基于扫描电子显微镜的三维关键尺寸测量方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于扫描电子显微镜的三维关键尺寸测量方法。

背景技术：

随着对集成度和存储容量需求的不断发展，三维存储器应运而生。三维存储器是一种基于平面存储器的新型产品，其主要特色是将平面结构转换为立体结构，来大大节省晶片面积。在三维存储器的研发过程中，为确保研发效率及产品良率，对其高深宽比三维关键尺寸的在线快速测量至关重要。目前，通常采用原子力显微镜(atomicforcemicroscope，afm)、光学关键尺寸(opticalcriticaldimension，ocd)、透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscope,tem)等方法进行高深宽比三维关键尺寸的测量；然而，其中的原子力显微镜测量方法，其测量速度慢，因而不适合半导体工艺的在线快速测量；其中的光学关键尺寸测量方法，其建模时间长，需耗用较多的时间成本；其中的透射电子显微镜测量方法，其为破坏性测量，无法实现在线测量。现有的关键尺寸的测量方法还有一种，即扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope，sem)测量方法，其可实现快速的在线测量，但是目前却仅限于平面特征的测量，无法获得沟道深度或者凸台等的高度信息。可见，寻求一种快速有效的高深宽比三维关键尺寸的测量方法，以适应三维存储器的快速发展是有必要的；或者说，基于扫描电子显微镜能够实现平面特征的快速在线测量，那么如何将其应用到高深宽比三维关键尺寸的测量亦是有必要的。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明提供一种基于扫描电子显微镜的三维关键尺寸测量方法，包括：

将电子束沿竖直方向倾斜第一角度入射沟道，通过扫描电子显微镜拍摄沟道图片得到第一图片，分析所述第一图片得到所述第一角度的正切表达式；

将电子束沿竖直方向倾斜第二角度入射沟道，所述第二角度与所述第一角度不等，通过扫描电子显微镜拍摄沟道图片得到第二图片，分析所述第二图片得到所述第二角度的正切表达式；

根据所述第一角度的正切表达式和所述第二角度的正切表达式计算所述沟道的三维关键尺寸。

可选地，所述第一角度和所述第二角度均大于0度小于10度。

可选地，所述沟道的三维关键尺寸为预测量的沟道深度；

所述分析所述第一图片得到所述第一角度的正切表达式，具体为：测量所述第一图片中电子束倾斜投影的侧壁宽度，根据测量的侧壁宽度及预测量的沟道深度对第一角度的正切进行表示得到第一角度的正切表达式；

所述分析所述第二图片得到所述第二角度的正切表达式，具体为：测量所述第二图片中电子束倾斜投影的侧壁宽度，根据测量的侧壁宽度及预测量的沟道深度对第二角度的正切进行表示得到第二角度的正切表达式。

可选地，所述第一角度为α，测量所述第一图片中电子束倾斜投影的侧壁宽度为l1；所述第二角度为θ，测量所述第二图片中电子束倾斜投影的侧壁宽度为l2；所述第一角度α与所述第二角度为θ之间的角度差为γ，所述预测量的沟道深度表示为h；

所述第一角度的正切表达式为：tanα＝l1/h；

所述第二角度的正切表达式为：tanθ＝l2/h。

根据所述第一角度的正切表达式和所述第二角度的正切表达式，推导出预测量的沟道深度h＝l1l2tanγ/(l2-l1tanγ)。

可选地，当电子束从沟道一侧的顶部入射，射入沟道另一侧的底部时，电子束的倾斜角为临界倾斜角，对应的沟道的深宽比为最大深宽比。

可选地，所述方法还应用于刻蚀高深宽比的深孔、深槽以及凸台的三维关键尺寸测量。

本发明的优点在于：

本发明中，基于扫描电子显微镜，并结合成像原理和三角函数能够快速有效的计算出高深宽比的三维关键尺寸，实现了快速的在线无损测量，其不仅能够节约时间和成本，缩短研发周期，而且能够满足大规模的生产要求。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1为本发明提供的一种基于扫描电子显微镜的三维关键尺寸测量方法流程图；

附图2为电子束倾斜第一角度入射时扫描电子显微镜拍摄的沟道图片；

附图3为电子束倾斜第一角度时的入射示意图；

附图4为电子束倾斜第一角度时的入射等效图；

附图5为电子束倾斜第一角度入射时l1、h、α之间的放大图；

附图6为电子束倾斜第二角度入射时扫描电子显微镜拍摄的沟道图片；

附图7为电子束倾斜第二角度时的入射示意图；

附图8为电子束倾斜第二角度时的入射等效图；

附图9为电子束倾斜第二角度入射时l2、h、θ之间的放大图；

附图10为电子束以临界倾斜角入射时的示意图；

附图11为电子束未倾斜入射时扫描电子显微镜拍摄的沟道图片；

附图12为电子束未倾斜入射时的示意图；

附图13为电子束未倾斜入射时的等效图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

根据本发明的实施方式，提供一种基于扫描电子显微镜的三维关键尺寸测量方法，如图1所示，包括：

将电子束沿竖直方向倾斜第一角度入射沟道，通过扫描电子显微镜拍摄沟道图片得到第一图片，分析第一图片得到第一角度的正切表达式；

将电子束沿竖直方向倾斜第二角度入射沟道，第二角度与第一角度不等，通过扫描电子显微镜拍摄沟道图片得到第二图片，分析第二图片得到第二角度的正切表达式；

根据第一角度的正切表达式和第二角度的正切表达式计算沟道的三维关键尺寸。

根据本发明的实施方式，第一角度和第二角度均大于0度小于10度。

根据本发明的实施方式，沟道的三维关键尺寸为预测量的沟道深度；

对应地，分析述第一图片得到第一角度的正切表达式，具体为：测量第一图片中电子束倾斜投影的侧壁宽度，根据测量的侧壁宽度及预测量的沟道深度对第一角度的正切进行表示得到第一角度的正切表达式；

对应地，分析第二图片得到第二角度的正切表达式，具体为：测量第二图片中电子束倾斜投影的侧壁宽度，根据测量的侧壁宽度及预测量的沟道深度对第二角度的正切进行表示得到第二角度的正切表达式。

需要指出地，由于实际情况下沟道并不是完全竖直，而是存在一定倾斜角，本发明中，为使设计具有普遍性，定义电子束沿竖直方向倾斜的角度即为沟道侧壁与电子束入射方向间的夹角。并且第一角度可以大于第二角度，也可以小于第二角度；第一角度对应的电子束的倾斜方向与第二角度对应的电子束的倾斜方向可以相同，也可以不同。本发明中，为便于描述，以第一角度小于第二角度，且两次电子束的倾斜方向相同，均为向右倾斜为例进行说明。

具体地，如图2至图5所示，当电子束沿竖直方向向右倾斜第一角度α入射沟道时，由于沟道左侧底部被沟道左侧顶部所阻挡，因而无法收集到沟道左侧底部的信息；因此，在图2所示的使用扫描电子显微镜拍摄的图片中，左侧的第一条亮线为沟道左侧顶部的信息，第二条亮线为沟道右侧底部的信息，第三条亮线为沟道右侧顶部的信息；此时，第二条亮线与第三条亮线之间的距离l1即为电子束倾斜投影的侧壁宽度，可在图片中测量而得；将预测量的沟道深度表示为h，则有第一角度的正切表达式：tanα＝l1/h。

如图6至图9所示，当电子束沿竖直方向向右倾斜第二角度θ入射沟道时，同样由于沟道左侧底部被沟道左侧顶部所阻挡，因而无法收集到沟道左侧底部的信息；因此，在图6所示的使用扫描电子显微镜拍摄的图片中，左侧的第一条亮线为沟道左侧顶部的信息，第二条亮线为沟道右侧底部的信息，第三条亮线为沟道右侧顶部的信息；此时，第二条亮线与第三条亮线之间的距离l2即为电子束倾斜投影的侧壁宽度，其可在图片中测量而得；由于第二角度θ大于第一角度α，因而l2明显的比l1要宽；将预测量的沟道深度表示为h，则有第二角度的正切表达式：tanα＝l1/h。

进一步地，在本实施例中，将第二角度与第一角度之间的角度差表示为γ，对应地，根据第一角度的正切表达式和第二角度的正切表达式计算沟道的三维关键尺寸，具体为：根据第一角度的正切表达式和第二角度的正切表达式，推导出预测量的沟道深度h＝l1l2tanγ/(l2-l1tanγ)。

更进一步地，在本实施例中，当电子束从沟道一侧的顶部入射，射入沟道另一侧的底部时，电子束的倾斜角为临界倾斜角，对应的沟道的深宽比为最大深宽比。

具体地，本发明中以电子束从沟道的左侧顶部入射，射入沟道的右侧底部为例进行说明，如图10所示，此时沟道底部图形不会产生，因而无法区分出侧壁分界，此时电子束的倾斜角为临界倾斜角β，电子束倾斜投影的侧壁宽度为l，沟道的深度为h，对应的沟道的深宽比为最大深宽比；此时，临界倾斜角β的正切表达式为：tanβ＝l/h，则沟道的最大深宽比h/l＝1/tanβ。

更加具体地，本发明中，由于受到机台的限制，当临界倾斜角β为10度，机台的工作状态较为稳定，对应的沟道的最大深宽比h/l＝1/tan10＝5.73。在某些实施方式中，临界倾斜角β还可以为14度，此时机台的工作状态不是很稳定。需要指出地，对于深宽比更大的结构，对应的临界倾斜角会越小。

本发明中，如图11至图13所示，在电子束未倾斜射入沟道时，由于电子束近似与侧壁方向平行，边界处的二次电子受到周围的影响较小，因而在侧壁边界处收集到的电子比其他区域要多，从而产生白色的边界，而其他区域相对较暗。从图中可以看出，在电子束未倾斜射入的情况下，由于电子束近似与侧壁方向平行，而看不见侧壁的轮廓，只能看见白色的边界；只有当电子束倾斜一定的角度后，侧壁才会投影出一定宽度；本发明中根据此不同，通过使电子束倾斜两次得到对应的两个宽度值，并结合前后两次倾斜的角度差，计算出沟道的三维关键尺寸，即深度。

根据本发明的实施方式，本发明中的三维关键尺寸测量方法不限于测量沟道的三维关键尺寸，还可扩展到刻蚀高深宽比的深孔、深槽以及凸台等中的三维关键尺寸测量。

本发明中，基于扫描电子显微镜，并结合成像原理和三角函数能够快速有效的计算出高深宽比的三维关键尺寸，实现了快速的在线无损测量，其不仅能够节约时间和成本，缩短研发周期，而且能够满足大规模的生产要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。