厚度测量方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体的制造工艺领域，特别涉及厚度测量方法及装置。

背景技术

在高度集成化的半导体器件中，氮化钛(Titanium Nitride，TiN)被广泛应用为扩散阻碍层(Diffusion barrier layer)、抗反射层(ARC layer)以及粘着层(Glue layer)材料。例如，在3D存储器件中，氮化钛用作粘着层，位于高电介质层(HK)和金属钨(W)之间，来增加高电介质层和钨之间的粘着力，而氮化钛的厚度通常较小，并且要求具有良好的台阶覆盖率。因此，氮化钛厚度的精准量测尤为重要。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种厚度测量方法及装置，可以清晰地识别出氮化钛层的边界，精准地测量氮化钛层的厚度。

根据本发明的一方面，提供一种厚度测量方法，包括：获取待测样品，所述待测样品包括叠层结构以及贯穿所述叠层结构的沟道柱，所述叠层结构包括交替堆叠的多个层间绝缘层和多个虚拟栅极层，其中，所述虚拟栅极层包括依次形成的高K介质层、氮化钛层和介质层；对所述待测样品进行减薄处理得到待测样本；根据扫描透射电子显微镜的参数采集所述待测样本的扫描透射电子暗场图像；对所述扫描透射电子暗场图像进行测量，得到所述待测样本中所述氮化钛层的厚度。

优选地，获取待测样品包括：提供待测半导体结构，所述待测半导体结构包括第一叠层结构以及贯穿所述第一叠层结构的沟道柱，所述第一叠层结构包括交替堆叠的多个层间绝缘层和多个牺牲层；形成贯穿所述第一叠层结构的栅线缝隙；采用栅线缝隙去除所述第一叠层结构中的所述多个牺牲层以形成与所述栅线缝隙空腔；采用栅线缝隙在所述栅线缝隙和所述空腔中依次填充高K介质层、氮化钛层和介质层从而形成虚拟栅极层；以及对所述虚拟栅极层进行蚀刻，重新形成栅线缝隙，从而将所述虚拟栅极层分割成不同层面的所述多个虚拟栅极层。

优选地，对所述待测样品进行减薄处理得到待测样本包括：在所述待测样品的纵向截面上标记出其中一个虚拟栅极层在纵向方向上相对的两个侧面；采用聚焦离子束，沿着虚拟栅极层相对的两个侧面对所述待测样品进行减薄处理以得到待测样本。

优选地，所述待测样本在所述扫描透射电子显微镜下的质厚衬度大于衍射衬度。

优选地，根据扫描透射电子显微镜的参数采集所述待测样本的扫描透射电子暗场图像包括：通过所述扫描透射电子显微镜的高角暗场像探头收集所述待测样本中的高角散射电子，以形成所述扫描透射电子暗场图像，其中，所述扫描透射电子显微镜的成像模式为高角环形暗场成像。

优选地，所述扫描透射电子显微镜的参数包括电子束流、束斑大小、焦距、曝光时间以及图像分辨率。

优选地，所述电子束流为0.2～0.3微安，束斑大小为3-5。

优选地，焦距为150mm～190mm。

本发明实施例提供的厚度测量方法，将原来的金属层填充替换成介质层填充从而形成虚拟栅极层，使得在后续的扫描透射电子暗场图像上可以清晰地识别出氮化钛层的边界。

进一步地，通过调整扫描透射电子显微镜的优化参数来突出氮化钛层的质厚衬度以及弱化其衍射衬度，从而清晰地识别出氮化钛层的边界。

进一步地，基于采集到的扫描透射电子暗场图像，建立边界识别函数，实现自动量测，提高厚度测量的精准度。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1a示出3D存储器件沿X方向或者沿Y方向的纵向截面示意图；

图1b示出3D存储器件的立体剖面示意图；

图1c示出待测样品的截面示意图；

图1d示出现有技术中待测样品的TEM图像；

图1e示出现有技术中基于待测样品TEM图像的边界识别结果示意图；

图2示出本发明实施例提供的厚度测量方法的流程图；

图3a-图3b分别示出步骤S10过程中半导体结构的阶段示意图；

图3c示出现有技术和本发明实施例的待测样品的TEM和EFTEM图像；

图4a-图4b分别示出步骤S20过程中半导体结构的阶段示意图；

图5a示出本发明实施例的待测样品的STEM图像及量测示意图；

图5b示出基于本发明实施例的待测样品的STEM图像的氮化钛层的边界识别自动量测厚度数据直方分布；

图5c分别示出本发明实施例的自动量测的待测样品中氮化钛层的厚度曲线；

图6a示出本发明实施例的待测样品的TEM图像及量测示意图；

图6b示出基于本发明实施例的待测样品的TEM图像的氮化钛层的边界识别自动量测厚度数据直方分布。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明中描述的“上方”，是指位于基板平面的上方，可以是指材料之间的直接接触，也可以是间隔设置。

在本申请中，术语“半导体结构”指在制造存储器件的各个步骤中形成的整个半导体结构的统称，包括已经形成的所有层或区域。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

现有技术中，基于透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope，TEM)或者能量过滤透射电子显微镜(Energy Filtered Transmission Electron Microscope，EFTEM)图像对氮化钛的厚度进行表征，通过将3D存储器件进行切割从而获取样品来观察氮化钛的厚度。

由于原子层沉积(ALD)生长的氮化钛层本身不连续，呈岛状颗粒，使氮化钛的边界十分粗糙，特别是位于3D存储器件中间和底部的栅极层，因此，氮化钛的边界不容易识别和分辩。另外，3D存储器件的沟道柱的底部侧壁平直度差，也使金属钨的衬度会影响和遮挡氮化钛。高介质层HK的平均原子序数密度接近，使得氮化钛的衬度与其相邻的高电介质层相近，并且受到金属钨的影响，氮化钛的厚度难以精准量测。

图1a示出现有技术中3D存储器件沿X方向或者沿Y方向的纵向截面示意图。如图1a所示，所述3D存储器件包括衬底100、位于衬底100上的叠层结构、贯穿所述叠层结构的沟道柱110以及导电通道130，其中，所述叠层结构包括交替堆叠的多个层间绝缘层121和栅极层122。所述多个沟道柱110的底端经由所述衬底100形成共源极连接，所述导电通道130提供所述共源极连接至源极线的导电路径。

参见图1b，所述沟道柱110包括沿所述沟道孔径向向内依次包括阻挡层111、电荷陷阱层112、隧穿层113和沟道层114。所述阻挡层111的材料可以为氧化硅(SiO

参见图1c，所述栅极层122包括高K介质层122a、氮化钛层122b和导电层122c。高K介质层122a沿平行于所述半导体衬底的方向环绕所述沟道柱110。在实际应用时，高K介质层的材料可以为氧化铝(Al

需要说明的是，形成栅极层122的方法为，先形成高K介质层122a，再形成附着层122b(即氮化钛层)，最后形成导电层122c，所述导电层122c沿平行于衬底的方向设置，所述导电层122c设置在所述高K介质层和所述附着层122b内。由于附着层(TiN)的厚度小，其边界相对粗糙，因而在形成导电层122c后，附着层并不能保持完整且独立的外形，导电层122c的衬度会对附着层122b进行遮挡，因此附着层122b与导电层122c之间的边界难以区分，并且附着层(TiN)和高K介质层平均原子序数密度接近，使其衬度相近，在高K介质层的影响下，附着层122b与高K介质层122a之间的边界难以区分，因此，在对氮化钛层的厚度进行测量时，氮化钛层的厚度测量数据的准确性和重复性会受到影响。

图1d示出现有技术中待测样品的TEM图像。如图1d所示，所述高K介质层122a环绕所述沟道柱110，所述氮化钛层122b包围所述高K介质层122a。这里，图1d中虚线内为沟道柱110。可以看出，附着层122b的边界粗糙，与导电层122c之间的边界难以区分，并且在高K介质层122a的衬度的影响下，附着层122b与高K介质层122a之间的边界也难以区分。进一步地，正是由于附着层122b与导电层122c以及高K介质层122a之间的边界难以区分，导致纯手动测量附着层122b的厚度时，不同的人得到的结果差异明显。

图1e示出现有技术中基于待测样品TEM图像的边界识别结果示意图。在现有技术中待测样品的TEM图像中，沿着圆柱形沟道柱一周氮化钛层122b法线方向进行选区，即从高K介质层指向导电层122c方向。横坐标为选区到起点的距离，纵坐标为该距离上的像素点对应的灰阶值。其图像衬度越亮，灰阶值越大，反之越小。由此可知，现有氮化钛层的衬度与相邻的高K介质层相近，没有明确的边界。边界非常模糊，边界识别非常困难，边界自动识别的出错率很高。

图2示出本发明实施例提供的厚度测量方法的流程图。如图2所示，所述厚度测量方法包括以下步骤。

在步骤S10中，获取待测样品，所述待测样品包括叠层结构以及贯穿所述叠层结构的沟道柱，所述叠层结构包括交替堆叠的多个层间绝缘层和多个虚拟栅极层，其中，所述虚拟栅极层包括依次形成的高K介质层、氮化钛层和介质层。

在本实施例中，所述待测样品中包括目标测量结构，该目标测量结构为氮化钛层。所述待测样品可以包括衬底、位于所述衬底上的叠层结构220以及贯穿所述叠层结构的沟道柱210；所述叠层结构220由层间绝缘层221和虚拟栅极层222交替层叠而成；高K介质层221a、氮化钛层222b和介质层222c构成所述虚拟栅极层222。高K介质层222a沿平行于所述半导体衬底的方向环绕所述沟道柱210。在实际应用时，高K介质层的材料可以为氧化铝(Al

由于实际的栅极层由高K介质层、氮化钛层以及导电层构成，导电层的衬度会对氮化钛层进行遮挡，因此氮化钛层与导电层之间的边界难以区分，并且氮化钛层和高K介质层平均原子序数密度接近，使其衬度相近，在高K介质层的影响下，氮化钛层与高K介质层之间的边界难以区分，因此，在对氮化钛层的厚度进行测量时，氮化钛层的厚度测量数据的准确性和重复性会受到影响。而虚拟栅极层包括高K介质层、氮化钛层以及介质层，介质层与氮化钛层之间的边界容易区分，因此在待测样品中形成虚拟介质层以实现对氮化钛层厚度的准确测量。

需要说明的是，形成虚拟栅极层222的方法为，先形成高K介质层222a，再形成附着层222b(即氮化钛层)，最后形成介质层222c，所述介质层222c沿平行于衬底的方向设置，所述介质层222c设置在所述高K介质层和所述附着层122b内。

这里，所述待测样品可以为芯片(chip)，或者为芯片中包含目标测量结构的部分结构。在一些实施例中，所述测试样品也可以为裸片(die)，或者为裸片中包含目标测量结构的部分结构。

具体地，获取待测样品的步骤包括提供待测半导体结构，所述待测半导体结构包括第一叠层结构以及贯穿所述第一叠层结构的沟道柱，所述第一叠层结构包括交替堆叠的多个层间绝缘层和多个牺牲层；形成贯穿所述第一叠层结构的栅线缝隙；采用栅线缝隙作为蚀刻剂通道，去除所述第一叠层结构中的所述多个牺牲层以形成与所述栅线缝隙空腔(参见图3a)；采用栅线缝隙作为沉积物通道，在所述栅线缝隙和所述空腔中依次填充高K介质层、氮化钛层和介质层从而形成虚拟栅极层(参见图3b)；以及对所述虚拟栅极层进行蚀刻，重新形成栅线缝隙，从而将所述虚拟栅极层分割成不同层面的所述多个虚拟栅极层。

在步骤S20中，对所述待测样品进行减薄处理得到待测样本。

在本实施例中，在所述待测样品的纵向截面上标记出其中一个虚拟栅极层在纵向方向上相对的两个侧面(参见图4a)，例如，其中一个虚拟栅极层的下表面BB’距离参考面AA’的距离为L1，上表面CC’距离参考面AA’的距离为L2；采用聚焦离子束，沿着虚拟栅极层相对的两个侧面对所述待测样品进行减薄处理以得到待测样本(参见图4b)，例如分别沿着BB’和CC’对待测样品进行减薄处理，图4b为待测样本的横向截面。

在步骤S30中，根据扫描透射电子显微镜的参数采集所述待测样本的扫描透射电子暗场图像。

在本实施例中，所述待测样本在所述扫描透射电子显微镜下的质厚衬度大于衍射衬度。

其中，扫描透射电子显微镜采用电子束、物镜光阑并衍射电子作为信号进行成像得到扫描透射电子暗场图像。

具体地，通过所述扫描透射电子显微镜的高角暗场像(High-Angle Annular DarkField，HAADF)探头收集所述待测样本中的高角散射电子，以形成所述扫描透射电子暗场图像，其中，所述扫描透射电子显微镜的成像模式为高角环形暗场成像。

所述扫描透射电子显微镜的参数包括电子束流、束斑大小、焦距、曝光时间以及图像分辨率。可以对扫描透射电子显微镜的参数进行优化，使得得到的扫描透射电子暗场图像中的边界清晰。

一般情况下电子束流在0.1-1微安的范围，束斑大小在1-5的范围，束斑大小可以决定多少电子束可以通过下面的聚光镜光阑。当束斑大小为1时，大部分电子束可以通过光阑，电子束流高，但由于聚光镜球差的作用，最小的聚焦光斑仍很大，电子束发散角度大，束流太大对待测样品也可能有辐照损伤；在束斑大小为5时，小部分电子束通过光阑，电子束流低，聚焦光斑尺寸小，空间相干性比较好，但光斑强度弱。我们可以通过调节束斑以及光阑来实现对电子束流的大小调节。对于本实施例中的待测样品，束斑大小为3-5，电子束流在0.2～0.3微安。

本实施例采用HAADF探头进行成像，HAADF是一种高角环状暗场探测器，可以收集高角散射的电子。高角的优点是可以避免掉氮化钛层复杂的衍射衬度，呈现出它的质厚衬度。为了得到更严格意义上的质厚衬度像，需要调节焦距到一个合适的范围。对氮化钛层来说，焦距在150-190mm这个范围内成像效果最好。

选择合适的曝光时间主要有两方面的考虑，一个是理论上曝光时间长的话图片会清晰，但如果待测样品在机台里不稳定的话，曝光时间长的话拍的图像可能会有变形，而且采集效率也更低，拍一个照片时间更久。因此采集时间是0.2微秒。

图像的分辨率主要是为了保证后续量测的精度。不同的分辨率对应不同的像素大小。由于氮化钛层的厚度只有几个nm，若是分辨率低的话量测的误差会变大。为了保证量测精度，氮化钛层需要在照片中占有足够的像素，因此选择2048*2048的图像分辨率。由于采用的是软件自动识别边界并进行量测，所以对图片的质量要求更高，足够的图形的分辨率才能满足对量测精度的要求。

在步骤S40中，根据所述扫描透射电子暗场图像自动测量所述氮化钛层的厚度。

在本实施例中，对所述扫描透射电子暗场图像进行处理，得到待测样本的边界自动识别结果；根据所述边界自动识别结果获取所述氮化钛层的厚度。

图5a示出本发明实施例的待测样品的STEM图像，图5b示出基于本发明实施例的待测样品的STEM图像的氮化钛层的边界识别自动量测厚度数据直方分布；图5c分别示出本发明实施例的自动量测的待测样品中氮化钛层的厚度曲线。图6a示出本发明实施例的待测样品的TEM图像及量测示意图；图6b示出基于本发明实施例的待测样品的TEM图像的氮化钛层的边界识别自动量测厚度数据直方分布。图5a和图6a相比，STEM图像中氮化钛层的边界比TEM图像中氮化钛层的边界清晰。并且图5b与图6b相比，从TEM图像和STEM图像对应的量测厚度数据直方图可以明显看到，STEM图像量测的厚度数据分布更窄，标准差更小，厚度测量的精准度更高。

本发明实施例提供的厚度测量方法，将原来的金属层填充替换成介质层填充从而形成虚拟栅极层，使得在后续的扫描透射电子暗场图像上可以清晰地识别出氮化钛层的边界。

进一步地，通过调整扫描透射电子显微镜的优化参数来突出氮化钛层的质厚衬度以及弱化其衍射衬度，从而清晰地识别出氮化钛层的边界。

进一步地，通过扫描透镜电子显微镜来实现自动量测，提高厚度测量的精准度。

在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。