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TWI426271B - 使用掃描探針顯微鏡掃描樣本的方法及設備 - Google Patents

使用掃描探針顯微鏡掃描樣本的方法及設備 Download PDF

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TWI426271B
TWI426271B TW096138678A TW96138678A TWI426271B TW I426271 B TWI426271 B TW I426271B TW 096138678 A TW096138678 A TW 096138678A TW 96138678 A TW96138678 A TW 96138678A TW I426271 B TWI426271 B TW I426271B
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Paul L Mininni
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Veeco Instr Inc
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Description

使用掃描探針顯微鏡掃描樣本的方法及設備
本發明係針對使用掃描探針顯微鏡掃描樣本的方法及設備，且更明確地說，針對偵測樣本中之轉變區及再掃描該轉變區的方法及設備。
有數種探針式的儀器用來監視懸臂式探針與樣本間之互動以獲得到關於該樣本之一或多個特性的資訊。隨著產出需求的增加，資料獲取的速率也要求提高，因此使得獲得可靠資料的能力是一挑戰。
諸如原子力顯微鏡(AFM)之類的掃描探針顯微鏡(SPM)，典型上係使用尖銳之尖端來局部測量樣本之一或多項特性的裝置。更明確地說，典型上，掃描探針顯微鏡係藉由監視樣本與相關之探針總成之尖端間的互動來描述這類小尺寸樣本特徵的表面。藉由提供尖端與樣本間的相對掃描移動，即可獲得該樣本之特定區域的表面特徵資料及其它與樣本相關的資料，並可產生該樣本的對應圖。
原子力顯微鏡係掃描探針顯微鏡中極為常見的類型。典型的AFM探針包括一固定在位於基座支架上非常小的懸臂，且在對面的自由端附接有一尖銳的探針尖。該探針尖被帶至非常靠近或進入直接或間歇接觸要被檢查之樣本的表面，並以極為敏感的偏斜偵測器測量該懸臂反應該探針尖與樣本之交互作用的偏斜，通常為光學槓桿系統(諸 如Hansma等人的美國專利No.RE 34,489)，或某些其它的偏斜偵測器，諸如應變計的配置、電容感測器等。在空氣、液體或真空中，藉由使用壓電掃描器、光學槓桿偏斜偵測器、及非常小的懸臂，AFM可獲得到在各種絕緣或導電表面上小至原子等級的解析度。由於它們的解析度及通用性，AFM在很多裝置領域中都是重要的測量裝置，其範圍從半導體製造到生物研究。
較佳是，使用高解析度的3軸掃描器作用在樣本托架及/或探針上，以使該探針掃描過一表面。因此，該儀器能夠產生探針與樣本間的相對移動，同時測量樣本的拓撲或某些其它特性，例如前述Hansma等人的美國專利第5,226,801號；以及Elings等人之美國專利第5,412,980號中的描述。
典型的AFM系統如圖1中所概示。原子力顯微鏡10使用包括具有懸臂15之探針14的探針裝置12，在此例中係耦接至用來驅動探針14以使其以共振或共振附近之頻率來振盪的振盪致動器或驅動器16。通常，AC信號源18在AFM控制器20的控制下供應電子信號，用以致使致動器16驅動探針14振盪，以在自由振盪振幅Ao 下振盪為較佳。典型上，使用適當的致動器或掃描器24，經由控制器20的反饋，以致動探針14移動朝向及離開樣本22。致動器16可耦接至掃描器24及探針14，或可與探針14的懸臂15形成為一體，成為自致動之懸臂/探針的一部分。此外，雖然圖中所示的致動器24耦接至探針14，但致動 器24也可做為XYZ致動器，用來在3個正交的方向移動樣本22，即，諸如行式掃描(raster scanning)中的Z向移動及X-Y向掃描移動。還有其它的排列也都可行。
AFM可加載一或多支探針，且AFM可配備成選擇數個加載之探針的其中之一。典型上，如前所述，當藉由偵測探針14之振盪之一或多項特性的改變來監視樣本時，被選擇的探針14被振盪，並被帶至與樣本22交互作用。關於此，典型上使用偏斜偵測設備17將一光束導引至探針14的背側，接著，該光束被朝向偵測器26反射，諸如四象限光偵測器。當該光束經過偵測器26轉換，適當的信號被傳送給控制器20，其處理該信號以決定探針14之振盪的改變。通常，控制器20產生控制信號以保持該尖端與樣本間的恆力，典型上保持探針14之振盪的設定點特性。例如，控制器20通常被用來將振盪振幅保持在設定點值As ，以確保該尖端與樣本間一般的恆力。或者，例如，也可使用設定點相位或頻率。
一般來說，致動器24為一壓電管(在本文中通常稱為"測壓管")或彎曲裝置，用來產生測量之探針與樣本表面間的相對移動。壓電管係一當以電壓施加於配置在該管之內側與外側的電極時，會在一或多個方向移動的裝置。致動器可耦接至探針、樣本、或兩者。最典型來說，致動器總成係設置成在水平或XY平坦面驅動探針或樣本的XY致動器，以及在垂直或Z方向移動探針或樣本之Z致動器的形式。
AFM可設計成以多種模式操作，包括接觸模式及振盪彎曲模式。在振盪"彎曲模式"的操作中，通常懸臂係關於一固定端點振盪。一種彎曲模式操作係所謂的TappingModeTM AFM操作(TappingModeTM 係本受讓人的商標)。在TappingModeTM AFM中，該尖端以探針之懸臂之共振頻率或其附近之頻率彎曲地振盪。當該尖端與樣本表面間歇或即將接觸時，該振盪的振幅由尖端/表面間的交互作用來決定。典型上，在使用回應尖端-樣本間之交互作用所產生之反饋信號來掃描的期間，此振盪的振幅、相位或頻率保持恆定。接著，這些反饋信號被收集、儲存、並用做為描述該樣本的資料。
隨著測定應用要求較大量的產出，且隨著在需要次微米測量之各種應用中使用SPM的願望持續擴大，使用SPM獲取資料變得須要改進。在半導體工業中，晶圓分析是一關鍵應用。一般來說，晶片製造商希望測量具有關鍵尺寸(CD)的結構(例如線、孔道、溝等)，諸如互連的線、接觸點、溝等的寬度，這些寬度在90奈米或以下。關於此，半導體客戶對於"底部CD"的測定特別有興趣。半導體裝置製造業者通常是製造諸如處理器的邏輯元件，且在製造過程中希望能測量到閘結構、電晶體之基本元件及矽基邏輯元件之底部的寬度。國際半導體技術發展藍圖(International Technology Roadmap for Semiconductors；ITRS)指定半特徵的底部CD，諸如閘極是一非常重要的參數，不準度必須被控制在數奈米之內，此範圍每年遞減 ，或所得到的電晶體將無法按所設計的工作。因此，準確且精密地測量底部CD的能力，可界定對於很多潛在客戶而言AFM是否具有足夠的價值。結果是，有必要增進AFM的CD。
當分析尺寸如此小的結構時，對應的測量需要一致的控制，且必須能夠適應大量生產的環境。關於此，在自動化的AFM領域中已有進展，其藉由使有經驗的使用者在操作期間的工作減至最少，以大幅地增進在某一間時範圍內可成像的樣本數量。實施自動化晶圓測量的儀器各異，但AMF例如藉由提供實施高解析度多維(例如3維)成像的能力而提供了唯一的解決方案。某些儀器，例如Veeco儀器公司所提供的Dimension X自動化AFM，已驗證了200mm至300mm的自動化平台。
按照特別是可應用來成像半導體樣本之振盪模式操作的一類型，例如習知的CD模式，使用一關鍵的靴形尖端來測量經個別批次處理之半導體結構的關鍵尺寸。在CD模式中，在振盪模式中操作的AFM操作參數被修改，以適應與不同裝置特徵相關之拓撲中的形狀轉變，例如包括線、溝、孔道等。須注意，典型上，CD模式提供二維伺服(振盪模式中所使用的標準Z伺服，諸如TappingModeTM AFM，以及適合形狀轉變的X伺服)，基本上保持伺服方向與樣本表面實質地正交。圖2說明例示性的線30具有平坦面至側壁的轉變區A與B。當在標示為"X"的方向掃描時，轉變A顯示上升緣，即，向上延伸 的側壁轉變，而區域B對應於下降緣。通常，特徵在兩個方向被掃描係為追踪/折返(re－trace)掃描的一部分。在這些掃描中，該樣本之轉變的上升與下降性質會相反。須注意，本文所稱的轉變係指示結構的轉變(諸如半導體線之平坦面至側壁的轉變)，與以AFM所測量之其它類型的轉變不同，諸如材料類型的轉變。
圖3A－3E說明探針裝置之尖端40的概示形式。尖端40包括具有足部44、46的靴形末梢端42，該等足部通常與該尖端之主軸"A"正交地延伸。須注意，典型上，尖端(諸如CD尖端40)是從一半導體晶圓以整批的方式製造而成，但只要是適合用來成像這類特徵的任何尖端都可使用。此外，以CD模式操作的AFM在本文中稱為CD－AFM。
再次，圖3A－3E中僅顯示探針裝置的尖端掃描樣本48的平坦面至側壁，並未顯示探針裝置的基座與懸臂。特別是，該CD尖端的形狀(即實質上的"靴形")允許AFM感測該樣本表面的轉變。不過，由於該系統的動力，包括與該掃描器相關的限制，以標準CD模式的AFM通常很難獲得到關於這些轉變區的資訊。亦即，當AFM以高速操作時，即使伺服掃描的頻寬足以回應尖端與轉變壁接觸的命令指示，但在系統下令掃描器停止掃描(如圖中所示的"X"方向)後，該掃描器的慣性導致尖端40被驅動更朝向樣本48的側壁。圖3A－3E凸顯這些限制如何導致關於樣本48在轉變區50處的偏壓或資訊喪失。
一開始請參閱圖3A，具有末梢端42的尖端40被導入樣本48的平坦部52，並沿著掃描線在標註為"X"的方向掃描。在此情況，樣本48包括一半導體線，其定義平坦面至側壁的轉變50，該轉變具有向上延伸的側壁54。當尖端40掃描平坦部52時，CD－AFM可靠地成像該樣本表面。之後，如圖3B所示，當尖端40接觸到側壁時，如末梢端42接觸到側壁54，該CD－AFM將偵測到該探針之振盪的振幅減小(例如，振盪的RMS振幅可能實質地變為零)，在此情況下，其將操作以致使控制器產生一信號傳送給掃描器以令其停止，並上拉該探針以試圖重建振盪的設定點振幅。或者，當然，視某特定的掃描器配置而定，該樣本也可被移動。在此情況，典型上，尖端40將定住，且反饋迴路(圖1中的25)將饋送信號以指示該探針需要被拉離將被成像的特徵，如圖3C所示。雖然到達掃描器的反饋迴路或伺服命令信號指示掃描器停止，但如前所述，該掃描器仍帶動該尖端繼續朝向側壁54，因此，造成平坦面至側壁轉變的追踪不佳。接著，該掃描器試圖將尖端從將被成像的特徵拉回，如圖3C中標註為"W"的箭頭所示。在某點，典型上是沿著側壁54提高10至20奈米，尖端40中斷離開側壁54。
在此CD模式中，尖端相對於樣本表面振盪的控制參數被修改以掃描樣本48的側壁54，如圖3D所示。不過，在按此實施時，由於系統將尖端40相對於側壁54往上拉10－20奈米而不取任何資料，或者，記錄與掃描器(且 因此尖端40)之持續移動相關之被偏壓之資料的事實，致使平坦面至側壁轉變區的資料失真。此遺失或被偏壓的資料是AFM資料中的人工造影，且通常稱之為"凹口"。圖3E說明此凹口現象，其為使用圖3A－3D所說明之習用CD模式所產生的概示影像56。很明顯，圖3E中所示的凹口完全不代表平坦面至側壁的轉變。特別是，此資訊對很多客戶而言極為重要，包括半導體製造業者當其試圖評估諸如一路下到結構底部之線寬粗糙度(LWR)的樣本參數時。
圖4概示當成像具有大轉變之特徵(諸如半導體裝置的線(圖2中的30))時，CD模式操作之更特定的說明。須注意，本文所描述的係驗證移動(prove motion)，但視掃描器的實施而定，樣本及/或尖端可被移動。圖4說明以習用的CD AFM在樣本60上取得的資料，其中的"O"指示尖端與樣本間的接觸，例如，在該處之振盪的RMS振幅變為零。在轉變區62處，掃描器被下令停止，然而掃描器的動量持續驅動該尖端(圖4中未顯示)朝向側壁64。當探針(且特別是尖端)被帶至與側壁64接觸時，該尖端被伺服離開側壁並移到點68，該點可能被記錄為資料點。在標示為70的區域中，尖端與樣本(特別是側壁)分開，且掃描器將探針向上拉，典型上AFM不記錄資料。當產生樣本表面的影像時，最經常的情況是由"O"所產生的資料被用來內插於資料之間，以重建垂直的側壁。此導致通常稱為"凹口"的人工造影。雖然可用此方 式來成像側壁，且可內插該等資料以合理精確地代表側壁64，但對於某些應用而言，仍無法接受標示為"N"之區域中的資料遺失，即，無論被偏壓或完全遺失所造成上述的"凹口"問題。結果是，使用CD演算法的習用AFM操作需要改進，特別是當成像特徵的轉變點時。
為克服此凹口問題，已有數項技術可供使用。第一，當實施AFM測定法時，例如包括CD模式，一直在快速率掃描與精確追踪樣本間迅速地取捨，此取捨受到致動器之結構上的帶寬或閉路帶寬之某種程度上的支配。如前所述，典型上，由於對於輸入之命令的回應並非立即，且無法立刻終止掃描器的動量，因此，凹口問題一直是存留的議題。不過，如果降低掃描速率，可將該凹口效應減至最小。不過，降低掃描速率又會產生其它問題。首先，以較緩慢的速率掃描將造成系統易受枱座漂移的影響，諸如由於熱狀況所引起。其次，緩慢的掃描意味著每小時所能掃描的樣本較少。因此，較快速的AFM不僅由於系統受枱座漂移及會危害所獲得之資料之其它類似狀況之影響較小的事實而能提供更高的準確度與精確度，還包括每小時能成像更多樣本的固有優點。最後，由於很多客戶端的應用係要求相關的測定(包括半導體測定)是以測量一次的錢來衡量，較緩慢的掃描無法為某些客戶所接受，中肯來說，AFM可能不是其它用於測量樣本特徵(諸如半導體結構的關鍵尺寸)之已知工具的另一可行選擇。
使用者可採用某些措施以便能以較緩慢的掃描速率操 作AFM，諸如使用高度精確的枱座及使環境冷卻。不過，總是會有某些與停止掃描器相關的移動，以致再次使凹口幾乎是揮之不去的問題。
除了掃描探針顯微鏡之外，用來測量半導體特徵之關鍵尺寸的其它選擇還有掃描電子顯微鏡(SEM)及穿透電子顯微鏡(TEM或掃描的STEM)。SEM及甚至TEM都是極高精確的儀器。不過，這些技術極度昂貴，因在進行測量前所需的樣本準備工作量，通常使其很難使用。例如，當成像半導體晶圓時，SEM與TEM典型上需要在指定的位置切割晶圓，同時要保留意欲成像的結構。此準備工作通常要花上一至兩天，且因此典型上要減緩半導體的製程來分析一被犧牲的晶圓，用以分析繼續處理該批晶圓的可行性。
在半導體製造環境中例如使用散射測定法來測量樣本特徵的關鍵尺寸，包括線的底部尺寸等。散射測定儀能極快速且在本文中預期可比SPM更快速地成像樣本之類型。儘管如此，雖然散射測定法典型上沒有例如AFM的凹口問題，但也有其本身的一堆限制。散射測定法為間接測量，其使用藉由CD－AFM或CDSEM所取得的資料來建立一資料庫，與該散射測定儀所獲得到的測量比較。因此，諸如CD－AFM、SEM、及TEM等技術有時被視為參考測定系統(RMS)，這些技術為供其它工具所使用的工具，其提供樣本特徵的間接測量。通常，散射測定法的操作係藉由產生一直接朝向目標的信號，並感測該信號與目標交互 作用後有多少信號從目標返回。經由比較該資料與例如由CD－AFM所產生的資料庫，即可產生該目標的圖像。整體來說，散射測定儀的此特徵意味著為了能夠將樣本成像，需要極耗時且費力的校正。因此，以直接成像樣本特徵的方法為較佳。
此外，散射測定儀僅產生平均資料，且因此無法產生例如線寬的真正RMS讀數或標準差。另一方面，CD模式的AFM係一適應掃描，其可以即時偵測與AFM之尖端交互作用的物體。散射測定儀也取決於樣本的特性，這是因為該散射測定儀所產生之源信號與樣本間的交互作用，隨著樣本特性的不同而不同。
簡言之，特別是在半導體製造環境中，測定的工具需要高精密且高速的樣本測量技術，其能夠以高度準確性與可再現性直接測量樣本特性，諸如半導體特徵的關鍵尺寸。
更明確地說，吾人希望CD－AFM具有以高速成像轉變區，諸如線的側壁，且不會導致資料中諸如凹口之人工造影的能力。
較佳實施例藉由提供一掃描樣本的技術而克服了上述的缺點，在該技術中以高度的準確性偵測急劇的改變，並接著立即以修改後的AFM操作參數再掃描，以從所得到的資料中成像不會產生"凹口"的特徵。特別是，當CD尖 端遭遇樣本中的轉變時，諸如線的側壁，所取得的資料被分析，以決定資料中是否發生嚴重的斜率改變。一旦證實，藉由從樣本表面抽回掃描器，以便再掃描具有斜率改變之臨限位準的區域，並接著驅動該尖端回降到樣本表面以再掃描該樣本，以便實質地確保該轉變區的所有細節都被偵測到。之後，使用再掃描的資料修訂該原掃描資料，以正確地描繪該轉變區。
按照較佳實施例的第一態樣，以具有探針之SPM掃描樣本的方法，包括按照至少一個掃描參數掃描一樣本的表面，以獲得到對應於該表面的資料。該方法也包括實質地自動識別該表面中的轉變，並回應所識別的轉變再掃描該樣本的轉變區。
在本實施例的另一態樣中，該方法包括以從該再掃描步驟所獲得到的資料來修改獲得自該掃描步驟之至少部分的資料。該修改步驟包括取代至少部分該資料及加強至少部分該資料至少其中之一，以便實質地消除凹口。
在本實施例的另一態樣中，該轉變對應於該樣本之平坦面至側壁區域，且由一半導體結構所界定。
在本實施例的另一態樣中，該識別步驟在該掃描步驟期間發生。此外，該區域對應於該轉變。
在本實施例的另一態樣中，該識別步驟包括計算該樣本表面之斜率。
按照本實施例的另一態樣，該斜率係在該掃描步驟期間被計算。
按照本實施例的另一態樣，該識別步驟包括決定該斜率的改變。典型上將計算該資料的導數。
在本實施例的另一態樣中，該再掃描步驟包括改變該至少一個掃描參數，並從該樣本的側壁抽回該尖端一所選擇的量，以小於大約10奈米為較佳。
在本較佳實施例的另一態樣中，該再掃描步驟包括改變至少一個掃描參數，包括藉由降低掃描速率以改變掃描步驟的速率。
在本實施例的另一態樣中，該轉變係由一側壁所界定，且該再掃描步驟包括從該側壁抽回該探針小於大約10奈米的量。
按照本實施例的另一態樣，該至少一掃描參數對應於在CD模式中的AFM操作，且是該掃描步驟之速率及至少一掃描方向其中之一。
按照本較佳實施例的另一態樣，以該方法掃描半導體晶圓的5個測量位置，慢速測量應用大約10分鐘，較快速的測量應用為3分鐘。特別是，該較佳實施例能以掃描速度的高速率，當遭遇到不連續時，使用者不需在整體的基礎上降低掃描速率且不損及SPM的能力以精確地追蹤該樣本。
按照較佳實施例的第二態樣，掃描探針顯微鏡(SPM)包括用以提供該SPM之探針與樣本間相對移動的掃描器。該SPM也包括用以產生指示該探針與該樣本間交互作用之控制信號的控制器，以及用以根據該等控制信號識 別該樣本之轉變區的計算裝置。該控制器傳送控制給該掃描器以便再掃描該轉變區。
按照本實施例的另一態樣，藉由使用根據該控制信號所產生之資料所決定的樣本表面斜率來識別該轉變區，並計算該斜率中的改變。
在本實施例的另一態樣中，該計算裝置被用來使用再掃描該轉變區後所產生的再掃描資料，藉由加強或取代該樣本表面資料來修訂該樣本表面資料。
按照本較佳實施例的另一特徵，一種以具有探針之掃描探針顯微鏡掃描一樣本的方法，包括：掃描該樣本的表面以獲得到對應於該表面的資料，該表面包括至少一個轉變。該方法也包括從該轉變獲得到代表該樣本之該表面在一誤差距離範圍中的測量，其中該誤差距離實質上僅受該探針之尖端之該幾何的限制。
按照本實施例的另一態樣，該樣本包括半導體材料，且該轉變係平坦面至側壁的轉變。
按照本實施例的另一態樣，該測量包括複數個測量，包括有底部CD測量、中部CD測量、及頂部CD測量等複數個測量，且其中該等測量在該測量等中具有實質上不變的再現性。該等測量具有在該等測量中實質上不變的再現性。
在本實施例的另一態樣中，該測量具有小於大約1奈米、1 sigma的再現性，且以具有小於大約5埃、1 sigma的再現性更佳。
熟悉此方面技術之人士從以下的詳細描述及附圖，將可明瞭本發明以上及其它的特徵與優點。不過，須瞭解，所提供的詳細描述及特定例雖然表明為本發明的較佳實施例，但僅是經由其說明而非限制。在本發明的範圍內可做到諸多的改變及修改，不會偏離本發明的精神，且本發明包括所有這類修改。
在附圖中說明了本發明的較佳例示性實施例，其中，從頭到尾相同的參考數字代表相同的部分。
較佳實施例係用於高速成像樣本特徵的方法與對應的設備有關，特別是那些具有轉變區特性的特徵，諸如當成像半導體樣本之特徵之平坦面至側壁區時所遭遇到的轉變區。經由偵測平坦面至側壁的轉變，並證實該轉變，接著再掃描該樣本中的該區域，以精確地測量該轉變，包括該區域的整個底面。該方法可結合與在上述CD模式或類似模式中操作原子力顯微鏡相關的控制方法來操作。須注意，經由再掃描該樣本的區域，使該方法的操作不受掃描器之特定動力的影響，當使用標準CD模式成像該樣本時，該動力典型上會導致遺失或偏壓資料，即凹口。
一開始回到圖5A－5D，圖中說明按照本發明之較佳實施例的AFM高速操作，在本文中稱為CD轉變再掃描演算法(CDTRS)操作。須注意，圖5A直接對應於圖3D，該圖顯示在尖端40再接觸樣本側壁之後，在習知的CD模式 中該探針之習用技術的移動，因此造成該側壁10－20奈米之垂直區域的凹口。在該點，如先前的討論，在CD模式中該探針試圖成像該側壁。不過，在此較佳實施例的情況中，從圖5A移動到5B，而非繼續沿該側壁上升，尖端40被從側壁表面54撤回一經選擇的量(在圖5B中標示為"P")，因此允許AFM能夠精確地再掃描該樣本特徵之該轉變區的整個表面。須注意，雖然為了方便而以尖端的掃描器移動來描述，但尖端及/或樣本的移動都可使用，視所選擇的掃描器結構而定。
雖然在這些概示圖中所顯示的平坦面至側壁之間的轉變50都是完美的直角，但在所製造的線中，絕大多數都有些不完美，典型上在底部都變差。因此，在較佳實施例中，探針徹回一距離"P"足以成像整個表面。尖端40撤回以小於20奈米為較佳，大約5至10奈米更佳，但再次說明，撤回的特定量，取決於樣本及使用者的喜好。
如圖5B所示，一旦撤回，尖端40被再引入到樣本48的平坦部52，如圖5C所示，以再掃描轉變區50。此再掃描顯示於圖5D，其說明尖端40掃描平坦部52，並接著接觸側壁54，以收集關於轉變區50的資料。如以下進一步詳細的討論，掃描參數為此再掃描而被最佳化，包括在該快速掃描期間降低掃描速率，特別是在轉變區50的四周，以使所得到之資料被偏壓或遺失的改變減至最小。該轉變區一旦被再掃描，該尖端沿側壁54提升，以便以實質上為了側壁掃描而最佳化的AFM操作參數來成像該 側壁，與標準CD模式的操作類似，且如圖5E中的說明。圖6概述此程序的細節。
圖6說明按照較佳實施例的控制演算法100。較佳是，方法100自動偵測樣本表面資料中的不連續，並控制AFM實質地確保該成像資料精確地描繪該表面。該演算法描述當如圖5A－5E所示從左向右掃描時，掃描例如製造在半導體晶圓上之線之前緣的轉變區；不過，該較佳實施例可應用於掃描所有類型的樣本及樣本特性、半導體或其它方面。在方塊102，AFM控制器將探針之尖端引入樣本表面以開始該樣本的掃描，並提供尖端與樣本之間的相對掃描移動(圖3A)。以高速掃描來最佳化該探針/樣本交互作用的控制為較佳，而在方塊104決定振盪設定點(例如振盪的振幅、相位或頻率)是否被保持。在本上下文中，較佳的高速掃描為SPM以大約100奈米/秒至數百奈米/秒的線性掃描速度或速率進行掃描，例如，每小時可成像10至20片每片具有大約5個測量位置的晶圓。每片樣本測量的數量存在有不同的標準，典型上，每片樣本使用的測量有5個、9個、及21個(定義為AFM掃描)。雖然每小時的樣本數可變，但每小時的測量數基本上可保持固定。例如，在200至300毫米的晶圓上，AFM以每小時大約125個測量通常可獲得到樣本的拓撲影像。
更一般來說，高速掃描可定義成致動器系統沿著樣本表面移動探針，同時保持探針以可接受的誤差在設定點(RMS振幅)振盪的最大速度。換言之，AFM在控制的 RMS振幅之下多麼有效地追踪樣本表面。關於此，線性掃描速率通常視樣本的拓撲特徵的變化而定，例如線的平坦面、側壁、或頂中央部位。
如果設定點振盪被保持，則資料被收集並記錄，且控制回到方塊102繼續掃描樣本。須注意，用來保持探針在設定點振盪的控制信號，提供至少一個樣本特性的指示，藉以提供樣本表面資料，例如拓撲。如果設定點振盪未被保持，則藉由傳送適當的信號給掃描器，以藉由控制器使探針與樣本間的相對橫向移動停止。在方塊106，CD模式使用2維伺服將尖端向上拉離側壁，典型上以大約10－15。的角度，且以11－13°的角度更佳(見圖3C中的"W")。如果經由將尖端向上移動離開側壁仍無法得到設定點的振盪(例如經由評估凹口資料人工造影的大小)，則提供可能已接觸側壁的指示。一旦尖端開始向上掃描側壁(在尖端已脫離側壁之後)，該演算法允許該掃描持續額外的10－20奈米，以確定該掃描已遇到實際的側壁，而非樣本之平坦部上的顆粒。例如，尖端可仍停留在樣本表面，同時控制器/演算法試圖使探針振盪回到設定點的振幅。
最常見的情況是，在方塊108處，在CD模式的AFM能夠決定已接觸到側壁之前，該尖端必須在"Z"的方向向上移動10－20奈米；例如，一旦該尖端中斷離開該樣本側壁。藉由監視局部斜率，該系統可決定是否已遇到側壁，例如，XZ掃描器是否垂直移動探針某一量。此垂直距離可設定成預定的參數，且設計成可由使用者選擇。對於較 佳實施例所考慮的某些應用而言，此距離在大約10至20奈米的範圍。最後，局部斜率操作以決定掃描器的步進方向及伺服方向，以保持探針在設定點振盪，其必然也影響到AFM在該處成像該樣本的速率。
如前文中詳細的討論，當遇到轉變時，掃描控制信號下令掃描停止(即探針及/或樣本在"X"方向的移動，例如見圖2)，但掃描器的慣性導致該尖端在"X"方向繼續移動，以致尖端/樣本的相對移動在"X"方向持續。結果，在本情況中為在樣本表面垂直延伸10－20奈米的期間有可能沒有獲得資料點。不過，另者，資料可能被記錄成尖端繼續移動"進入"樣本，所產生的資料點實際上是在該半導體結構之側壁的"內部"。在尖端接觸側壁之後，當掃描器在掃描方向繼續移動時，以掃描器之位置為函數所記錄的Z位置，產生上述習知的"凹口"現象(圖3E)。最後，資料被遺失或被偏壓，且因此不可靠。
在此點，雖然有10－20奈米之被毀壞的資料，但標準CD模式的AFM開始以最適合掃描側壁的控制參數(例如掃描方向、伺服方向等)來掃描該側壁。CDTRS演算法100操作以克服此限制。
現請再參考圖6，在方塊108，如果演算法100決定沒有發生平坦面至側壁的轉變，則控制回到方塊104，並藉由保持探針在設定點的振盪繼續以高速掃描來將樣本成像。不過，如果偵測到平坦面至側壁的轉變，在方塊110已證實了該轉變，則在方塊112開始該轉變區的再掃描。 較佳實施例自動確認是否已發生平坦面至側壁之轉變的方法如下。較佳是使用所取得之資料點的歷史，例如，演算法100使用計算裝置藉由監視在目前掃描位置之緊接在前的資料點對來監視樣本表面的斜率。或者，系統可橫向抖動尖端並監視尖端被帶至及脫離與樣本側壁接觸所產生的振幅調變，或過濾過去的掃描器位置，如美國專利No.5,283,442中的討論，該文併入本文參考。計算裝置可以是電腦，諸如圖1中AFM 10的電腦/控制器20，不過，該裝置也可以是數位信號產生器(DSP)、微控制器、場可程式閘陣列(FPGA；field programmable gate array)、可程式邏輯裝置，或具有實施上述分析能力的任何其它裝置。
接著，演算法100根據掃描期間所收集之資料的斜率，來決定掃描操作期間所發生的斜率改變。在較佳實施例中，斜率的改變△m 被用來指示平坦面至側壁的轉變。典型上，斜率些微的變動並非指示平坦面至側壁的轉變，然而，例如從零斜率(指示平坦區域)到"1"斜率(指示垂直區域)的轉變將指示已遇到轉變區。此外，例如如果RMS振幅在某一位置短暫地到零，其通常不是如前所述的尖端與樣本交互作用，分析斜率實質地確保僅有真正的平坦面至側壁轉變存在。
斜率的改變，以藉由計算使用掃描期間所收集之資料所計算之斜率資訊的導數而自動地決定為較佳。在此情況，當在傳統CD模式中操作時，在真正平坦面至側壁轉變 處的斜率改變是很劇烈的，如前所述，這是因為當凹口發生時，有效資料點在"Z"方向經常與實質上同一掃描位置或"X"位置間有一段大約10－20奈米的距離(有效資料點係那些未被凹口偏壓的資料點)。或者，可藉由識別資料中的錯誤、識別由太少資料點或資料密度不足所描述的區域、識別表面的不良追蹤等來偵測轉變。
在此點，隨著轉變之原始掃描的完成(例如隨著遺失或被偏壓的資料被收集及凹口的指示)，在方塊112自動開始該轉變的再掃描為較佳。此再掃描典型上係藉由在"X"方向(如圖5B中所示)伺服該探針的位置而將尖端橫向拉離側壁，並在方塊114再接觸該樣本而完成。較佳是，該尖端從側壁抽回大約5－10奈米，以確保在轉變區中可能已喪失的所有資訊都可被再掃描。須注意，CD模式可包括2維伺服操作，其中該尖端位置不僅在Z方向被伺服，也在橫向或X方向中被伺服，因此，以較佳的11°－13°從側壁抽回該尖端，並再接觸該表面。在方塊114，樣本被再接觸之後，在方塊116實施轉變區的再掃描。為實施此，控制參數為掃描側壁被最佳化。例如，在橫向(X)以較低的速率實施掃描，以設法確保轉變區中喪失的資訊儘量少。掃描與伺服的方向也可修改。藉由將伺服方向最佳化，在伺服部分及掃描部分期間之掃描器的移動也為了向上掃描側壁而最佳化。為此，減緩在橫(X)方向的掃描速率，但允許從該側壁掃描的一開始就捕捉未被偏壓的側壁資料。關於此，伺服方向典型上垂直於樣本表面， 而掃描方向典型上平行於樣本表面。當掃描平坦區域時，隨著尖端橫越過樣本表面，伺服方向主要是在Z方向。另一方面，當側壁被掃描時，藉由在X方向移動該振盪的探針而使尖端的位置被橫向地伺服，以試圖保持尖端－樣本的交互作用以維持設定點的振盪。在方塊118中，典型上，演算法100藉由偵測探針的自由振盪以決定該側壁掃描是否完成。若否，則該系統繼續使用在方塊116所設定的最佳側壁掃描控制參數來掃描側壁。另一方面，如果該側壁已完成掃描，則控制回到方塊102以繼續快速掃描該樣本表面。
在AFM操作期間亦或一旦該樣本已被掃描，使用再掃描的資料來修訂所收集的資料，以實質地去掉該資料的任何凹口。特別是，以再掃描的資料來加強或以再掃描的資料來取代原始的掃描資料為較佳。圖6A說明此項操作120。可做為演算法100之一部分的演算法包括在方塊122實施CDTRS(演算法100的方塊102至118)，以產生原始資料及再掃描資料(如果有)。接著，在方塊124，該原始資料被修訂，因此實質地去除例如由於凹口所造成的任何不準確。
現參考圖7及8概要說明在標準CD模式AFM與較佳實施例之側壁掃描演算法100(即CDTRS)期間所收集之資料間的差異。一開始參考圖7，一連串的圓圈158指示掃描器實際的XZ移動，而開始掃描平坦面至側壁轉變時以對應的尖端/樣本交互作用產生收集的資料點。當在箭 頭"X"所標示的方向從左向右掃描時，對應於樣本150表面之平坦部154的資料點有效地追蹤該樣本表面以將樣本的該部分成像。之後，尖端(未顯示)在大約樣本150的轉變區156處(樣本的側壁154，例如半導體的特徵，諸如線)接觸到側壁154，且可能貼在該側壁，例如，振盪的RMS振幅實質地變為零，且無論如何遠小於振盪的設定點振幅。在轉變區156之處及之後，當AFM的控制器試圖重建振盪的設定點振幅時，該控制器抬升該探針並向後，如箭頭標示的"L"所示。再次，典型上，此尖端的移動離垂直大約13°，在此情況係由側壁152來定義。在控制器向上及向後拉回尖端以試圖使尖端脫離側壁之時，掃描器繼續在標示為"X"的方向移動，並取得如區域162中所示的資料。當使用標準CD模式時，此為導致凹口的資料，致產生不正確的側壁152影像。在大約點164處，尖端使其本身脫離側壁，且CD模式演算法修改樣本150之側壁掃描的控制參數，如前文中的討論。之後，以適合的伺服實施側壁掃描，以得到如區域166處所示的資料點。
最後，很多SPM測定工具的使用者發現無法接受在該轉變處被偏壓的資料。另一方面，在圖8中，凹口的問題基本上被消除。在此情況，與上述圖7有關的資料被收集，不過，在所收集的資料中，在大約點164處，演算法100藉由計算斜率的改變以確認平坦面至側壁的轉變，並決定已遇到側壁，如前所述。回應此，控制器傳送適當的控制信號給掃描器，以再掃描轉變區156，如以一連串X 所說明的資料點所示。更明確地說，尖端在R1 方向(稍微向上及向後)被從側壁抽回，再次如前所述之在X方向的大約5-20奈米，並接著朝向樣本向下移動尖端一段R2 而再次引入到樣本表面。之後，在標示為R3 的方向開始再掃描，其中該控制參數已最佳化成掃描側壁，包括轉變區的底部。接著，該演算法繼續操作，隨著尖端在方向R4 沿著側壁向上前進以收集資料。按此方式，演算法100操作以精確地成像整個側壁，包括始於樣本150之平坦部154的轉變區，以使凹口的影響減至最小，即使當以高帶寬成像時，例如高速的SPM掃描。
圖9及10分別概述在CD模式中及使用上述較佳演算法所取得的資料。在圖9中，曲線圖200很明顯地顯示，在AFM掃描的追蹤部分202期間(從左向右移動，且遇到垂直的側壁)，在區域206發生凹口現象。當尖端脫離半導體之線的邊緣時，使用CD模式的回掃曲線圖204致使一類似的人工造影。須注意，事實上，此可致使所取得之線的資料描畫出類似於追蹤描繪圖基部上之"凹口"的較大頂部。更明確地說，如果掃描會致使尖端"脫離線"，即可使用一演算法來偵測此事件，並將探針/尖端帶回側壁。通常，在該線的頂部會有數十奈米的資料遺失。經修改的CDTRS例如可使用斜率資料來消除此"頂部"資料的遺失。現轉向圖10，很明顯看出，當使用較佳實施例的CDTRS演算法時，曲線圖210的追蹤212與回掃214影像，很精確地追蹤樣本從半導體線的平坦面至側壁段的轉變 區。最後，即使是在轉變區，例如包括線的底部，較佳實施例都能夠準確且精密地成像半導體特徵的關鍵尺寸(CD)。結果是，諸如半導體製造業者之類的客戶，都能以高速成像晶圓及其它樣本，同時獲得到關於具有高度興趣之樣本特徵的高可靠度資料，諸如底部關鍵尺寸及線寬粗糙度(LWR)等。
當使用CDTRS時，基本上由於凹口已被去除，因此，對於精密成像諸如線之底部CD的小尺寸特徵，基本上唯一的物理限制只剩下尖端的幾何。關於此，亦如前所述，用來成像CD特徵之尖端的一常見型式為靴形尖端。尖端的此"靴"形不但會，且最為經常反映在所得到的AFM資料中，主要是由於AFM資料是在小於該尖端之尺寸的尺度上所獲得到的事實。以CDTRS，該測量的精密度基本上僅只受此幾何限制。
換言之，如果不是因為尖端的幾何，CDTRS可實現一大約為零的誤差距離"d"(如圖4所概示)，此"d"的定義為實際的底部轉變點(圖4之平坦面至側壁的轉變點)與對應於該轉變之最接近之AFM資料點(圖4中的63)間的距離。如熟悉此方面技術之人士所瞭解，由於在以習用技術所取得的資料中反映了與尖端幾何無關之凹口及/或其它類似人工造影的事實，因此，CDTRS與習知的技術完全不同。
此外，使用較佳實施例之技術所獲得到的測量極具再現性。特別是，使用本CDTRS再掃描技術的底部CD具有 小於1奈米、1 sigma的可再現性，且更佳是小於5埃、1 sigma的可再現性，此符合ITRS的指令。此外，本技術之有價值的態樣為此再現性並不隨樣本測量之種類的不同而實質地改變，例如，半導體線的底部CD、中部CD、及頂部CD(見圖2的底部CD 32、中部CD 34、及頂部CD 36)。再次，此主要是由於當使用本較佳實施例時，能使諸如凹口等的人工造影減至最小。
雖然以上揭示了實施本發明之發明人等所思量出的最佳模式，但本發明的實行並不限於此。本發明的特徵顯然可做各種的附加，修改與重新配置，不會偏離本發明之基本概念的精神與範圍。
10‧‧‧原子力顯微鏡
12‧‧‧探針裝置
14‧‧‧探針
15‧‧‧懸臂
16‧‧‧振盪致動器
18‧‧‧AC信號源
20‧‧‧AFM控制器
24‧‧‧掃描器
26‧‧‧光學偵測器
17‧‧‧偏斜偵測設備
40‧‧‧尖端
42‧‧‧靴形末梢端
44‧‧‧足部
46‧‧‧足部
48‧‧‧樣本
50‧‧‧平坦面至側壁轉變
52‧‧‧平坦部
54‧‧‧側壁
25‧‧‧反饋迴路
60‧‧‧樣本
62‧‧‧轉變區
64‧‧‧側壁
150‧‧‧樣本
154‧‧‧平坦部
156‧‧‧轉變區
圖1為習知AFM的方塊圖，諸如CD－AFM；圖2為形成在半導體晶圓上之線的正面立視概圖；圖3A－3E為CD尖端接觸樣本表面並掃描該樣本表面的正面立視概圖，包括由側壁所界定的轉變區，圖3E說明以此習用方法所產生的資料；圖4為在CD模式中成像樣本表面的概要說明，顯示產生在側壁上之資料的凹口，其適如其分地標示為"習知技術"；圖5A－5E為按照本發明之較佳實施例之尖端移動的側面立視概圖，包括當偵測到轉變區時的再掃描；圖6－6A係說明用於如圖5A－5E中所示掃描即將成像 之樣本之轉變區的演算法；圖7係按照標準CD模式測定法所得到之"凹口"的側面立視概圖；圖8係使用較佳實施例之演算法所獲得到的資料覆於藉由AFM在標準CD模式中操作所取得之資料的概要說明；圖9係使用習知CD模式追踪及回掃時所取得樣本之轉變區之資料的標繪圖plot；以及圖10係使用本發明之較佳實施例追踪及回掃時所取得樣本之轉變區之資料的標繪圖。

Claims (19)

  1. 一種以具有探針之掃描探針顯微鏡(SPM)掃描樣本的方法，該方法包含：掃描該樣本表面以獲得對應於該表面的資料，該掃描步驟以至少一掃描參數來描述；在該掃描步驟期間沿著掃描線實質地自動識別該表面中的轉變；根據該識別的轉變停止沿著該掃描線的該掃描步驟；在繼續沿著該掃描線的該掃描步驟之前，沿著與該識別的轉變相關聯的該掃描線再掃描該樣本的一區域以便成像該樣本表面；以及進一步包含以從該再掃描步驟獲得的資料來修改從該掃描步驟獲得的該資料的至少一部分。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該修改步驟包括取代該資料及加強該資料至少其中之一，以便實質地消除凹口。
  3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該至少一部分對應於該識別的轉變的位置。
  4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該識別步驟在該掃描步驟期間發生。
  5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該識別步驟 包括使用該資料計算該樣本表面之斜率的步驟。
  6. 如申請專利範圍第5項的方法，其中該斜率係在該掃描步驟期間被計算。
  7. 如申請專利範圍第5項的方法，其中該識別步驟包括決定該斜率的改變。
  8. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該轉變係由一側壁所界定，且該再掃描步驟包括從該側壁抽回該探針一所選擇的量。
  9. 如申請專利範圍第8項的方法，其中該所選擇的量小於大約10奈米。
  10. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該至少一掃描參數係該掃描步驟之速率及該掃描步驟之方向至少其中之一。
  11. 一種以具有探針之掃描探針顯微鏡(SPM)掃描樣本的方法，該方法包含：掃描該樣本表面以獲得對應於該表面的資料，該掃描步驟以至少一掃描參數來描述；在該掃描步驟期間沿著掃描線實質地自動識別該表面中的轉變；根據該識別的轉變停止沿著該掃描線的該掃描步驟；在繼續沿著該掃描線的該掃描步驟之前，沿著與該識別的轉變相關聯的該掃描線再掃描該樣本的一區域，以便成像該樣本表面，其中該轉變對應於平坦面至側壁的轉變。
  12. 如申請專利範圍第11項的方法，其中該平坦面至側壁區域係由一半導體結構所界定。
  13. 如申請專利範圍第11項的方法，其中該至少一掃描參數對應於在CD模式中的AFM操作。
  14. 如申請專利範圍第11項的方法，其中該方法以至少大約100nm/sec的SPM掃描速度掃描一半導體。
  15. 一種以具有探針之掃描探針顯微鏡(SPM)掃描樣本的方法，該方法包含：掃描該樣本的表面以獲得對應於該表面的資料，該掃描步驟以至少一掃描參數來描述；在該掃描步驟期間沿著掃描線實質地自動識別該表面中的轉變；根據該所識別的轉變停止沿著該掃描線的該掃描步驟；在繼續沿著該掃描線的該掃描步驟之前，沿著與該所識別的轉變相關聯的該掃描線再掃描該樣本的一區域以便成像該樣本表面，其中該再掃描步驟包括改變該至少一掃描參數，其中該至少一掃描參數包括掃描速率，且該改變步驟包括降低該掃描速率。
  16. 一種掃描探針顯微鏡(SPM)，包含：一掃描器，用以提供該SPM之探針與樣本間的相對移動，其中該探針在轉變處沿著掃描線與該樣本交互作用； 其中該SPM識別該轉變並回應以致使該掃描器再掃描該轉變以便在繼續沿著該掃描線掃描該樣本之前成像該樣本表面；以及進一步包含一控制器及一計算裝置，其中該控制器產生指示該探針與該樣本間交互作用的控制信號，以及其該計算裝置藉由決定根據該等控制信號所產生的樣本表面資料之斜率來識別該轉變。
  17. 如申請專利範圍第16項的掃描探針顯微鏡，其中該計算裝置藉由計算該斜率的改變以識別該轉變。
  18. 如申請專利範圍第16項的掃描探針顯微鏡，其中該計算裝置使用再掃描該轉變時所產生的再掃描資料來修改該樣本表面資料。
  19. 如申請專利範圍第18項的掃描探針顯微鏡，其中該計算裝置加強或取代該樣本表面資料。
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