TWI707418B - 用於利用雷射增強電子穿隧效應檢測深度特徵中的缺陷的方法 - Google Patents

用於利用雷射增強電子穿隧效應檢測深度特徵中的缺陷的方法 Download PDF

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Abstract

一種用於基於雷射增強電子穿隧效應來檢測例如溝道孔、過孔孔或溝槽的深度特徵中的缺陷的方法。提供具有位於其上的膜堆疊層的基底。在膜堆疊層中形成第一和第二深度特徵。第一深度特徵具有設置在其底部的犧牲氧化物層。第二深度特徵包括欠蝕刻缺陷。犧牲氧化物層具有低於50埃的厚度。使基底經受雷射增強電子束檢查過程。用電子束對基底進行掃描，並且用雷射光束對基底進行照射。雷射光束誘發跨越犧牲保護層的電子穿隧，由此俘獲對應於第一深度特徵的亮電壓襯度（BVC）信號，並且檢測對應於第二深度特徵的暗電壓襯度（DVC）信號。

Description

用於利用雷射增強電子穿隧效應檢測深度特徵中的缺陷的方法
本發明涉及一種缺陷檢查方法。更具體而言，本發明涉及一種用於基於雷射增強電子穿隧效應檢測深度特徵（例如，溝道孔、過孔孔或縫隙溝槽）中的缺陷的方法。
在半導體元件的製造中，對圖案化基底進行缺陷檢查，進而能夠實現對可接受元件的生產。已經開發出了各種檢查技術來俘獲圖案化基底上的缺陷。一種常見的檢查技術是電子束檢查（E-beam inspection，EBI）。
EBI是透過在形成於基底上的元件的表面圖案之上掃描電子束，並且收集從受到掃描的元件的表面圖案發出的二次電子作為檢查信號而執行的。按照灰度級對所述信號進行處理和表示，以產生受到掃描的元件的表面圖案的圖像。
在3D NAND記憶體製造製程期間，隨著膜堆疊層的層數提高，蝕刻設備的能力變得越來越難以滿足一次完成蝕刻的要求，並且因而已經出現了3D NAND多堆疊層技術。多堆疊層技術需要犧牲層（例如，氧化矽、碳），以在製造上部膜堆疊層時保護下部堆疊層基底。
然而，由於覆蓋下部堆疊層基底而不允許電子透過的犧牲層的存在，常規EBI製程既不能檢測也不能區分下部堆疊層基底的欠蝕刻缺陷。因此，在本行業中非常有必要提供一種改進的缺陷檢查方案，進而能夠實現對下部堆疊層的欠蝕刻缺陷的有效檢測，並且能夠及時監測線上缺陷或問題。
本發明的目的在於提供一種改進的線上缺陷檢查方法，其能夠檢測深度特徵（例如，溝道孔、過孔孔或縫隙溝槽等）中的欠蝕刻缺陷。
根據本發明的一個方面，公開了一種缺陷檢查方法。提供具有位於其上的膜堆疊層的基底。在膜堆疊層中形成第一深度特徵和第二深度特徵。第一深度特徵包括位於其底部的犧牲保護層。第二深度特徵包括欠蝕刻缺陷。使基底經受雷射增強電子束檢查過程。
用電子束對基底進行掃描，並且用雷射光束對基底進行照射。在雷射增強電子束檢查過程期間，雷射光束誘發透過犧牲保護層的電子穿隧，由此俘獲對應於第一深度特徵的亮電壓襯度（bright voltage contrast，BVC）信號，並且檢測對應於第二深度特徵的暗電壓襯度（dark voltage contrast，DVC）信號。
根據一些實施例，犧牲保護層是氧化矽層，並且具有處於5埃和100埃之間的範圍內的厚度。
根據一些實施例，所述基底是半導體基底。
根據一些實施例，第一深度特徵和第二深度特徵是是中空的，進而穿透所述膜堆疊層。
根據一些實施例，所述膜堆疊層包括由交替的介電層（例如，氧化矽、氮化矽、碳化矽、氮氧化矽等）和導體層（例如，摻雜多晶矽、由鎢(W)、鈷(Co)、銅(Cu)等構成的金屬層）構成的多層，或者由交替的介電層（例如，氧化矽、碳化矽等）和閘極線替換犧牲層（例如，氮化矽、氮氧化矽等）構成的多層結構。
根據一些實施例，第一深度特徵包括垂直於基底的主表面延伸的一個端部部分，並且其中，所述端部部分包括矽層以及帽蓋所述磊晶矽層的犧牲保護層。
根據一些實施例，在每一個第一深度特徵和第二深度特徵中，沉積犧牲層（例如，多晶矽、碳等），並且其中，第一深度特徵和第二深度特徵未完全被犧牲層填充，並且在每一個第一深度特徵和第二深度特徵中形成了空隙。
根據一些實施例，犧牲保護層使磊晶矽層與犧牲層絕緣。
根據一些實施例，所述雷射光束具有高於矽的能帶間隙的能量。
根據一些實施例，所述雷射光束具有大約2.0eV的能量。
在閱讀了在各幅附圖中例示的較佳實施例的以下詳細描述之後，本發明的這些和其他目的對於本領域普通技術人員而言無疑將變得顯而易見。
現在將詳細參考本發明的示例性實施例，在附圖中對其給出了例示，以便於理解和實施本發明並實現所述技術效果。應當理解，下文的描述只是以舉例方式做出的，而不對本發明構成限制。本發明的各種實施例和實施例中的各種特徵只要不相互矛盾就可以透過各種方式進行組合和重新安排。在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，對本發明的修改、等價方案或改進都是本領域技術人員可理解的，並且旨在包含在本發明的範圍內。
應當指出，在說明書中提到“一個實施例”、“實施例”、“示例性實施例”、“一些實施例”等指示所述的實施例可以包括特定特徵、結構或特性，但未必各個實施例都包括該特定特徵、結構或特性。此外，這樣的短語未必是指同一實施例。
此外，在聯繫實施例描述特定特徵、結構或特性時，聯繫其他實施例（無論是否明確描述）實現這樣的特徵、結構或特性處於相關領域技術人員的知識範圍內。
一般而言，應當至少部分地從上下文中的使用來理解術語。例如，至少部分地取決於上下文，文中使用的術語“一個或多個”可以用於以單數意義描述任何特徵、結構或特性，或者可以用於以複數意義描述特徵、結構或特性的組合。類似地，還可以將術語“一”或“所述”理解為傳達單數用法或者傳達複數用法，其至少部分地取決於上下文。
應當容易地理解，應當按照最寬的方式解釋本發明中的“在……上”、“在……上方”和“在……之上”，以使“在……上”不僅意味著“直接處於某物上”，還包括在某物“上”且其間具有中間特徵或層的含義，並且“在……上方”或者“在……之上”不僅意味著在某物“上方”或“之上”，還包括在某物“上方”或“之上”且其間沒有中間特徵或層（即，直接在某物上）的含義。
此外，此外，例如“在…下”、“在…下方”、“下部”、“在…上方”、“上部”等空間相對術語在本文中為了描述方便可以用於描述一個元件或特徵與另一個或多個元件或特徵的如圖中所示的關係。空間相對術語旨在涵蓋除了在附圖中所描繪的取向之外的在設備使用或操作步驟中的不同取向。設備可以以另外的方式被定向（旋轉90度或在其它取向），並且本文中使用的空間相對描述詞可以類似地被相應解釋。術語“垂直”是指垂直於半導體基底的表面的方向，並且術語“水平”是指平行於該半導體基底的表面的任何方向。
本發明涉及一種用於基於雷射增強電子穿隧效應來檢測深（高深寬比）溝道孔、過孔孔或溝槽中的缺陷的方法。提供具有位於其上的膜堆疊層的基底。在膜堆疊層中形成第一孔特徵和第二孔特徵。第一孔特徵包括設置在其底部的犧牲氧化物層，並且第二孔特徵包括處於其底部的欠蝕刻缺陷。犧牲氧化物層具有小於50埃的厚度，以使得能夠跨越犧牲氧化物層誘發電子穿隧。使基底經受雷射增強電子束檢查過程。用電子束對基底進行掃描，並且用雷射光束對基底進行照射，其中，雷射光束誘發跨越犧牲保護層的電子穿隧，由此俘獲對應於第一孔特徵的亮電壓襯度（在一些實施例中可能稱為亮電壓對比，bright voltage contrast (BVC)）信號，並且檢測對應於第二孔特徵的暗電壓襯度（在一些實施例中可能稱為暗電壓對比，dark voltage contrast (DVC)）信號。
圖1示出了根據本發明的一個實施例中，利用常規電子束檢查（EBI）方法所做的與製作在基底上的底部膜堆疊層的其上帶有欠蝕刻缺陷的部分相對應的檢查結果的示意性截面圖。如圖1所示，提供基底10。基底10可以是半導體基底。根據一個實施例，例如，基底10可以包括矽基底。根據一些實施例，例如，基底10可以包括絕緣體上矽（SOI）基底、SiGe基底、SiC基底或者磊晶基底，但不限於此。可以在基底10上形成用於製作立體（3D）儲存單元陣列（例如3D NAND快閃記憶體陣列）的膜堆疊層20。
例如，膜堆疊層20可以包括由交替的氧化物層202和氮化物層204構成的多個層。根據一個實施例，例如，氮化物層204可以是犧牲氮化矽層，並且可以在後面的階段中被選擇性地去除。在氮化物層204被選擇性地去除之後，可以沉積導體層來代替氮化物層204，所述導體層可以充當字元線條帶或閘電極。根據一個實施例，例如，硬遮罩層22可以被形成在膜堆疊層20上。根據一個實施例，例如，硬遮罩層22可以包括氧化矽層，但不限於此。
應當理解，基底10可以包括製作於其上的積體電路，例如，用於3D儲存單元陣列的驅動器電路，在附圖中出於簡單起見沒有將其示出。交替的氧化物層202和氮化物層204可以是透過化學氣相沉積（CVD）方法、原子層沉積（ALD）方法或者本領域已知的任何適當方法形成的。
根據一個實施例，例如，在膜堆疊層20中形成多個高深寬比的深度特徵，例如溝道孔。為了簡單起見，在附圖中僅示出了兩個示例性溝道孔30a和溝道孔30b。應當理解，在膜堆疊層20中可以形成溝道孔的陣列。根據一個實施例，例如，溝道孔30a和30b是穿透膜堆疊層20的中空圓柱形深孔。根據一個實施例，例如，溝道孔30a和30b可以是透過使用異向性乾式蝕刻方法（例如，反應離子蝕刻（RIE）方法）形成的，但不限於此。
根據一個實施例，例如，溝道孔30a可以包括至少一個端部部分301，端部部分301可以基本上垂直於基底10的主表面10a延伸。端部部分301可以包括磊晶矽層310以及覆蓋磊晶矽層310的犧牲保護層320。例如，犧牲保護層320可以是具有處於5埃和100埃之間的範圍內的厚度的薄氧化矽層。例如，犧牲保護層320可以具有大約45埃的厚度。
根據一個實施例，在每一個溝道孔30a和30b中，可以沉積犧牲多晶矽層302，其充當用於上部堆疊層溝道孔的蝕刻製程的蝕刻停止層（ESL）。根據一個實施例，由於溝道孔蝕刻可能得到的不完美垂直輪廓的原因，溝道孔30a和30b可能未被犧牲多晶矽層302完全填充，並且可能在溝道孔30a和30b中形成空隙（或縫）303。犧牲保護層320使下面的磊晶矽層310與犧牲多晶矽層302絕緣。根據一個實施例，在沉積了犧牲多晶矽層302之後，可以執行平面化製程（包括但不限於化學機械拋光（CMP）、乾式蝕刻製程或濕式蝕刻製程），以去除溝道孔30a和30b外部的多餘多晶矽層。在這一點上也可以部分地去除並曝露硬遮罩層22的頂表面。
根據一個實施例，例如，示例性溝道孔30b可以具有位於溝道孔30b的底部的欠蝕刻缺陷40。透過執行常規EBI方法獲得的電壓襯度（或稱電壓對比，voltage contract，VC）圖像100a表明，常規EBI工具針對正常的溝道孔30a和異常的欠蝕刻溝道孔30b兩者同時俘獲了暗電壓襯度（DVC）信號。由於犧牲保護層320的存在無法將溝道孔30b底部的欠蝕刻缺陷40與正常溝道孔30a區分開。本發明解決了這一問題。
圖2是示出了根據本發明的一個實施例的示例性EBI系統的示意圖。應當理解，圖2中的配置和元件只是為了達到舉例說明的目的。如圖2所示，示例性EBI系統5可以包括用於形成接受檢查的樣本的電壓襯度圖像的電子束成像設備510。例如，電子束成像設備510可以包括用於在真空環境中生成電子束的電子束發生器511。電子束透過聚光器透鏡模組512和物鏡513，由此形成經聚焦到固定在台515上的樣本514上的會聚電子束5111。會聚電子束5111可以由偏轉模組516來控制，以對樣本514的表面進行掃描。
電子束5111隨同所發射的二次電子5112一起在樣本514的表面處被部分地散射回去，二次電子5112被感測器或檢測器模組517收集。檢測器模組517相應地生成檢測信號5113。耦合至檢測器模組517的圖像形成模組518接收檢測信號5113並相應地形成圖像，例如電壓襯度圖像或灰度級圖像。
根據一個實施例，例如，電子束成像設備510還包括用於將雷射光束521照射到樣本514的表面上的光源520。根據一個實施例，例如，可以提供缺陷判定設備530。缺陷判定設備530可以耦合至電子束成像設備510。缺陷判定設備530可以包括控制模組531和圖像分析模組532。光源520可以耦合至控制模組531，使得在樣本514接受檢查時，從光源520發出的雷射光束521的參數得到很好的控制。雷射光束521可以根據會聚電子束5111的掃描而選擇性地以預定角θ照射到樣本514的表面上。角θ的較佳值可以在從0°到90°的範圍內變動（不包括0°和90°）。例如，可以在會聚電子束5111的掃描之前或者與之同時使雷射光束521選擇性地照射到樣本514的表面上。
根據一個實施例，雷射光束521具有高於矽的能帶間隙Eg（對於單晶Si而言Eg=1.12eV）的能量。根據一個實施例，例如，雷射光束521可以具有大約2.0eV的能量。根據一個實施例，例如，雷射光束521可以包括具有短於600nm的波長的光子，所述光子具有大於矽的能帶間隙能量Eg的能量。本發明提供了一種改進的線上缺陷檢查方法，其能夠基於雷射增強電子穿隧效應來檢測深度特徵（例如，溝道孔、過孔孔或溝槽）中的欠蝕刻缺陷。
還請參考圖3。圖3是示出了根據本發明的一個實施例的利用雷射增強EBI方法所做的與製作於基底上的下部堆疊層的其上帶有欠蝕刻缺陷的部分相對應的檢查結果的示意性截面圖。透過類似的附圖標記表示類似的層、區域或元件。
如圖2和圖3所示，可以在會聚電子束5111的掃描之前或者與之同時使雷射光束521選擇性地照射到樣本514的表面上。雷射光束521沿預定方向傳播，穿透膜堆疊層20，並且之後抵達基底10的表面。雷射光束521提供具有高於樣本514的矽的能帶間隙的能量的光子，由此在矽基底10中產生電子電洞對102，並產生出跨越正常溝道孔30a中的犧牲保護層320的電子穿隧漏電流。透過感生出跨越正常溝道孔30a中的犧牲保護層320的電子穿隧漏電流，能夠透過圖2中的電子束成像設備510檢測出亮電壓襯度（BVC）信號。電子束成像設備510可以將欠蝕刻溝道孔30b檢測為DVC信號，由此形成圖3中所示的可視覺區分的電壓襯度圖像100b。
使用本發明是有利的，因為可以使用EBI檢測來以即時的、線上的方式將異常溝道孔中的欠蝕刻缺陷與正常溝道孔有效地區分開。所公開的實施例基於材料的光電效應和電子的量子穿隧效應。理論計算表明，當絕緣層的厚度小於5nm時，電子的量子穿隧效應是非常明顯的。因此，當犧牲保護層320的厚度約為4.5nm（45埃）時，有EBI檢測信號。雷射具有600nm的波長，並且能夠滿足Si電子激發的能量要求。透過調整雷射光束的角度，Si中的電子吸收光子能量並變成激發電子。大量的電子的存在提高了穿隧電子的數量，進而使EBI能夠區分正常溝道孔和異常溝道孔。
所公開的實施例在不需要去除犧牲氧化物層的情況下提供了有效的EBI線上檢測。所公開的實施例還提供了可提早三個星期俘獲深孔中的欠蝕刻缺陷、高準確度和非破壞性檢查的優點。圖1和圖3中所示的半導體結構僅用於舉例說明目的。應當理解，本發明可以適用於其他EBI缺陷檢查情況，例如，高深寬比接觸孔或溝槽。
本領域的技術人員將容易地發現，在遵循本發明的教導的同時可以對元件和方法做出很多修改和變更。相應地，應當將上文的公開內容視為僅由所附申請專利範圍的劃定範圍來限定。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10:基底 10a:主表面 100a:電壓襯度圖像 100b:電壓襯度圖像 102:電子電洞對 20:膜堆疊層 22:硬遮罩層 202:氧化物層 204:氮化物層 30a:溝道孔 30b:溝道孔 301:端部部分 302:犧牲多晶矽層 303:空隙 310:磊晶矽層 320:犧牲保護層 40:欠蝕刻缺陷 5:EBI系統 510:電子束成像設備 511:電子束發生器 5111:會聚電子束 5112:二次電子 5113:檢測信號 512:聚光器透鏡模組 513:物鏡 514:樣本 515:台 516:偏轉模組 517:檢測器模組 518:圖像形成模組 520:光源 521:雷射光束 530:缺陷判定設備 531:控制模組 532:圖像分析模組 θ:角
被併入本文並形成說明書的部分的附圖例示了本發明的實施例並與說明書一起進一步用以解釋本發明的原理，並使相關領域的技術人員能夠做出和使用本發明。 圖1是示出了根據本發明的一個實施例中，利用常規EBI方法對製作於基底上的下部堆疊層的其上帶有欠蝕刻缺陷的部分的檢查結果的示意性截面圖； 圖2是示出了根據本發明的一個實施例的示例性電子束檢查系統的示意圖； 圖3是示出了根據本發明的一個實施例中，利用雷射增強EBI方法所做的與製作於基底上的下部堆疊層的其上帶有欠蝕刻缺陷的部分相對應的檢查結果的示意性截面圖。 將參考附圖描述本發明的實施例。
10:基底
10a:主表面
100b:電壓襯度圖像
102:電子電洞對
20:膜堆疊層
22:硬遮罩層
202:氧化物層
204:氮化物層
30a:溝道孔
30b:溝道孔
301:端部部分
302:犧牲多晶矽層
310:磊晶矽層
320:犧牲保護層
511:電子束發生器
5111:會聚電子束
520:光源
521:雷射光束

Claims (10)

  1. 一種缺陷檢查方法，包括： 提供一基底，該基底包含位於其上的一膜堆疊層、處於所述膜堆疊層中的一第一深度特徵、以及處於所述膜堆疊層中的一第二深度特徵，其中，所述第一深度特徵包括設置在該基底底部的一犧牲保護層，並且所述第二深度特徵包括設置在該基底底部的一欠蝕刻缺陷；以及 使所述基底經受一雷射增強電子束檢查過程，其中，用一電子束對所述基底進行掃描，並且用一雷射光束對所述基底進行照射，其中，在所述雷射增強電子束檢查過程期間，所述雷射光束誘發跨越所述犧牲保護層的電子穿隧，由此俘獲對應於所述第一深度特徵的一亮電壓襯度（BVC）信號，並且檢測對應於所述第二深度特徵的一暗電壓襯度（DVC）信號。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的缺陷檢查方法，其中，所述犧牲保護層是一氧化矽層，並且具有處於5埃和100埃之間的範圍內的一厚度。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的缺陷檢查方法，其中，所述基底是一半導體基底。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的缺陷檢查方法，其中，所述第一深度特徵和所述第二深度特徵是穿透所述膜堆疊層的一中空孔。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的缺陷檢查方法，其中，所述膜堆疊層包括由交替的多個介電層和多個導電層構成的一多層結構，或者由交替的堆個介電層和多個金屬閘極線替換多個犧牲層構成的一多層結構。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的缺陷檢查方法，其中，所述第一深度特徵包括垂直於所述基底的一主表面延伸的一個端部部分，並且其中，所述端部部分包括一磊晶矽層，以及覆蓋所述磊晶矽層的所述犧牲保護層。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述的缺陷檢查方法，其中，在每一個所述第一深度特徵和每一個所述第二深度特徵中，沉積一犧牲層，並且其中所述第一深度特徵和所述第二深度特徵未完全被所述犧牲層填充，並且在每一個所述第一深度特徵和每一個所述第二深度特徵中形成了空隙。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述的缺陷檢查方法，其中，所述犧牲保護層使所述磊晶矽層與所述犧牲層絕緣。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述的缺陷檢查方法，其中，所述雷射光束具有高於矽的能帶間隙的能量。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述的缺陷檢查方法，其中，所述雷射光束具有大約2.0eV的能量。
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