CN115668471A - 用于沟槽的光学测量的目标 - Google Patents

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Abstract

一种计量目标被设计用于测量待测装置中的沟槽的底部处的特征，诸如三维(3D)NAND中的字线中的钨凹陷部竖直轮廓。该计量目标遵循该待测装置的设计规则，并且包括层叠堆叠，该层叠堆叠具有多个层叠堆叠对以及延伸穿过这些层叠堆叠对的沟槽，每个层叠堆叠对包括导体层(诸如钨)和绝缘体层(诸如二氧化硅)。该计量目标包括通孔，该通孔延伸穿过该层叠堆叠对，并且被定位成与该沟槽相距一定横向距离以经由等离子体共振促进光到达该沟槽的底部，以用于测量该沟槽的特性，诸如字线狭缝的底部处的钨凹陷部。

Description

用于沟槽的光学测量的目标
根据美国法典第35篇第119条的优先权要求
本申请根据美国法典第35篇第119条要求2020年4月17日提交并且名称为“TARGETFOR OPTICAL MEASUREMENT OF TRENCHES”的美国临时申请号63/011,856和2021年4月15日提交并且名称为“TARGET FOR OPTICAL MEASUREMENT OF TRENCHES”的美国非临时申请号17/231,508的权益和优先权，两项申请均转让给本发明的受让人并且全文以引用方式并入本文中。
技术领域
本文所述的主题的实施方案整体涉及光学计量目标，并且更具体地涉及一种用于监测高纵横比沟槽中的特性的目标设计。
背景技术
半导体和其他类似工业通常使用光学计量装备来在处理期间提供对衬底的非接触式评估。藉助光学计量，用例如单个波长或多个波长下的光照射被测试样品。在与样品相互作用之后，检测并分析所得光以确定样品的所期望特性。
特别难以进行光学测量的一种类型的样品是具有许多堆叠层的装置。例如，三维(3D)存储器技术(诸如垂直NAND闪存)依赖于多层存储器单元的堆叠。层的数量直接与内存量成正比。因此，制造商增加层的数量以便增加内存。层增加了，而沟道尺寸保持大致相同，从而导致这些装置的纵横比增加。以举例的方式，在装置结构中具有64个层的情况下，当前计量系统难以在工艺流程中从结构的顶部到底部在各个点处获得尺寸信息。在装置按比例扩展到超过64个层(到例如96个层或更多)时，计量问题加剧，并且一些结构无法使用常规光学计量来测量。具有许多层或高纵横比的测量装置结构的潜在物理问题在于光子无法在物理上到达结构底部处的特征和/或返回到检测器以用于测量。
发明内容
如本文所述，一种光学计量目标被设计成提供对所测装置中的沟槽的底部处的特征的非破坏性光学测量。以举例的方式，该沟槽可以是三维(3D)NAND装置中的字线(WL)狭缝，并且所测量的特征可以是该WL狭缝的底部处的钨(W)凹陷部。通过实现对该沟槽的该底部处的特征的光学测量，可测量该沟槽中的特征的竖直轮廓。该计量目标与待测装置一起制造，并且包括层叠堆叠，该层叠堆叠具有多个层叠堆叠对，每个层叠堆叠对包括导体层和绝缘体层，例如分别为钨和二氧化硅。沟槽延伸穿过该多个层叠堆叠对。该计量目标被设计成具有该待测装置的相同关键特征，诸如该沟槽和例如该W凹陷部的关键尺寸，但在其他方面可在遵循相同设计规则的同时不同于该待测装置。该计量目标包括延伸穿过该层叠堆叠的通孔。该通孔不模拟该待测装置中的结构，即，该待测装置不包括类似通孔。这些通孔被设计成促进光到达该WL狭缝的该底部，以使得能够测量该沟槽的该底部处的特性，例如该W凹陷部。该通孔可例如被设计成与该沟槽相距一定横向距离，该横向距离促进光到达该沟槽的该底部，这可通过称为等离子体共振的过程发生。该层叠堆叠中可包括多个通孔，以在制造期间为该层叠堆叠提供结构支撑。该计量目标可例如使用光学计量装置诸如反射计、椭圆偏振计、穆勒矩阵椭圆偏振计、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)等来测量，该光学计量装置使用比该层叠堆叠对中的导体层的等离子体激元频率长(即介电函数的ε_1为负)的光。
在一个具体实施中，一种晶圆包括光学计量目标，该光学计量目标用于测量待测装置中的沟槽的特性，其中该沟槽具有光难以到达该沟槽的底部的深度。该待测装置可以是例如三维(3D)NAND。该光学计量目标可包括层叠堆叠，该层叠堆叠包括多个层叠堆叠对，每个层叠堆叠对包括导体层和绝缘体层，并且该层叠堆叠包括竖直延伸穿过该多个层叠堆叠对的沟槽。该光学计量目标可包括延伸穿过该多个层叠堆叠对的多个通孔。每个通孔包括绝缘侧壁并且填充有导体材料。从通孔到该光学计量目标中的该沟槽的横向距离用于测量该沟槽的该特性。
在一个具体实施中，一种晶圆包括光学计量目标，该光学计量目标用于测量沟槽的特性，其中该沟槽具有光难以到达该沟槽的底部的深度。该光学计量目标可包括层叠堆叠，该层叠堆叠包括多个层叠堆叠对。该层叠堆叠包括竖直延伸穿过该多个层叠堆叠对的沟槽。该光学计量目标可包括延伸穿过该多个层叠堆叠对的多个通孔。该多个通孔包括用于促进光到达该沟槽的该底部以用于测量该沟槽的该特性的构件。
在一个具体实施中，一种测量待测装置中的沟槽的特性的方法。该方法可包括：在具有该待测装置的晶圆上产生光学计量目标。该光学计量目标可包括层叠堆叠，该层叠堆叠包括多个层叠堆叠对以及延伸穿过该多个层叠堆叠对的沟槽，该多个层叠堆叠对中的每个层叠堆叠对包括导体层和绝缘体层。该光学计量目标可包括延伸穿过该多个层叠堆叠对的多个通孔。从通孔到该沟槽的横向距离促进光到达该沟槽的底部以用于测量该沟槽的该特性。该方法还可包括：用光学计量装置产生波长比每个层叠堆叠对中的导体层的等离子体激元频率长的光，该光聚焦在该光学计量目标上，其中该光的等离子体共振促进该光到达该沟槽的该底部。用该光学计量装置检测从该光学计量目标返回的光，并且使用所检测到的光来测量该沟槽的该特性。
在一个具体实施中，一种光学计量装置被配置为使用具有待测装置的晶圆上的光学计量目标来测量该待测装置中的沟槽的特性。该光学计量目标可包括层叠堆叠，该层叠堆叠包括多个层叠堆叠对，每个层叠堆叠对包括导体层和绝缘体层。该层叠堆叠包括延伸穿过该层叠堆叠的沟槽，以及延伸穿过该多个层叠堆叠对的多个通孔，其中从通孔到该沟槽的横向距离促进光到达该沟槽的底部以用于测量该沟槽的该特性。该光学计量装置可包括光源，该光源产生待引导到该光学计量目标并与该光学计量目标相互作用的光。由该光源产生的该光的波长长于每个层叠堆叠对中的该导体层的等离子体激元频率，其中该光的等离子体共振促进光到达该沟槽的该底部，其中该光被引导到该光学计量目标。该光学计量装置还可包括至少一个检测器，该至少一个检测器接收从该光学计量目标返回的光。该光学计量装置还可包括至少一个处理器，该至少一个处理器耦接到该至少一个检测器，其中该至少一个处理器被配置为使用所检测到的光来测量该沟槽的该特性。
附图说明
图1A和图1B示出了制造中的3D-NAND装置结构的等距和特写侧视图，该3D-NAND装置结构包括钨(W)凹陷部。
图2A是示出字线(WL)狭缝的底部处的W凹陷部的测量不确定性相对于WL狭缝的间距的增大的图。
图2B示出了WL狭缝底部处的W凹陷部的光谱椭圆偏振(SE)测量结果的强度相对于WL狭缝的间距的降低。
图3A示出了多个NAND装置和模仿NAND装置结构的可能计量目标布局的俯视平面图。
图3B示出了图3A所示的NAND装置和计量目标布局的SE参数的原始光谱模拟。
图4是示出图3A所示的NAND装置和计量目标布局中的WL狭缝的多个竖直位置处的W凹陷部的预测测量不确定性的图。
图5A、图5B和图5C分别示出了可用于测量底部W凹陷部并且因此测量3D NAND装置的WL狭缝中的W凹陷部的竖直轮廓的计量目标的等距视图、剖视平面图和特写视图。
图6示出了四个不同波长下的二维有限差分频域(FDFD)模拟，其示出了具有多晶硅沟道孔的结构和具有钨通孔的类似结构的电场强度相对于WL狭缝的深度的差异。
图7A、图7B和图7C示出了具有用于促进光到达WL狭缝的底部的各种构件的计量目标的剖视平面图。
图8是示出底部W凹陷部的测量不确定性相对于距WL狭缝的钨通孔距离的模拟的图。
图9A示出了具有每WL狭缝2个、3个和5个钨通孔的层叠堆叠的剖视图，每个层叠堆叠具有相同的通孔到WL狭缝距离。
图9B示出了图9A所示的层叠堆叠的SE参数的原始光谱比较。
图10是示出在单模态和多模态测量下计量目标中的WL狭缝的多个竖直位置处的W凹陷部的模拟测量不确定性的图表。
图11A示出了在通孔到WL狭缝距离中具有不同偏移的所提议计量目标。
图11B示出了图11A所示的层叠堆叠的SE参数的原始光谱比较。
图12示出了能够收集和分析来自所提议计量目标的数据以测量待测3D NAND装置的WL狭缝中的W凹陷部的竖直轮廓的光学计量装置的示意图。
图13是示出测量三维(3D)NAND中的WL中的W凹陷部竖直轮廓的方法的流程图。
具体实施方式
在制造半导体和类似装置期间，有时需要通过非破坏性地测量装置来监测制造过程。在处理期间，有时采用光学计量来对样品进行非接触式评估。特别难以进行光学测量的一种类型的样品是包括具有高纵横比的沟槽(即非常深的窄沟槽)的装置。在一些情况下，装置被生产为具有比用于测量装置的光的波长窄并且可延伸穿过许多层(例如64层、96层或更多层)不透明材料的沟槽。当前的计量系统难以从具有64个层的装置的顶部到底部获得尺寸信息。在装置按比例扩展到超过64个层(到例如96个层或更多层)时，计量问题将加剧，并且一些测量将不可能使用常规光学计量进行，诸如表征深沟槽。具有许多层或高纵横比的装置的潜在物理问题在于光子无法到达结构的底部和/或返回到检测器。可使用特定波长的光来辅助穿透多层装置，然而，已经发现，即使在仔细选择光的波长的情况下，也不可能测量正在制造的装置中的沟槽的底部。因此，如本文所论述，可采用包括与待测装置相同的特征(例如，沟槽)并且还包括使得光能够到达沟槽的底部的特征的专用光学计量目标来测量沟槽的特性。
具有难以使用常规光学计量测量的沟槽的装置的一个示例是3D NAND装置。3DNAND装置的制造过程是复杂的并且需要许多沉积、光刻、蚀刻和填充步骤。在3D NAND装置制造期间，一个关键特征是字线(WL)狭缝中的钨(W)凹陷部，该W凹陷部对装置良率和性能具有直接影响。期望在制造期间、特别是在关键工艺步骤之后测量和评估结构，以确保结构在公差范围内。当前，仅破坏性测量技术能够测量3D NAND的WL中的W凹陷部的竖直轮廓。例如，可使用诸如回蚀刻扫描电子显微镜(SEM)和剖面SEM测量的破坏性技术。然而，这些技术是破坏性的，因此不适合在制造期间对关键工艺步骤进行内联评估。
如本文所述，光学计量目标可用于提供对装置中的高纵横比沟槽(诸如3D NAND装置或其他装置中的WL)的各种深度处的特征的非破坏性光学测量。可使用光学计量目标测量的沟槽的特征的一个示例是NAND装置的WL中的W凹陷部竖直轮廓，包括WL狭缝的底部处的W凹陷部，但也可测量其他特性。如本文所论述的计量目标可位于芯片之间的划片槽内，或者可能位于芯片内，例如，芯片的有源区域中。计量目标被设计成具有与待测结构相同的关键特征，诸如WL狭缝和W凹陷部的关键尺寸，但在其他方面可在遵循设计规则的同时不同于待测结构。例如，代替在3D NAND中使用的沟道孔，可在计量目标中使用钨通孔。钨通孔在计量目标中的位置被设计成促进光到达WL狭缝的底部。例如，计量目标中从钨通孔到WL狭缝的距离被选择成促进光到达WL狭缝的底部。因此，可对WL狭缝的底部处的结构(包括W凹陷部)进行光学测量，从而提供待测3D NAND的WL中的W凹陷部的完整竖直轮廓。以举例的方式，计量目标可通过例如使用中红外波长或更长的波长的光学计量装置诸如反射计、椭圆偏振计、穆勒矩阵椭圆偏振计、FTIR等来测量。如果波长长于钨的等离子体激元频率，即介电函数的ε_1为负，则可使用更短的波长。
以举例的方式，图1A示出了在制造期间的3D-NAND装置结构100的等距视图，并且图1B示出了图1A中的框101的特写视图，其示出了WL狭缝130中的W凹陷部结构。图1A和图1B示出了层叠堆叠110，该层叠堆叠包括位于衬底102上的钨112和二氧化硅114(或其他类型的绝缘材料)的多个交替层，以及被示出为位于层叠堆叠110的顶表面上的硬掩模104。每个二氧化硅114和钨112双层可称为层叠堆叠对，并且完整的层叠堆叠110包括大量(例如256个)层叠堆叠对。应当理解，二氧化硅层114和钨层112之间可存在附加层，诸如可在钨层112之前沉积的高K电介质层和氮化钛(TiN)层。沟道孔120在每个层叠堆叠中被形成为具有被示出为沟道CD的关键尺寸。沟道孔120可包括例如氧化硅-氮化硅-氧化硅(ONO)侧壁122和多晶硅侧壁122，并且填充有氧化硅126。可存在附加的或不同的材料，例如诸如氧化物内衬。应当理解，例如位于沟道孔120内的材料和层可基于制造商而异。
如图所示，层叠堆叠中存在WL狭缝130。如图1B中可见，WL狭缝130中的同一层水平处的二氧化硅层114之间的距离(即，WL狭缝130在二氧化硅层114处的宽度)可称为WL关键尺寸(WL CD)。WL狭缝130中的同一层水平处的钨层112之间的距离可称为凹陷部CD。钨凹陷部(W凹陷部)是WL狭缝130中的钨层112相对于二氧化硅层114的凹陷部，例如，从钨层112的边缘到二氧化硅层114的边缘的距离。因此，WL狭缝130中的任何竖直位置处的W凹陷部和凹陷部CD通过WL-CD相关，并且可互换使用。
为了测量WL狭缝130中的W凹陷部竖直轮廓，在WL狭缝130中的多个竖直位置处(例如在底层142b、第一中间层142m1、第二中间层142m2和顶层142t处)测量W凹陷部(或相当地，凹陷部CD)。然而，对顶层142t下方的W凹陷部的光学测量具有挑战性，因为其必须在栅极替换过程之后发生，在该栅极替换过程期间，从WL狭缝的侧面选择性地蚀刻掉牺牲氮化硅层(未示出)并且用各种材料替换以生成例如栅极和电荷阱(未示出)，包括用钨替换以产生钨层112。
钨层112使整个结构对可见光和近红外区域中的光(例如小于2500nm)不透明，超出层叠堆叠110中的前几个层。因此，不可能使用这些波长对W凹陷部竖直轮廓进行光学测量，例如包括对底部W凹陷部(层142b处)的测量。使用中红外和更长波长(例如，大于2500nm)的光学计量改善光的穿透性。然而，当使用中红外光时，随着3D NAND按比例扩展，层叠堆叠对的WL间距和数量两者增加，这导致对WL狭缝的底部处的W凹陷部的测量灵敏度呈指数损失。
图2A和图2B分别是具有192对W凹陷部结构的计量目标中的WL狭缝的底部处的W凹陷部的中红外测量的模拟的图和灵敏度曲线。图2A是示出测量不确定性(0Σ)相对于WL狭缝间距的增大的图，并且图2B示出了光谱椭圆偏振(SE)C参数测量的光谱响应相对于波长的振幅。如图2A和图2B中可见，测量灵敏度随着WL狭缝间距的增大而降低，并且对3D NAND装置本身中的底部W凹陷部的光学测量是不可能的。
潜在计量目标的模拟表明，如果计量目标具有小于1μm的WL间距以及每WL 3个至4个沟道孔，或者如果WL CD是例如工艺记录(POR)NAND装置的WL CD的2倍至3倍，并且具有1.5μm间距以及每WL 9个沟道孔，则对结构中的底部W凹陷部的灵敏度显示出高测量灵敏度。
图3A示出了可能的计量目标的多个所提议目标布局302、304、306和308以及分别是POR和N+1(例如，下一节点)装置的3D NAND装置结构310和312的俯视平面图。图3B示出了针对图3A所示的目标和装置使用介于5000nm和12000nm之间的波长对SE参数S、C和N的原始光谱模拟，其使用相同的参考标号来标识对应于图3A所示布局的曲线。
如图可见，所提议目标302-308的结构与3D NAND装置310和312的结构相同，但具有不同尺寸。例如，如图所示，POR NAND装置结构310具有每WL 9个沟道行和150nm WL CD，而N+1NAND装置结构312具有每WL 19个沟道行和150nm WL CD。所提议目标302具有每WL 9个沟道行以及300nm WL CD，目标304具有每WL 7个沟道行以及450nm WL CD，目标306具有每WL 4个沟道行以及150nm WL CD和800nm间距，并且目标308具有每WL 3个沟道行以及150nm WL CD和800nm间距。
图4是示出计量目标302-308和NAND装置310-312的在底部W凹陷部(图1A中的142b)、中间1W凹陷部(142m1)、中间2W凹陷部(142m2)和顶部W凹陷部(142t)处的预测不确定性(1Σ)(nm)的图400。如图可见，所提议目标304、306和308的预测不确定性对于底部W凹陷部具有小于nm的不确定性。需要说明的是，基本上没有光到达N+1装置412中的WL狭缝的底部，例如，不确定性大于1μm。
虽然所提议目标304、306和308对于底部W凹陷部具有小于nm的不确定性，但在3D-NAND扩大至N+1(并且扩大至接近3μm的间距)时，这些计量目标无法制造，因为它们将违反3D-NAND的设计规则。由于制造装置的方式，因在计量目标中制作较小WL间距或较大WL CD而违反设计规则可能不仅在计量目标中而且在晶圆上的其他装置中导致缺陷，并且可能破坏晶圆。因此，用于NAND装置的计量目标设计必须遵循与NAND装置相同的设计规则。例如，用于N+1NAND装置的计量目标需要具有与N+1NAND装置相同的间距，例如，大约3μm，如上所示，其将不具有底部W凹陷部所需的测量灵敏度。
图5A、图5B和图5C分别示出了计量目标500的等距视图、剖视平面图和特写视图，该计量目标可用于在遵循用于NAND装置的设计规则的同时测量3D NAND装置的WL狭缝的底部处的结构。例如，计量目标500可用于测量底部W凹陷部，并且因此测量3D NAND装置的WL狭缝中的W凹陷部的竖直轮廓。计量目标500例如与待测装置一起位于晶圆上。计量目标500可位于芯片之间的划片槽内，或者可位于芯片内，例如，芯片的有源区域中。
计量目标500与待测装置同时制造，并且类似于图1A和图1B所示的NAND装置，包括层叠堆叠510，该层叠堆叠包括位于衬底502上的钨512和二氧化硅514(或其他类型的绝缘材料)的多个交替层，以及被示出为位于层叠堆叠510的顶表面上的硬掩模504。每个二氧化硅514和钨512双层可称为层叠堆叠对，并且完整的层叠堆叠510包括与待测NAND装置相同数量的层叠堆叠对。应当理解，二氧化硅层514和钨层512之间可存在附加层，诸如可在钨层512之前沉积的高K电介质层和氮化钛(TiN)层。计量目标500包括位于层叠堆叠510中的WL狭缝530。计量目标500被设计成具有与待测3D NAND相同的关键特征，诸如相同的间距和WL狭缝CD，并且与待测装置同时制造。因此，钨层512和二氧化硅层514具有与待测装置(例如，图1A和图1B所示的3D NAND)中的钨层112和二氧化硅层114相同的尺寸。应当理解，计量目标500中的狭缝530被设计成具有与待测NAND装置中的WL狭缝130相同的尺寸并且与其一起制造，并且因此即使计量目标500不是具有操作WL的3D NAND，计量目标500中的狭缝530在本文中也称为WL狭缝530。
计量目标500包括在每个层叠堆叠510中形成钨光栅的多个钨通孔520。以举例的方式，图5B示出了计量目标500沿着图5A所示的A-A穿过钨层512的剖视平面图，并且图5C示出了图5A所示的框501的特写视图并且示出了多个钨通孔520。有时称为通孔到周边(VtP)结构的钨通孔520延伸穿过所有交替的钨层512和二氧化硅层514。钨通孔520包括二氧化硅侧壁522，并且填充有钨524。钨通孔520代替3D NAND装置中的沟道孔120使用，并且不旨在于材料或设计上模仿沟道孔120。换句话说，待测装置(例如，3D NAND装置)不包括对应于光学计量目标中的多个通孔的通孔。通孔CD可以是沟道CD的大小的2倍至3倍。钨通孔520的数量、尺寸和布局可根据设计规则来选择，并且被选择来在制造期间为层叠堆叠510提供结构支撑。另外，钨通孔520的设计和放置被选择成促进光到达WL狭缝530的底部，并且因此增强WL狭缝530的底部处的测量灵敏度。例如，在适当选择和设计钨通孔520的情况下，对底部W凹陷部的测量灵敏度可相对于N+1NAND装置提高若干数量级。
例如，如图2B和图2C所示，通孔520A和WL狭缝530之间的横向距离(D)可被选择成促进光到达WL狭缝530的底部。因此，在适当选择和设计钨通孔520(例如，包括通孔520A和WL狭缝530之间的横向距离(D))的情况下，对WL狭缝530的底部处的W凹陷部的测量灵敏度得以增强，并且在图5A所示的WL狭缝530中的多个竖直位置(包括底层542b、第一中间层542m1、第二中间层542m2和顶层542t)处对W凹陷部进行非破坏性光学测量是可能的。因为计量目标500的WL狭缝530的参数与待测3D NAND装置中的WL狭缝130相同，所以计量目标500使得能够对WL狭缝130的特征(诸如待测3D NAD装置的W凹陷部竖直轮廓)进行光学测量。基于到达WL狭缝530的底部的光，可同样地测量WL狭缝130的其他特征，诸如底部CD。
应当理解，图5A、图5B和图5C仅示出了光学计量目标500的一部分，并且光学计量目标500可包括在测量期间将同时被照射的具有相同设计的多个附加通孔和WL狭缝。例如，在50μm×50μm的光学计量目标中，在Y方向(图5B中的上下方向)上，可存在大约100个通孔520，并且在X方向(图5B中的左右方向)上，可存在大约16个字线狭缝530。
钨通孔520可例如通过在沟道孔和阶梯之后但在待测装置中的WL蚀刻之前蚀刻出通孔520来制造。首先蚀刻出通孔520，然后产生二氧化硅侧壁522，之后进行钨填充。
具有类似设计(例如，具有被设计成促进光到达沟槽底部的通孔到沟槽距离)的计量目标可用于测量除3D NAND装置之外的装置中的沟槽的特性。光学计量目标(诸如光学计量目标500)可用于测量待测装置中的沟槽(诸如3D NAND装置的WL狭缝或另一类型的装置中的沟槽)的特性，其中光无法到达待测装置中的沟槽的底部。光学计量装置可包括层叠堆叠，该层叠堆叠包括多个层叠堆叠对，每个层叠堆叠对包括导体层(诸如包含钨的层)以及绝缘体层(诸如包含二氧化硅的层)。层叠堆叠还可包括竖直延伸穿过多个层叠堆叠对的沟槽，诸如WL狭缝530。光学计量目标还包括延伸穿过多个层叠堆叠对的多个通孔，例如，通孔520。通孔可具有绝缘侧壁，例如二氧化硅绝缘侧壁，并且填充有导体材料，诸如钨。从通孔到沟槽的横向距离促进光到达光学计量目标中的沟槽的底部以用于测量沟槽的特性，诸如沟槽的底部处的W凹陷部或W凹陷部竖直轮廓。
以举例的方式，图6示出了四个不同波长(6μm、8μm、10μm和12μm)下的二维有限差分频域(FDFD)模拟600和610，这些模拟分别示出了具有多晶硅沟道孔(多晶Si光栅)的结构和具有钨通孔(W光栅)的类似结构的相对于WL狭缝的深度的电场强度差异。模拟600和610中所用的2D模拟结构是具有3μm间距的256层叠堆叠对(N+1)结构。模拟600针对具有与WL狭缝的中心相距300nm的100nm轻掺杂多晶Si光栅的结构，并且模拟610针对具有与WL的中心相距300nm的100nm W光栅的结构。模拟600和610中所用的2D结构被设计成模拟实际装置，例如，其中用于模拟600的结构包括衬有多晶Si的沟道孔，类似于沟道孔120，并且用于模拟610的结构包括钨填充通孔，例如，通孔520。
如模拟600中可见，在多晶Si内衬的沟道孔的情况下，中红外电场在单一波长(8μm)下具有沿WL狭缝向下至大约中间位置的的最大延伸度，并且在其他波长下该最大延伸度显著更小。模拟610表明，对于具有钨填充通孔的结构，在所有四个模拟波长下，电场延伸到钨内衬结构的底部。据信，与WL狭缝相邻的钨通孔520A光栅在较长波长中(例如，在中红外区域之内和超过中红外区域的波长中)产生等离子体共振，这促进光到达WL狭缝的底部。相反地，用于模拟600的结构中的多晶Si吸收整个MIR范围内的波长并且不支持等离子体共振，例如，因为介电函数的实部始终为正。因此，光无法到达此类结构的WL狭缝的底部，如模拟600所示。
计量目标500(包括钨通孔520且特别是最靠近WL狭缝530的钨通孔520A)的设计被选择成促进光到达WL狭缝的底部。例如，标称WL间距可以是大约3μm并且通孔直径可以是300nm，但这些尺寸可变化。计量目标500(包括通孔520A和WL狭缝530之间的横向距离D)的设计可基于各种参数来选择，这些参数包括交替的钨层112和二氧化硅层114的数量、层的厚度、WL狭缝530的深度、W凹陷部的标称大小等。以举例的方式，图7A至图7C示出了具有用于促进光到达WL狭缝的底部的各种构件的计量目标500的剖视平面图。例如，如图7A所示，可通过控制多个通孔520的间距P来选择通孔520A和WL狭缝530之间的横向距离D。图7B示出了可基于对通孔520的数量的选择来选择通孔520A和WL狭缝530之间的横向距离D。图7C示出了可基于对通孔520的数量的选择、控制间距P和控制通孔CD来控制通孔520A和WL狭缝530之间的横向距离D。
图8是示出底部W凹陷部测量不确定性(1Σ)相对于钨通孔520A与WL狭缝之间的横向距离D的模拟的图800。该模拟利用图5A、图5B和图5C所示的钨通孔520结构进行，该钨通孔具有恒定的直径和密度，仅通孔之间的间隔改变，并且因此通孔到WL距离改变。如图800中可见，具有最靠近WL狭缝的中心的钨通孔的计量目标具有对底部W凹陷部的最高测量灵敏度。例如，大约350nm的通孔到WL距离D与大约950nm的通孔到WL距离D相比具有基本上更大的灵敏度，并且通孔到WL距离和不确定性之间存在指数关系。
图9A示出了来自不同目标的层叠堆叠的一部分的剖视平面图，其中一个目标具有层叠堆叠902，该层叠堆叠包括每WL狭缝2个钨通孔，间距为2000nm并且WL CD为350nm；另一目标具有层叠堆叠904，该层叠堆叠包括每WL狭缝3个钨通孔，间距为1000nm并且WL CD为350nm；并且另一目标具有层叠堆叠906，该层叠堆叠包括每WL狭缝5个钨通孔，间距为500nm并且WL CD为350nm，其中每个结构具有相同的通孔到WL狭缝距离D。图9B示出了图9A所示的层叠堆叠的SE参数N、C和S的原始光谱比较，其中曲线912表示层叠堆叠902的光谱曲线，曲线914表示层叠堆叠904的光谱曲线，并且曲线916表示层叠堆叠906的光谱曲线。如图9B中可见，不同层叠堆叠902、904和906的光谱曲线紧密匹配。在2通孔层叠堆叠902与3通孔层叠堆叠904和5通孔层叠堆叠906之间所观察到的小光谱差异可归因于层叠堆叠结构的顶表面处的相互作用。
如图9A和图9B所示，垂直于WL狭缝的钨通孔的密度(例如，每WL通孔数量)对针对底部W凹陷部的灵敏度或针对竖直方向(Z)上的W凹陷部的灵敏度没有影响。因此，在WL狭缝530的任一侧上光被限制在WL狭缝530和通孔520A之间(如图6所示的2D FDFD模拟所示)的理论看起来得到验证。
图10是示出在单模态和多模态测量下针对各个竖直位置(底部542b、中间1542m1、中间2 542m2和顶部542t)处的W凹陷部的模拟测量不确定性的图表1000。具体地，图表1000示出了如图5A、图5B和图5C所示的具有钨通孔的计量目标针对SE测量的测量不确定性(1Σ)，SE测量是针对多个方位角(0°和90°)、多个AOI(30°和60°)并且使用多个目标(例如，计量目标的相对于彼此具有大约200nm的通孔到WL空间的程序偏移的两个单独区域)在0°方位角和60°AOI、90°方位角和60°AOI、0°方位角和30°AOI下执行的。如图10所示，使用多个方位角(例如，0°和90°)以及多个计量目标，不确定性分别提高1.4倍和1.6倍。
图11A示出了具有层叠堆叠1102和1104的光学计量目标上的相对于彼此具有通孔到WL狭缝距离D偏移的两个区域的剖视图。例如，两个区域之间的通孔到WL狭缝距离D的偏移可相差大约200nm，并且如图所示，通过改变钨通孔的间距来实现。如果需要，通孔到WL狭缝距离D可以其他方式更改，诸如所用钨通孔的数量、钨通孔的放置等，如图7A至图7C所示。图11B示出了图11A所示的层叠堆叠1102和1104的SE参数N、C和S的原始光谱比较，其中曲线1112表示层叠堆叠1102的光谱曲线，并且曲线1114表示层叠堆叠1104的光谱曲线。如图11B所示，通孔到WL狭缝距离D的变化产生光谱响应的变化。如参考图10所论述，计量目标的多个区域(诸如图11A所示的那些区域)可一起测量并且在多模态全局拟合过程中使用，以便以相对于单个测量拟合过程降低的不确定性确定各种竖直位置处的W凹陷部。
因此，通过使用计量目标500(其可包括具有用于测量的不同的通孔到WL狭缝距离D的一个或多个区域，并且满足待测3D NAND装置的设计规则)并且在适当选择和设计钨通孔520(诸如通孔520A)到WL狭缝距离D的情况下，光到达WL狭缝的底部得到促进，并且针对WL狭缝的底部处的W凹陷部的测量不确定性(1Σ)可从大于1μm(如图4所示)改进到小于1nm，这是3个数量级的改进。
光学计量目标以及因此待测装置可使用光学计量装置诸如反射计、椭圆偏振计、穆勒矩阵椭圆偏振计、FTIR等来测量。计量装置可使用波长长于钨的等离子体激元频率(即介电函数的ε_1为负)的光。在一些具体实施中，可使用中红外或更长的波长，但如果波长长于钨的等离子体激元频率，则可使用更短的波长。以举例的方式，图12示出了光学计量装置1200的示意图，该光学计量装置可用于如本文所述收集和分析来自光学计量目标的数据，以测量待测装置中的沟槽的特性，诸如3D NAND装置的WL狭缝中的W凹陷部竖直轮廓。使用光学计量目标，可类似地确定沟槽的其他特征，诸如底部CD。光学计量装置1200可被配置为使用例如波长长于钨的等离子体激元频率的光来对包括计量目标500的样品1201执行例如光谱反射测量、椭圆偏振测量(包括穆勒矩阵椭圆偏振测量)或FTIR测量。
光学计量装置1200包括产生光1212的光源1210。光1212例如可在红外光谱区域诸如中红外或更长的光谱区域中。例如，光源1210可产生波长介于2.5μm与30μm之间的红外光。如果波长长于钨的等离子体激元频率，则可使用更短的波长。由光源1210产生的光1212可包括波长范围(即宽带)，或者可以是单色的。然而，光学计量目标的层叠堆叠可对光1212不透明，并且因此，在不存在通孔并且在未如上文所论述适当选择通孔到沟槽距离的情况下，光无法到达光学计量目标的沟槽的底部。
光学计量装置1200包括聚焦光学器件1220和1230，这些聚焦光学器件聚焦和接收光并且引导光以便倾斜地入射到样品1201的顶表面上。光学器件1220、1230可以是折射的、反射的或它们的组合，并且可以是物镜。聚焦光学器件可包括涂层或由适合于所用光的波长的材料制造，诸如金属或玻璃衬底上用于反射元件的金或铝涂层，或用于反射元件的硒化锌、硅、锗、氟化镁、氟化钡或氟化钙。
反射光可由透镜1214聚焦并且由检测器1250接收。检测器1250可包括一个或多个单像素光电检测器元件，例如，具有对红外光敏感的单像素的单片芯片。检测器元件的大小可被选择成与检测器元件的平面处的光束大小一致。检测器1250可与光源1210的输出范围匹配。例如，热电冷却(TEC)碲镉汞(MCT)检测器可与产生在中红外光谱区域(例如，大约5μm至13μm)中的波长的光源一起使用。液氮冷却MCT检测器可用于低信号电平，或者基于氘代硫酸三甘肽的元件(DTGS)可用于具有高反射值和潜在MCT检测器饱和度的应用。在波长范围为大约2μm至5μm的实施方案中，基于硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb)或铟镓砷(InGaAs)的检测器可用于增强检测能力。
一个或多个偏振元件可位于光学计量装置1200的光束路径中。例如，如在图1中以虚线示出的，光学计量装置1200可包括在光束路径中位于样品1201之前的偏振元件1204以及在光束路径中位于样品1201之后的偏振元件(分析器)1212中的一者或两者(或都不包括)，并且可包括一个或多个附加元件，诸如光弹性调制器1205的补偿器。例如，硒化锌线栅偏振器可用于控制输入偏振态以及光束在激发检测器1250中的检测元件之前的最终状态。
检测器1250可耦接到至少一个处理器1260，诸如工作站、个人计算机、中央处理单元或其他适当的计算机系统或多个系统。应当理解，可使用一个处理器、多个单独处理器或多个链接的处理器，上述所有都可在本文中互换地称为处理器1260、至少一个处理器1260、一个或多个处理器1260。处理器1260优选地包括在光学计量装置1200中，或者连接到该光学计量装置，或者以其他方式与该光学计量装置相关联。例如，处理器1260可例如通过控制耦接到卡盘的台1209的移动来控制样品1201的定位。台1209例如能够在笛卡尔(即，X和Y)坐标或极(即，R和θ)坐标或两者的某种组合中进行水平运动。台还可以能够沿着Z坐标进行竖直运动。处理器1260可进一步控制卡盘1208的操作以保持或释放样品1201。处理器1260还可收集和分析从检测器1250获得的数据。处理器1260可分析数据以确定样品1201的一个或多个物理特性，包括W凹陷部。例如，处理器1260可将从光学计量目标测量的数据与基于光学计量目标的一个或多个模型的预测数据进行比较。例如，可通过在一个或多个方位角和/或AoI下测量光学计量目标来获得测量数据。改变模型的参数，并且例如在线性回归过程中将预测数据与测量数据进行比较，直到预测数据和测量数据之间实现良好拟合，此时建模参数被确定为光学计量目标以及进而待测NAND装置的特性，例如，W凹陷部竖直轮廓。可测量光学计量目标的例如具有不同的通孔到WL狭缝距离的多个区域，并且将其用于多模态全局拟合过程中，以确定光学计量目标以及进而待测NAND装置中的不同区域中的特性，例如，W凹陷部竖直轮廓。
处理器1260包括具有存储器1264的至少一个处理单元1262，以及包括例如显示器1266和输入装置1268的用户接口。处理器1260可使用体现有计算机可读程序代码的非暂态计算机可用存储介质1269来致使至少一个处理器控制光学计量装置1200并且执行包括本文所述的分析的功能。鉴于本公开，本领域的普通技术人员可实现本具体实施方式中描述的用于自动实现一个或多个动作的数据结构和软件代码，并且将该数据结构和软件代码存储在例如计算机可用存储介质1269上，该计算机可用存储介质可以是可存储代码和/或数据以供计算机系统诸如处理单元1262使用的任何装置或介质。计算机可用存储介质1269可以是(但不限于)闪存驱动器、磁存储装置和光学存储装置，诸如磁盘驱动器、磁带、光盘和DVD(数字通用光盘或数字视频光盘)。通信端口1267还可用于接收指令，这些指令用于对处理器1260进行编程以执行本文所述的功能中的任何一个或多个功能，并且可表示诸如到互联网或任何其他计算机网络的任何类型的通信连接。通信端口1267可在前馈或反馈过程中将信号(例如，具有测量结果和/或指令)进一步导出到另一系统(诸如外部处理工具)，以便基于测量结果调整与样品的制造过程步骤相关联的过程参数。另外，本文所述的功能可全部或部分地体现在专用集成电路(ASIC)或可编程逻辑器件(PLD)的电路中，并且这些功能可体现在可用于创建如本文所述那样操作的ASIC或PLD的计算机可理解的描述符语言中。来自数据的分析的结果可存储在例如与样品1201相关联的存储器1264中以及/或者例如经由显示器1266、警报器或其他输出装置提供给用户。此外，可将来自分析的结果反馈回到处理装备以调整适当的图案化步骤，以补偿多个图案化过程中的任何检测到的差异。
图13是示出测量待测装置中的沟槽的特性(诸如三维(3D)NAND中的字线中的钨凹陷部竖直轮廓)的方法的流程图。如图所示，该方法包括：在具有待测装置的晶圆上产生光学计量目标(1302)。该光学计量目标包括：层叠堆叠，该层叠堆叠包括多个层叠堆叠对，每个层叠堆叠包括导体层和绝缘体层，该层叠堆叠包括延伸穿过该层叠堆叠的沟槽；和多个通孔，该多个通孔延伸穿过该多个层叠堆叠对，其中从通孔到沟槽的横向距离促进光到达沟槽的底部以用于测量沟槽的特性，例如，如图5A、图5B和图5C所示。用光学计量装置诸如光学计量装置1200产生波长长于每个层叠堆叠对中的导体层的等离子体激元频率的光，该光聚焦在光学计量目标上，其中光的等离子体共振促进光到达沟槽的底部，例如，如图6所示(1304)。例如，导体层包含钨，并且光的波长可长于2500nm。在一些具体实施中，如果波长长于钨的等离子体激元频率，即介电函数的ε_1为负，则可使用更短的波长。用光学计量装置检测从光学计量目标返回的光(1306)。使用所检测到的光来测量沟槽的特性(1308)。
在一些具体实施中，待测装置是3D NAND，沟槽是字线狭缝，导体层包含钨，并且沟槽的特性包括钨凹陷部竖直轮廓。
在一些具体实施中，用光学计量装置产生的光可以多个入射角、多个方位角或它们的组合中的一者产生。用于测量沟槽的特性的所检测到的光可以是以多个入射角、多个方位角或它们的组合中的一者产生的光，如参考图10所论述的。
在一些具体实施中，光学计量目标是第一光学计量目标，并且从通孔到沟槽的横向距离是从第一通孔到第一沟槽的第一横向距离。可例如与第一光学计量目标和待测装置同时地产生第二光学计量目标。第二光学计量目标包括层叠堆叠和从第二通孔到第二沟槽的第二横向距离，该第二横向距离促进光到达第二沟槽的底部并且不同于第一横向距离。用光学计量装置产生波长长于每个层叠堆叠对中的导体层的等离子体激元频率的光，该光可聚焦在第二光学计量目标上，其中该光的等离子体共振促进光到达第二沟槽的底部。用光学计量装置检测从第二光学计量目标返回的光。可将来自第二光学计量目标的所检测到的光与来自第一光学计量目标的所检测到的光一起使用，以确定待测装置中的沟槽的特征，例如，如参考图10和图11所论述的。
虽然出于说明目的结合具体实施方案示出了本发明，但本发明不限于此。在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种适配和修改。因此，所附权利要求书的精神和范围不应限于前述描述。

Claims (20)

1.一种包括光学计量目标的晶圆，所述光学计量目标用于测量待测装置中的沟槽的特性，其中所述沟槽具有光难以到达所述沟槽的底部的深度，所述光学计量目标包括：
层叠堆叠，所述层叠堆叠包括多个层叠堆叠对，每个层叠堆叠对包括导体层和绝缘体层，所述层叠堆叠包括竖直延伸穿过所述多个层叠堆叠对的所述沟槽；和
多个通孔，所述多个通孔延伸穿过所述多个层叠堆叠对，每个通孔具有绝缘侧壁并且填充有导体材料，其中从通孔到所述沟槽的横向距离促进光到达所述光学计量目标中的所述沟槽的底部，以用于测量所述沟槽的所述特性。
2.根据权利要求1所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中所述待测装置是三维(3D)NAND，所述沟槽是字线狭缝，所述导体层包括钨，并且其中所述沟槽的所述特性包括钨凹陷部竖直轮廓。
3.根据权利要求1所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中从所述通孔到所述沟槽的所述横向距离促进所述光的等离子体共振，所述光的等离子体共振促进所述光到达所述沟槽的所述底部。
4.根据权利要求1所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中所述光学计量目标包括与所述待测装置相同数量的所述多个层叠堆叠对和与所述待测装置相同的沟槽特性，其中所述待测装置不包括对应于所述光学计量目标中的所述多个通孔的通孔。
5.根据权利要求1所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中所述层叠堆叠对所述光不透明。
6.根据权利要求1所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中所述光学计量目标满足所述待测装置的所有设计规则。
7.根据权利要求1所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中所述层叠堆叠中的所述多个通孔为所述层叠堆叠提供结构支撑。
8.根据权利要求1所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中所述光学计量目标是第一光学计量目标，并且从所述通孔到所述沟槽的所述横向距离是从第一通孔到第一沟槽的第一横向距离，所述晶圆还包括第二光学计量目标，所述第二光学计量目标包括所述层叠堆叠并且具有从第二通孔到第二沟槽的第二横向距离，所述第二横向距离促进光到达所述第二沟槽的底部以用于测量所述沟槽的所述特性，并且不同于所述第一横向距离。
9.一种包括光学计量目标的晶圆，所述光学计量目标用于测量沟槽的特性，其中所述沟槽具有光难以到达所述沟槽的底部的深度，所述光学计量目标包括：
层叠堆叠，所述层叠堆叠包括多个层叠堆叠对，所述层叠堆叠包括竖直延伸穿过所述多个层叠堆叠对的沟槽；和
多个通孔，所述多个通孔延伸穿过所述多个层叠堆叠对，所述多个通孔包括用于促进光到达所述沟槽的所述底部以用于测量所述沟槽的所述特性的构件。
10.根据权利要求9所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中所述光学计量目标用于三维(3D)NAND，所述沟槽是字线狭缝，所述导体层包括钨，并且其中所述沟槽的所述特性包括钨凹陷部竖直轮廓。
11.根据权利要求9所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中用于促进光到达所述沟槽的所述底部的所述构件促进所述光的等离子体共振，所述光的等离子体共振促进所述光到达所述沟槽的所述底部。
12.根据权利要求9所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中所述光学计量目标包括与待测装置相同数量的所述多个层叠堆叠对和沟槽特性，其中待测装置不包括对应于所述光学计量目标中的所述多个通孔的通孔。
13.根据权利要求9所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中所述层叠堆叠对所述光不透明。
14.根据权利要求9所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中所述光学计量目标满足待测装置的所有设计规则。
15.根据权利要求9所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中所述层叠堆叠中的所述多个通孔为所述层叠堆叠提供结构支撑。
16.根据权利要求9所述的包括所述光学计量目标的所述晶圆，其中所述光学计量目标是第一光学计量目标，并且用于促进光到达所述沟槽的所述底部的所述构件是用于促进光到达的第一构件，所述晶圆还包括第二光学计量目标，所述第二光学计量目标包括所述层叠堆叠和第二沟槽以及用于促进光到达所述第二沟槽的底部的第二构件。
17.一种光学计量装置，所述光学计量装置被配置为使用具有待测装置的晶圆上的光学计量目标来测量所述待测装置中的沟槽的特性，所述光学计量目标包括：层叠堆叠，所述层叠堆叠包括多个层叠堆叠对，每个层叠堆叠对包括导体层和绝缘体层，所述层叠堆叠包括延伸穿过所述层叠堆叠的沟槽；和多个通孔，所述多个通孔延伸穿过所述多个层叠堆叠对，其中从通孔到所述沟槽的横向距离促进光到达所述沟槽的底部以用于测量所述沟槽的所述特性，所述光学计量装置包括：
光源，所述光源产生待引导到所述光学计量目标并且与所述光学计量目标相互作用的光，由所述光源产生的所述光的波长长于每个层叠堆叠对中的所述导体层的等离子体激元频率，其中所述光的等离子体共振促进所述光到达所述沟槽的所述底部，其中所述光被引导到所述光学计量目标；
至少一个检测器，所述至少一个检测器接收从所述光学计量目标返回的所述光；
至少一个处理器，所述至少一个处理器耦接到所述至少一个检测器，其中所述至少一个处理器被配置为使用所检测到的光来测量所述沟槽的所述特性。
18.根据权利要求17所述的光学计量装置，其中所述待测装置是三维(3D)NAND，所述沟槽是字线狭缝，所述导体层包括钨，并且其中所述沟槽的所述特性包括钨凹陷部竖直轮廓。
19.根据权利要求17所述的光学计量装置，其中：
由所述光源产生的所述光以多个入射角、多个方位角或它们的组合中的至少一者被引导到所述光学计量装置；并且
所述至少一个处理器被配置为使用所检测到的光基于所述多个入射角、所述多个方位角或它们的组合中的所述一者来测量所述沟槽的所述特性。
20.根据权利要求17所述的光学计量装置，其中所述光学计量目标是第一光学计量目标，并且从所述通孔到所述沟槽的所述横向距离是从第一通孔到第一沟槽的第一横向距离，其中具有所述待测装置的所述晶圆包括第二光学计量目标，所述第二光学计量目标包括所述层叠堆叠以及从第二通孔到第二沟槽的第二横向距离，所述第二横向距离促进光到达所述第二沟槽的底部并且不同于所述第一横向距离，其中：
所述光源产生待引导到所述第二光学计量目标并且与所述第二光学计量目标相互作用的光，所述光源产生波长长于所述第二光学计量目标中的每个层叠堆叠对中的所述导体层的所述等离子体激元频率的光，其中所述光的所述等离子体共振促进所述光到达所述第二沟槽的所述底部；
所述至少一个检测器接收从所述第二光学计量目标返回的所述光；
其中所述至少一个处理器被进一步配置为使用来自所述第二光学计量目标的所检测到的光与来自所述第一光学计量目标的所检测到的光，来确定所述待测装置中的所述沟槽的所述特性。
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