按几何光学定律的光束反射方向，即镜反射方向。

由散射理论可以证明，镜反射方向α'₀上的光强与表面粗糙度R_q有以下关系：

I(α′₀)=Kexp[-(4πR_qcosα′₀/λ)²](2)

其中，K为与入射光强及表面材料反射系数有关的常数；α'₀为镜反射方向与表面方向夹角；λ为光波的波长；R_q为表面粗糙度的均方根值。

本发明采用光纤传感器作为发射光波和收集光波的元件。一般光纤传感器的入射方向为正入射，即镜反射方向α'₀=0。可以由公式（1）和公式（2）得到

I(0)＝Kexp[-(4πR_q/λ)²](3)

由此可以看到，光纤传感器接收到的光强，与表面粗糙度关系成反比，且一一对应。本发明可以通过测量镜反射方向上的光强，计算出表面粗糙度R_q。光纤传感器通过接收光纤接收反射光，反射光进入光电二极管，转换为电信号，因此电压信号V可以反映表面粗糙度R_q。

光纤传感器的种类较多，在侧墙表面粗糙度测量中，本发明希望通过传感器测得电压信号，随传感器和待测侧面的距离d变化不大。否则，测量时距离稍有变化，测量电压值差别很大，不能实现精确测量。反射式光纤传感器结构有随机型，同轴型和准直型。这三种传感器的V-d曲线变化如图2所示，横坐标V表示电压大小，纵坐标d表示待测侧面的距离d，可以看到，只有准直型的V-d曲线变化较缓，工作距离d<d03范围内，输出不随d变化。测试时，只需将传感器和待测侧面距离调整在d03范围内即可。光纤传感器的位置控制由测试平台的调节旋钮提供，这种调节装置类似显微镜平台的旋钮，能在三维空间里调节传感器的位置。

测量装置如图3，由显微镜，光纤传感器，后端处理设备组成。其中，1为光纤信号发生器，1-1为光纤信号接收器，1-2为光敏元件，2为显微镜，3为光纤线路，4为待测硅片侧墙表面，5为硅片长,6为硅片宽,7为硅片高。显微镜2用来观察被测表面，调节传感器探头和被测侧壁之间的距离，FinFET器件线条在20纳米左右，高度也只有几百纳米，只有在高倍显微镜下才能看到线条位置。光纤传感器由光纤信号发生器，光纤信号接收器，光敏元件，放大电路组成。后端处理设备将对收集到的数据进行处理，并输出被测侧墙的表面粗糙度R_q。所述显微镜应为高倍显微镜，放大倍数建议在10000倍以上，才能清晰看到Fin线条位置。所述后端处理设备包括：光电二极管、模数转换器、滤波器、波形显示器、光电二极管、模数转换器、计算机。

如图4所示，本发明的具体方案如下：

1）将待测硅片置于测试台上，在显微镜下寻找硅片上的待测Fin线条，并慢慢调节将光纤传感器的光纤探头置于被测Fin线条侧墙的同一侧，即是指长度方向上的垂面，所述待测硅片的要求必须是干净的硅片，表面没有颗粒沾污，否则会影响测量准确度。

2）在显微镜下调节光纤探头，使之缓缓下降，高度低于待测Fin条顶部，并且保证探头和被测表面的距离在准直光纤临界距离d03内，使得探头和Fin条长度方向垂直。

3）开启设备，打开光纤传感器光源，光由入射光纤垂直照到侧墙表面，再经过散射由接收光纤接收器收集光束，收集到的光束通过光纤传入到光敏元件如，光电二极管上。注意测试时，要关闭显微镜光源，以减小环境光线对测量结果的影响。需要多次测量取平均值获得侧面的粗糙度，测量十次以上获得更多组数据。

3）光敏元件将接收到的光束转化为电压信号。电压信号经过放大电路等处理，传入计算机设备。

4）计算机内已有程序根据传入电压信号来计算被测Fin线条表面粗糙度，会自动计算出所测Fin线条侧墙表面粗糙度的数值。

如图3所示是本发明测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的装置一实施例中测量装置示意图。在本实施例中优选，显微镜用来观察被测表面，调节传感器探头和被测侧壁之间的距离，FinFET器件线条在20纳米左右，高度也只有几百纳米，只有在高倍显微镜下才能看到线条位置。光纤传感器由信号发生器，光纤信号接收器、光纤，光敏元件，放大电路组成。后端处理设备将对收集到的数据进行处理，并输出被测侧墙的表面粗糙度R_q。上述测量光强要求强度大于自然光强，提高测量精度。入射角为0度，即垂直入射，反射光也会垂直出射。原始硅片选用无要求，只要硅片表面干净，不影响侧墙粗糙度测量结果。

Claims (7)

1.一种测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法，其步骤包括：

将光纤探头置于Fin线条侧墙同一侧发射入射光，所述光纤探头与Fin线条长度方向垂直，所述光纤探头和Fin的表面距离在准直光纤临界距离内，所述光纤探头采用准直型光纤传感器的光纤探头；

收集经过散射的光束，将所述光束转化为电信号输出；

根据该电信号测定得到表面粗糙度。

2.如权利要求1所述的测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法，其特征在于，所述电信号计算得到表面粗糙度的方法为：反射场散射光强I转化为电信号后与表面粗糙度R_q按照如下关系转化：其中，K为与入射光强及表面材料反射系数有关的常数，α'₀为镜反射方向与表面方向夹角，λ为光波波长，R_q为表面粗糙度。

3.如权利要求2所述的测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法，其特征在于，当所述Fin线条侧墙表面轮廓的高度和斜率分布为高斯型分布，且入射光波波长大于表面轮廓的粗糙度R_q时，反射场散射光强按空间角度为变量成高斯分布，其中，σ²为光强分布的方差，α为反射场中光线与表面法线的夹角。

4.如权利要求2所述的测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法，其特征在于，收集经过散射的光束时，所述镜反射方向与表面方向夹角α'₀为0。

5.如权利要求1所述的测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法，其特征在于，使用显微镜对光纤探头进行调节，在测量开始时关闭显微镜光源。

6.如权利要求1所述的测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法，其特征在于，采用光敏元件将所述光束转化为电信号输出。

7.一种测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的装置，包括：显微镜、多个光纤传感器以及后端处理设备，其特征在于，

所述显微镜用于调节传感器探头和侧墙表面之间的距离；

所述光纤传感器用于发送光束并接收反射光，所述光纤传感器由光纤、光敏元件和信号放大电路组成；

所述后端处理设备用于对收集到的数据进行处理，并输出被测侧墙的表面粗糙度R_q，所述后端处理设备由计算机设备、输出单元、计算单元组成。