CN111785650B - 微型探测器及缺陷量测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是提供一种微型探测器及缺陷量测方法，微型探测器包含一基板、一鳍状结构、一浮动栅极、一感测栅极、一读取栅极以及一天线层。鳍状结构位于基板上。浮动栅极位于基板上，浮动栅极与鳍状结构彼此垂直交叉。感测栅极位于鳍状结构的一侧。读取栅极形成于鳍状结构的另一侧。天线层连接感测栅极，其位于感测栅极上方。天线层接触一外部能量源后产生一引致电荷，透过一耦合效应将引致电荷储存于浮动栅极内。借此，可透过计算引致电荷推估晶圆制程中的缺陷分布。

Description

微型探测器及缺陷量测方法
技术领域
本发明是关于一种微型探测器及应用此微型探测器的缺陷量测方法；更特别言之，透过量测此微型探测器的电性特性，得以即时检测一半导体器件于晶圆制造过程中所产生的缺陷者。
背景技术
现代电子器件已逐渐朝向尺寸紧凑、高功效方面发展。多半电子器件是由半导体构成，于半导体制造过程中，微影(Photolithography)技术为决定关键尺寸(CD，CriticalDimension)的重要步骤。目前使用的ArF浸润式准分子激光微影技术，不易达到20nm以下的精密尺寸。因此，随着制程微缩，极紫外线(EUV，Extreme Ultraviolet)微影技术已成为目前重要的发展趋势之一。
EUV光源主要由高温、高密度的电浆中激发取得。电浆产生的高能光线经聚光镜聚光，穿过中间焦点(IF,Intermediate Focus)，经照明光学系统整形后，照亮反射型光罩(Reflective mask)，光罩反射后的EUV光线，经投影光学系统成像于光阻，并形成所需图样(Pattern)。
目前已有多家晶圆制造厂投入了大量的研究资源于EUV微影系统上。然而，在EUV微影系统中，仍存在有例如缺乏光源能、光阻抗涂布均匀度以及侦测系统等问题。其中，EUV微影技术遭受闪焰效应(Flare Effect)、散射光(Scattered light)效果的影响，加上其光学原理基本上是经由多个反射投影光学系统的反光镜，导致关键尺寸的失真和均匀性的损失问题更为严重。
EUV的闪焰效应主要是不希望产生的散射光与表面粗糙所造成，影响图样制程后所呈现的关键尺寸(Critical Dimension)。因此，许多利用光学观测的方法已被发展。
一种侦测EUV的绕射(Diffraction)与闪焰效应的方法，是设置一相干EUV散射测量显微镜(CSM，Coherent EUV Scattering Microscopy)系统，此系统中的EUV感光耦合元件侦测器(CCD Detector，Charge-Coupled Device Detector)可以侦测并成像EUV光罩的绕射图案。通过观察绕射图像的缺陷信号(Defect Signal)可反应EUV绕射与闪焰效应的程度。
另一种方法，是设计一光罩(Layout mask)，用以定义连接点(Contact)与金属线(Metal line)之间的垂直位移与水平位移位置。当图样(Pattern)完成后，透过扫瞄式电子显微镜(CD-SEM，Critical Dimension Scanning Electron Microscope)计量学量测图样的位移程度。通过观察图样的位移量可反应EUV的闪焰效应。
然而，上述方法所需的设备，往往过于复杂，且基于其原理，无法即时并准确地得到缺陷量测结果。
发明内容
本发明揭示一种微型探测器及缺陷量测方法，其是可透过量测电性特性，计算因外部能量源所引致的引致电荷分布，进而可回推因外部能量源所导致的缺陷。
依据本发明一实施方式，提供一种微型探测器，其包含一基板、一鳍状结构、一浮动栅极、一感测栅极、一读取栅极、一天线层以及一连接点。鳍状结构位于基板上。浮动栅极位于基板上，且浮动栅极与鳍状结构彼此垂直交叉。感测栅极位于鳍状结构的一侧。读取栅极位于鳍状结构的另一侧。天线层连接感测栅极，其位于感测栅极上方。天线层透过连接点连接感测栅极，感测栅极的电压透过连接点与浮动栅极耦合。感测栅极与读取栅极形成一耦合结构，鳍状结构区隔耦合结构形成一电荷收集区以及一信号读取区，感测栅极于该电荷收集区内，读取栅极于该信号读取区内。天线层接触一外部能量源后产生一引致电荷，透过一耦合效应将引致电荷储存于浮动栅极内。
依据上述实施方式的微型探测器中，还包含一浅沟槽隔离层。浅沟槽隔离层位于基板上，且鳍状结构穿设于浅沟槽隔离层。
依据上述实施方式的微型探测器中，连接点可呈平板状、多颗柱状或点状。
依据上述实施方式的微型探测器中，天线层可呈平板状、栅状或指叉状。
依据上述实施方式的微型探测器中，天线层的材质可为一金属。
依据上述实施方式的微型探测器中，天线层的材质可为一受光反应材质。
依据上述实施方式的微型探测器中，天线层的厚度可为
Figure GDA0004208878860000021
依据本发明另一实施方式，提供一种缺陷量测方法，其是应用于至少一如上述实施方式的微型探测器。缺陷量测方法包含：将耦合结构区隔成电荷收集区以及信号读取区；形成感测栅极于电荷收集区内；形成读取栅极于信号读取区内；以外部能量源接触耦合结构产生引致电荷；透过耦合结构产生耦合效应，将引致电荷储存于浮动栅极内；对微型探测器进行一电性量测，取得微型探测器的一截止电压；将截止电压与一标准截止电压进行比对，取得一截止电压偏移值；利用截止电压偏移值计算对应引致电荷的一电荷值。
依据上述实施方式的缺陷量测方法中，外部能量源可为一电磁波、一电子束、一电浆或一离子束。
依据上述实施方式的缺陷量测方法中，电磁波可包含一紫外光、一可见光或一红外线光。
依据上述实施方式的缺陷量测方法中，微型探测器可包含一平面型晶体管结构或一鳍式晶体管结构。
依据上述实施方式的缺陷量测方法中，引致电荷的电荷值QFG可表示为：QFG＝CT×ΔVT×CRREAD，其中CT为浮动栅极的总电容、ΔVT为截止电压偏移值、CRREAD为读取栅极的耦合比例。
依据上述实施方式的缺陷量测方法中，其中当缺陷量测方法应用于多个微型探测器时，这些微型探测器排列形成一微型探测器阵列。
依据上述实施方式的缺陷量测方法中，其中当缺陷量测方法应用于多个微型探测器时，这些微型探测器可构成一NAND记忆体晶片架构或一NOR记忆体晶片架构。
依据上述实施方式的缺陷量测方法中，电磁波可包含一极紫外光或一深紫外光。
附图说明
图1是绘示依据本发明一实施例的微型探测器的结构示意图；
图2是绘示据本发明另一实施例的微型探测器的结构示意图；
图3是绘示图2实施例的微型探测器的上视图；
图4是绘示引致电流对应截止电压偏移值的关系图；
图5是绘示耦合比例随感测栅极长度变化的关系图；
图6A、图6B及图6C是绘示图2实施例的微型探测器的天线层的多种结构示意图；
图7是绘示本发明又一实施例的形成微型探测器阵列的结构示意图；
图8是绘示图7实施例中的微型探测器阵列的一应用例示意图；
图9A及图9B是绘示极紫外线不同的闪焰效应程度的示意图；
图10A、图10B、图10C、图10D以及图10E是绘示引致电荷于电浆微影过程中随不同天线层层数的变化图；
图11是绘示本发明一实施例中，以微型探测器构成NOR记忆体晶片架构的示意图；以及
图12是绘示本发明一实施例中，以微型探测器构成NAND记忆体晶片架构的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图说明本发明的多个实施例。为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，这些实务上的细节不应该用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施例中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示之；并且重复的元件将可能使用相同的编号表示之。
图1是绘示依据本发明一实施例的微型探测器100的结构示意图；图2是绘示据本发明另一实施例的微型探测器100的结构示意图。
微型探测器100包含一基板110、一鳍状结构120、一浮动栅极130、一感测栅极140、一读取栅极150以及一天线层160。基本的配置关系，鳍状结构120位于基板110上。浮动栅极130亦位于基板110上，并与鳍状结构120彼此垂直交叉。感测栅极140位于鳍状结构120的一侧。读取栅极150位于鳍状结构120的另一侧。天线层160连接感测栅极140，并位于感测栅极140上方。天线层160可于接触一外部能量源后产生一引致电荷，并透过一耦合效应将引致电荷储存于浮动栅极130内。
于一实施例，微型探测器100可还包含一浅沟槽隔离层170。浅沟槽隔离层170位于基板110上，且鳍状结构120穿设于浅沟槽隔离层170。更明确地说，鳍状结构120是由基板110向上延伸而穿设于浅沟槽隔离层170。感测栅极140及读取栅极150分别为鳍状结构120区隔而位于鳍状结构120的二相对侧。另需提及，使用此浅沟槽隔离层170为降低漏电之用，不使用此浅沟槽隔离层170而改为由基板110上先形成一SOI(绝缘层上硅)层，再于此SOI层上形成鳍状结构120亦为可能的另一种结构。当然，亦不排除其余可能使用的对等结构。
微型探测器100可还包含一连接点180。天线层160是透过连接点180连接感测栅极140。连接点180可呈平板状、多颗柱状或点状。天线层则160可呈平板(Plate)状、栅状(Palisade)或指叉状(Fork)。天线层160材质可为金属或受光反应材质，其厚度可为
Figure GDA0004208878860000051
不同形状的蚀刻比不同，不同厚度的微影蚀刻的时间不同，所造成感测的效果亦不同。
基板110的材质可为任何适当的半导体材料，例如硅、锗、碳或其它II-VI族或III-V族半导体化合物及类似者。
鳍状结构120可通过直接由基板110磊晶并经过蚀刻而形成。例如可使用微影制程与选择性蚀刻制程搭配，以形成高的宽高比(Aspect ratio)的鳍状结构120。微影制程可使用例如光微影、极紫外线(EUV)微影或X射线微影等。
鳍状结构120一般具有小至数十纳米的窄宽度。可以理解的是，鳍状结构120可透过适当的掺杂，以便界定对应的漏极(Drain)与源极(Source)。换言之，本发明中的微型探测器100，是应用鳍式晶体管(FinFET)的技术。
图2实施例中的微型探测器100，其结构与图1实施例中的微型探测器100类似，包含鳍状结构120、浮动栅极130、感测栅极140、读取栅极150、天线层160、浅沟槽隔离层170以及连接点180。差异在于，图2实施例的微型探测器100中，连接点180可延伸连接于感测栅极140及读取栅极150之上。
请续参照图3，其是绘示图2实施例的微型探测器100的上视图。由图3实施例可知，本发明的微型探测器100于鳍状结构120二端分别形成一源极120a以及一漏极120b。因此，是基于鳍式晶体管(FinFET)结构而形成。于可能实施例中，利用平面型晶体管(PlanarFET)结构亦可形成本发明的微型探测器100结构。因此，由图3实施例中，感测栅极140及读取栅极150可视为一耦合结构，且可以大致区分为一电荷收集区190a以及一信号读取区190b。感测栅极140位于电荷收集区190a内，而读取栅极150位于信号读取区190b内。
以下续说明上述微型探测器100的运作机制。于一用途中，本发明的微型探测器100，是用于侦测半导体器件于晶圆制造过程中所产生的缺陷。此缺陷，是指本导体器件电性上的缺失，可能是于电浆蚀刻过程中所产生的引致电荷所导致，亦可能是EUV(极紫外线)微影过程中所产生的闪焰效应所产生的引致电荷。首先，此引致电荷为天线层160所吸收，透过耦合结构聚积于感测栅极140上，因此引致一高电位差产生于浮动栅极130及基板110间，因此透过一电子穿隧效应，令引致电荷累积于浮动栅极130。接续，于图3实施例中，电荷收集区190a以及信号读取区190b可视为各自包含一晶体管结构。因此，于信号读取区190b，读取栅极150可用以读出信号。感测栅极140则连接天线层160，且其电压透过连接点180而与浮动栅极130耦合。因此，可透过读取栅极150进行电性量测，取得晶体管结构的I-V曲线。而由I-V曲线，可取得截止电压(Threshold voltage)，再以此截止电压反推引致电荷的值。借此，本发明提供一缺陷量测方法，其是包含：以一外部能量源接触耦合结构产生一引致电荷；透过耦合结构产生一耦合效应，将引致电荷储存于浮动栅极130内；对微型探测器100进行一电性量测，取得微型探测器100的一截止电压；将截止电压与一标准截止电压进行比对，取得一截止电压偏移值；利用截止电压偏移值计算对应引致电荷的一电荷值。借此，可利用电荷值推估外部能量源于一晶片于制造过程中所形成的缺陷。其中，引致电荷的电荷值QFG可表示为：QFG＝CT×ΔVT×CRREAD，其中CT为浮动栅极的总电容、ΔVT为截止电压偏移值、CRREAD为读取栅极的耦合比例。上述的外部能量源，可为一电磁波、一电子束、一电浆或一离子束。电磁波可包含一极紫外光、一深紫外光、一紫外光、一可见光或一红外线光。亦即，可与天线层160接触反应，而产生引致电荷者，即可应用本发明的微型探测器100进行缺陷量测。
请续参照图4，其是绘示引致电流对应截止电压偏移值ΔVT的关系图，VRG表示透过读取栅极150量测的电压值。由图4中，可看出引致电荷的产生，确实可导致截止电压偏移。并且，引致电荷的电荷值QFG可以为正或负，而对应的截止电压偏移值ΔVT，亦可为正或负。
请续参照图5，其是绘示耦合比例CR随感测栅极长度LAG变化的关系图，VAG表示透过感测栅极140量测的电压值。由图5中，可看出当感测栅极长度LAG增加1.6倍时，耦合比例CR增加7％。换言之，通过控制感测栅极长度LAG，即可控制耦合比例CR。
请参照图6A、图6B及图6C。图6A、图6B及图6C是绘示图2实施例的微型探测器100的天线层160的多种结构示意图。图6A中，天线层160呈平板(Plate)状；图6B中，天线层160呈栅状(Palisade)；图6C中，天线层160呈指叉状(Fork)。不同的天线层160形状可获致与外部能量源不同的耦合效应。天线层160的材质可为金属或受光反应材质(例如：Ge、InGaAs、Gap、Silicon等)。
请续参照图7。图7是绘示本发明又一实施例的微型探测器100阵列的结构示意图。本发明的微型探测器100，可以排列形成微型探测器100阵列。借此，可提供对应于整片晶圆制程中，缺陷的分布状况。
请续参照图8。图8是绘示图7实施例中的微型探测器100阵列的一应用例示意图。微型探测器100阵列将于7纳米级先进制程中实现，并于EUV微影系统中进行侦测与测试。EUV光源L是透过多个光学元件照射到晶圆上，以便与光阻反应形成所需图样，并配合如磊晶、蚀刻等制程，形成所需的半导体器件结构。微型探测器100阵列可以于晶圆制造过程中储存EUV的电荷，并于中间金属层(Inter-metal)测量电性，即可取得对应各层制程过程中的EUV闪焰效应侦测结果。借此，可提升EUV微影系统可靠度，亦可提供EUV微影系统的优化指标。
请续参照图9A及图9B。图9A及图9B是绘示极紫外线不同的闪焰效应程度的示意图。已知已有研究分析闪焰效应与截止电压的关系。图9A中，闪焰效应较严重，则截止电压(VT)分布高低差明显(中间高，四周低)。反之，图9B中，闪焰效应情形较和缓，则截止电压(VT)分布数值较小且平缓。借此结果，透过本发明的微型探测器100及类似于前述实施例所揭示的缺陷量测方法。所测得的电性曲线可取得截止电压，由公式计算可得浮动栅极内的电荷。可利用此电荷进一步计算对应的穿隧电流密度与氧化层电场，并除以天线层160的耦合比例，计算出极紫外线所导致的电压，再通过材料光电效应的量子效率(QuantumEfficiency)，即可得知对应的极紫外线强度。借此，可推得极紫外线引致的闪焰效应程度，可据以降低闪焰效应的发生。
请续参照图10A至图10E。图10A、图10B、图10C、图10D以及图10E是绘示引致电荷于电浆微影过程中随不同天线层160层数的变化图。本发明中，可透过量测所得的截止电压(VT)分布，进一步分析晶圆上的引致电荷的电荷值(QFG)分布。天线层160端的电压较大，则截止电压(VT)绝对值数值较大；反之，天线层160的电压较小，则截止电压(VT)绝对值数值较小。引致电荷分布情形可由天线层160制程参数不同而变化。由图10A、图10B、图10C、图10D及图10E中，天线层160数量分别为1层、2层、3层、4层及5层，借此，可导致引致电荷的同心圆与电荷值高低分布。
请续参照图11及图12。图11是绘示本发明一实施例中，以微型探测器100构成NOR记忆体晶片架构的示意图。图12是绘示本发明一实施例中，以微型探测器100构成NAND记忆体晶片架构的示意图。本发明的微型探测器100可提供NAND或NOR记忆体晶片架构。在NOR记忆体晶片架构中，个别微型探测器100所构成的记忆胞，以并联方式连接，使装置能够达到随机存取的目的，其字元线、位元线及源极线配置如图11所示。NOR记忆体晶片架构是提供低密度、高速读取的应用。另一方面，于NAND记忆体晶片架构中，个别微型探测器100所构成的记忆胞以并联方式连接，以达成更小的胞元尺寸，使整体记忆体晶片尺寸更小，且每个位元的成本更低，其字元线、位元线及源极线配置如图12所示。于已知NAND或NOR记忆体晶片架构中，其字元线(Word line)是直接连接于栅极，本发明中，微型探测器100的字元线则连接于读取栅极150上以耦合方式进行感测。此外，已知NAND或NOR记忆体晶片架构中，并无类似本发明的微型探测器100中，于鳍状结构120两侧分别有感测栅极140及读取栅极150。因此，以本发明的微型探测器100，具有即时侦测制程中缺陷的功能，具更广的应用范围。
根据上述，本发明的极微型探测器100阵列可以通过电性量测侦测EUV过程中所产生的电荷，以电性量测取代CCD成像后观测或SEM显微镜观测图样位置。由于量测简易，可以应用产线制程中线上晶圆接受度测试(WAT，Wafer Acceptance Test)系统检测，提供晶圆厂出货至下一流程的依据。此外，微型探测器100阵列于EUV微影制程中所储存的电荷，经由电性量测除了可以提供闪焰效应的区域分布，亦可提供闪焰效应的定量分析，可成为改善EUV微影系统可靠度指标之一。再者，透过光罩Layout设计，提供后段制程(BEOL，Back EndOf Line)多层金属层的闪焰效应，并于于晶圆制造过程中间金属层(Inter-metal)测量电性，可以即时了解各层制程过程中的EUV闪焰效应，提升EUV系统的可靠度及优化指标。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (15)

1.一种微型探测器，其特征在于，包含：
一基板；
一鳍状结构，位于该基板上；
一浮动栅极，位于该基板上，该浮动栅极与该鳍状结构彼此垂直交叉；
一感测栅极，位于该鳍状结构的一侧；
一读取栅极，位于该鳍状结构的另一侧；
一天线层，连接该感测栅极，该天线层位于该感测栅极上方；以及
一连接点，其中该天线层透过该连接点连接该感测栅极，该感测栅极的电压透过该连接点与该浮动栅极耦合；
其中该感测栅极与该读取栅极形成一耦合结构，该鳍状结构区隔该耦合结构形成一电荷收集区以及一信号读取区，该感测栅极于该电荷收集区内，该读取栅极于该信号读取区内；
其中该天线层接触一外部能量源后产生一引致电荷，透过一耦合效应将该引致电荷储存于该浮动栅极内。
2.根据权利要求1所述的微型探测器，其特征在于，还包含一浅沟槽隔离层，其中该浅沟槽隔离层形成于该基板上，且该鳍状结构穿设于该浅沟槽隔离层。
3.根据权利要求1所述的微型探测器，其特征在于，该连接点呈平板状、多颗柱状或点状。
4.根据权利要求1所述的微型探测器，其特征在于，该天线层呈平板状、栅状或指叉状。
5.根据权利要求1所述的微型探测器，其特征在于，该天线层的材质为一金属。
6.根据权利要求1所述的微型探测器，其特征在于，该天线层的材质为一受光反应材质。
7.根据权利要求1所述的微型探测器，其特征在于，该天线层的厚度为
Figure FDA0004208878850000021
8.一种缺陷量测方法，其是应用于至少一如权利要求1至7任一项所述的微型探测器，其特征在于，该缺陷量测方法包含：
将该耦合结构区隔成该电荷收集区以及该信号读取区；
形成该感测栅极于该电荷收集区内；
形成该读取栅极于该信号读取区内；
以该外部能量源接触该耦合结构产生该引致电荷；
透过该耦合结构产生该耦合效应，将该引致电荷储存于该浮动栅极内；
对该微型探测器进行一电性量测，取得该微型探测器的一截止电压；
将该截止电压与一标准截止电压进行比对，取得一截止电压偏移值；以及
利用该截止电压偏移值计算对应该引致电荷的一电荷值。
9.根据权利要求8所述的缺陷量测方法，其特征在于，该外部能量源为一电磁波、一电子束、一电浆或一离子束。
10.根据权利要求9所述的缺陷量测方法，其特征在于，该电磁波包含一紫外光、一可见光或一红外线光。
11.根据权利要求8所述的缺陷量测方法，其特征在于，该微型探测器包含一平面型晶体管结构或一鳍式晶体管结构。
12.根据权利要求8所述的缺陷量测方法，其特征在于，该引致电荷的该电荷值QFG为：
QFG＝CT×ΔVT×CRREAD，其中CT为该浮动栅极的总电容、ΔVT为该截止电压偏移值、CRREAD为该读取栅极的耦合比例。
13.根据权利要求8所述的缺陷量测方法，其特征在于，当该缺陷量测方法应用于多个该微型探测器时，该些微型探测器排列形成一微型探测器阵列。
14.根据权利要求8所述的缺陷量测方法，其特征在于，当该缺陷量测方法应用于多个该微型探测器时，该些微型探测器构成一NAND记忆体晶片架构或一NOR记忆体晶片架构。
15.根据权利要求9所述的缺陷量测方法，其特征在于，该电磁波包含一极紫外光或一深紫外光。
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