TWI723371B - 微型探測器及缺陷量測方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種微型探測器，其包含一基板、一鰭狀結構、一浮動閘極、一感測閘極、一讀取閘極以及一天線層。鰭狀結構位於基板上。浮動閘極位於基板上，浮動閘極與鰭狀結構彼此垂直交叉。感測閘極位於鰭狀結構之一側。讀取閘極形成於鰭狀結構之另一側。天線層連接感測閘極，其位於感測閘極上方。天線層接觸一外部能量源後產生一引致電荷，透過一耦合效應將引致電荷儲存於浮動閘極內。藉此，可透過計算引致電荷推估晶圓製程中之缺陷分布。

Description

微型探測器及缺陷量測方法
本發明係關於一種微型探測器及應用此微型探測器之缺陷量測方法；更特別言之，透過量測此微型探測器之電性特性，得以即時檢測一半導體器件於晶圓製造過程中所產生之缺陷者。
現代電子器件已逐漸朝向尺寸緊湊、高功效方面發展。多半電子器件係由半導體構成，於半導體製造過程中，微影(Photolithography)技術為決定關鍵尺寸(CD，Critical Dimension)之重要步驟。目前使用的ArF浸潤式準分子雷射光微影技術，不易達到20nm以下之精密尺寸。因此，隨著製程微縮，極紫外線(EUV，Extreme Ultraviolet)微影技術已成為目前重要的發展趨勢之一。
EUV光源主要由高溫、高密度的電漿中激發取得。電漿產生的高能光線經聚光鏡聚光，穿過中間焦點(IF,Intermediate Focus)，經照明光學系統整形後，照亮反射型光罩(Reflective mask)，光罩反射後的EUV光線，經投影光學系統成像於光阻，並形成所需圖樣(Pattern)。
目前已有多家晶圓製造廠投入了大量的研究資源於EUV微影系統上。然而，在EUV微影系統中，仍存在有例如缺乏光源能、光阻抗塗佈均勻度以及偵測系統等問題。其中，EUV微影技術遭受閃焰效應(Flare Effect)、散射光(Scattered light)效果的影響，加上其光學原理基本上是經由多個反射投影光學系統的反光鏡，導致關鍵尺寸的失真和均勻性的損失問題更為嚴重。
EUV的閃焰效應主要是不希望產生的散射光與表面粗糙所造成，影響圖樣製程後所呈現之關鍵尺寸(Critical Dimension)。因此，許多利用光學觀測之方法已被發展。
一種偵測EUV的繞射(Diffraction)與閃焰效應的方法，係設置一相干EUV散射測量顯微鏡(CSM，Coherent EUV Scattering Microscopy)系統，此系統中的EUV感光耦合元件偵測器(CCD Detector，Charge-Coupled Device Detector)可以偵測並成像EUV光罩之繞射圖案。藉由觀察繞射圖像之缺陷信號(Defect Signal)可反應EUV繞射與閃焰效應之程度。
另一種方法，係設計一光罩(Layout mask)，用以定義連接點(Contact)與金屬線(Metal line)之間的垂直位移與水平位移位置。當圖樣(Pattern)完成後，透過掃瞄式電子顯微鏡(CD-SEM，Critical Dimension Scanning Electron Microscope)計量學量測圖樣之位移程度。藉由觀察圖樣之位移量可反應EUV的閃焰效應。
然而，上述方法所需之設備，往往過於複雜，且基於其原理，無法即時並準確地得到缺陷量測結果。
本發明揭示一種微型探測器及缺陷量測方法，其係可透過量測電性特性，計算因外部能量源所引致之引致電荷分布，進而可回推因外部能量源所導致之缺陷。
依據本發明一實施方式，提供一種微型探測器，其包含一基板、一鰭狀結構、一浮動閘極、一感測閘極、一讀取閘極以及一天線層。鰭狀結構位於基板上。浮動閘極位於基板上，且浮動閘極與鰭狀結構彼此垂直交叉。感測閘極位於鰭狀結構之一側。讀取閘極位於鰭狀結構之另一側。天線層連接感測閘極，其位於感測閘極上方。天線層接觸一外部能量源後產生一引致電荷，透過一耦合效應將引致電荷儲存於浮動閘極內。
依據上述實施方式的微型探測器中，更包含一淺溝槽隔離層。淺溝槽隔離層位於基板上，且鰭狀結構穿設於淺溝槽隔離層。
依據上述實施方式的微型探測器中，更包含一連接點，其中天線層透過連接點連接感測閘極。
依據上述實施方式的微型探測器中，連接點可呈平板狀、多顆柱狀或點狀。
依據上述實施方式的微型探測器中，天線層可呈平板狀、柵狀或指叉狀。
依據上述實施方式的微型探測器中，天線層之材質可為一金屬。
依據上述實施方式的微型探測器中，天線層之材質可為一受光反應材質。
依據上述實施方式的微型探測器中，天線層之厚度可為500Å-12000Å。
依據本發明另一實施方式，提供一種缺陷量測方法，其係應用於至少一微型探測器。微型探測器包含一基板、位於基板上之一浮動閘極以及與浮動閘極耦合之一耦合結構。缺陷量測方法包含：以一外部能量源接觸耦合結構產生一引致電荷；透過耦合結構產生一耦合效應，將引致電荷儲存於浮動閘極內；對微型探測器進行一電性量測，取得微型探測器之一截止電壓；將截止電壓與一標準截止電壓進行比對，取得一截止電壓偏移值；利用截止電壓偏移值計算對應引致電荷之一電荷值。
依據上述實施方式的缺陷量測方法中，外部能量源可為一電磁波、一電子束、一電漿或一離子束。
依據上述實施方式的缺陷量測方法中，電磁波可包含一極紫外光、一深紫外光、一紫外光、一可見光或一紅外線光。
依據上述實施方式的缺陷量測方法中，微型探測器可包含一平面型電晶體結構或一鰭式電晶體結構。
依據上述實施方式的缺陷量測方法中，更包含將耦合結構區隔成一電荷收集區以及一訊號讀取區。
依據上述實施方式的缺陷量測方法中，更包含形成一感測閘極於電荷收集區內；以及形成一讀取閘極於訊號讀取區內。
依據上述實施方式的缺陷量測方法中，更包含將感測閘極連接一天線層。
依據上述實施方式的缺陷量測方法中，引致電荷之電荷值QFG可表示為：QFG=CT×△VT×CRREAD，其中CT為浮動閘極之總電容、△VT為截止電壓偏移值、CRREAD為讀取閘極之耦合比例。
依據上述實施方式的缺陷量測方法中，其中當缺陷量測方法應用於複數微型探測器時，此些微型探測器排列形成一微型探測器陣列。
依據上述實施方式的缺陷量測方法中，此些微型探測器可構成一NAND記憶體晶片架構或一NOR記憶體晶片架構。
100:微型探測器
110:基板
120:鰭狀結構
120a:源極
190a:電荷收集區
190b:訊號讀取區
200:光學元件
QFG:引致電荷之電荷值
120b:汲極
130:浮動閘極
140:感測閘極
150:讀取閘極
160:天線層
170:淺溝槽隔離層
180:連接點
△VT:截止電壓偏移值
VRG:透過讀取閘極量測之電壓值
L:EUV光源
CR:耦合比例
VAG:透過感測閘極量測之電壓值
LAG:感測閘極長度
第1圖係繪示依據本發明一實施例之微型探測器之結構示意圖；第2圖係繪示據本發明另一實施例之微型探測器之結構示意圖；第3圖係繪示第2圖實施例之微型探測器之上視圖；第4圖係繪示引致電流對應截止電壓偏移值之關係圖； 第5圖係繪示耦合比例隨感測閘極長度變化之關係圖；第6A圖、第6B圖及第6C圖係繪示第2圖實施例之微型探測器之天線層之多種結構示意圖；第7圖係繪示本發明又一實施例之形成微型探測器陣列之結構示意圖；第8圖係繪示第7圖實施例中之微型探測器陣列之一應用例示意圖；第9A圖及第9B圖係繪示極紫外線不同之閃焰效應程度之示意圖；第10A圖、第10B圖、第10C圖、第10D圖以及第10E圖係繪示引致電荷於電漿微影過程中隨不同天線層層數之變化圖；第11圖係繪示本發明一實施例中，以微型探測器構成NOR記憶體晶片架構之示意圖；以及第12圖係繪示本發明一實施例中，以微型探測器構成NAND記憶體晶片架構之示意圖。
以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，這些實務上的細節不應該用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將 以簡單示意的方式繪示之；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示之。
第1圖係繪示依據本發明一實施例之微型探測器100之結構示意圖；第2圖係繪示據本發明另一實施例之微型探測器100之結構示意圖。
微型探測器100包含一基板110、一鰭狀結構120、一浮動閘極130、一感測閘極140、一讀取閘極150以及一天線層160。基本之配置關係，鰭狀結構120位於基板110上。浮動閘極130亦位於基板110上，並與鰭狀結構120彼此垂直交叉。感測閘極140位於鰭狀結構120之一側。讀取閘極150位於鰭狀結構120之另一側。天線層160連接感測閘極140，並位於感測閘極140上方。天線層160可於接觸一外部能量源後產生一引致電荷，並透過一耦合效應將引致電荷儲存於浮動閘極130內。
於一實施例，微型探測器100可更包含一淺溝槽隔離層170。淺溝槽隔離層170位於基板110上，且鰭狀結構120穿設於淺溝槽隔離層170。更明確地說，鰭狀結構120係由基板110向上延伸而穿設於淺溝槽隔離層170。感測閘極140及讀取閘極150分別為鰭狀結構120區隔而位於鰭狀結構120之二相對側。另需提及，使用此淺溝槽隔離層170為降低漏電之用，不使用此淺溝槽隔離層170而改為由基板110上先形成一SOI(絕緣層上矽)層，再於此SOI層上形成鰭狀結構120亦為可能之另一種結構。當然，亦不排除其餘可能使用之對等結構。
微型探測器100可更包含一連接點180。天線層160係透過連接點180連接感測閘極140。連接點180可呈平板狀、多顆柱狀或點狀。天線層則160可呈平板(Plate)狀、柵狀(Palisade)或指叉狀(Fork)。天線層160材質可為金屬或受光反應材質，其厚度可為500Å-12000Å。不同形狀的蝕刻比不同，不同厚度的微影蝕刻的時間不同，所造成感測的效果亦不同。
基板110之材質可為任何適當的半導體材料，例如矽、鍺、碳或其它II-VI族或III-V族半導體化合物及類似者。
鰭狀結構120可通過直接由基板110磊晶並經過蝕刻而形成。例如可使用微影製程與選擇性蝕刻製程搭配，以形成高的寬高比(Aspect ratio)之鰭狀結構120。微影製程可使用例如光微影、極紫外線(EUV)微影或X射線微影等。
鰭狀結構120一般具有小至數十奈米的窄寬度。可以理解的是，鰭狀結構120可透過適當的摻雜，以便界定對應的汲極(Drain)與源極(Source)。換言之，本發明中之微型探測器100，係應用鰭式電晶體(FinFET)之技術。
第2圖實施例中之微型探測器100，其結構與第1圖實施例中之微型探測器100類似，包含鰭狀結構120、浮動閘極130、感測閘極140、讀取閘極150、天線層160、淺溝槽隔離層170以及連接點180。差異在於，第2圖實施例之 微型探測器100中，連接點180可延伸連接於感測閘極140及讀取閘極150之上。
請續參照第3圖，其係繪示第2圖實施例之微型探測器100之上視圖。由第3圖實施例可知，本發明之微型探測器100於鰭狀結構120二端分別形成一源極120a以及一汲極120b。因此，係基於鰭式電晶體(FinFET)結構而形成。於可能實施例中，利用平面型電晶體(Planar FET)結構亦可形成本發明之微型探測器100結構。因此，由第3圖實施例中，感測閘極140及讀取閘極150可視為一耦合結構，且可以大致區分為一電荷收集區190a以及一訊號讀取區190b。感測閘極140位於電荷收集區190a內，而讀取閘極150位於訊號讀取區190b內。
以下續說明上述微型探測器100之運作機制。於一用途中，本發明的微型探測器100，係用於偵測半導體器件於晶圓製造過程中所產生之缺陷。此缺陷，係指本導體器件電性上之缺失，可能是於電漿蝕刻過程中所產生之引致電荷所導致，亦可能是EUV(極紫外線)微影過程中所產生之閃焰效應所產生之引致電荷。首先，此引致電荷為天線層160所吸收，透過耦合結構聚積於感測閘極140上，因此引致一高電位差產生於浮動閘極130及基板110間，因此透過一電子穿隧效應，令引致電荷累積於浮動閘極130。接續，於第3圖實施例中，電荷收集區190a以及訊號讀取區190b可視為各自包含一電晶體結構。因此，於訊號讀取區190b，讀取閘極150可用以讀出訊號。感測閘極140則連接天線層160， 且其電壓透過連接點180而與浮動閘極130耦合。因此，可透過讀取閘極150進行電性量測，取得電晶體結構之I-V曲線。而由I-V曲線，可取得截止電壓(Threshold voltage)，再以此截止電壓反推引致電荷之值。藉此，本發明提供一缺陷量測方法，其係包含：以一外部能量源接觸耦合結構產生一引致電荷；透過耦合結構產生一耦合效應，將引致電荷儲存於浮動閘極130內；對微型探測器100進行一電性量測，取得微型探測器100之一截止電壓；將截止電壓與一標準截止電壓進行比對，取得一截止電壓偏移值；利用截止電壓偏移值計算對應引致電荷之一電荷值。藉此，可利用電荷值推估外部能量源於一晶片於製造過程中所形成之缺陷。其中，引致電荷之電荷值QFG可表示為：QFG=CT×△VT×CRREAD，其中CT為浮動閘極之總電容、△VT為截止電壓偏移值、CRREAD為讀取閘極之耦合比例。上述之外部能量源，可為一電磁波、一電子束、一電漿或一離子束。電磁波可包含一極紫外光、一深紫外光、一紫外光、一可見光或一紅外線光。亦即，可與天線層160接觸反應，而產生引致電荷者，即可應用本發明之微型探測器100進行缺陷量測。
請續參照第4圖，其係繪示引致電流對應截止電壓偏移值△VT之關係圖，VRG表示透過讀取閘極150量測之電壓值。由第4圖中，可看出引致電荷的產生，確實可導致截止電壓偏移。並且，引致電荷之電荷值QFG可以為正或負，而對應之截止電壓偏移值△VT，亦可為正或負。
請續參照第5圖，其係繪示耦合比例CR隨感測閘極長度LAG變化之關係圖，VAG表示透過感測閘極140量測之電壓值。由第5圖中，可看出當感測閘極長度LAG增加1.6倍時，耦合比例CR增加7%。換言之，藉由控制感測閘極長度LAG，即可控制耦合比例CR。
請參照第6A圖、第6B圖及第6C圖。第6A圖、第6B圖及第6C圖係繪示第2圖實施例之微型探測器100之天線層160之多種結構示意圖。第6A圖中，天線層160呈平板(Plate)狀；第6B圖中，天線層160呈柵狀(Palisade)；第6C圖中，天線層160呈指叉狀(Fork)。不同的天線層160形狀可獲致與外部能量源不同之耦合效應。天線層160之材質可為金屬或受光反應材質(例如：Ge、InGaAs、Gap、Silicon等)。
請續參照第7圖。第7圖係繪示本發明又一實施例之微型探測器100陣列之結構示意圖。本發明之微型探測器100，可以排列形成微型探測器100陣列。藉此，可提供對應於整片晶圓製程中，缺陷之分布狀況。
請續參照第8圖。第8圖係繪示第7圖實施例中之微型探測器100陣列之一應用例示意圖。微型探測器100陣列將於7奈米級先進製程中實現，並於EUV微影系統中進行偵測與測試。EUV光源L係透過多個光學元件200照射到晶圓上，以便與光阻反應形成所需圖樣，並配合如磊晶、蝕刻等製程，形成所需之半導體器件結構。微型探測器100陣列可以於晶圓製造過程中儲存EUV之電荷，並於中間金屬層(Inter-metal)測量電性，即可取得對應各層製程過程中之EUV 閃焰效應偵測結果。藉此，可提升EUV微影系統可靠度，亦可提供EUV微影系統之優化指標。
請續參照第9A圖及第9B圖。第9A圖及第9B圖係繪示極紫外線不同之閃焰效應程度之示意圖。習知已有研究分析閃焰效應與截止電壓之關係。第9A圖中，閃焰效應較嚴重，則截止電壓(VT)分佈高低差明顯(中間高，四周低)。反之，第9B圖中，閃焰效應情形較和緩，則截止電壓(VT)分佈數值較小且平緩。藉此結果，透過本發明之微型探測器100及類似於前述實施例所揭示之缺陷量測方法。所測得之電性曲線可取得截止電壓，由公式計算可得浮動閘極內的電荷。可利用此電荷進一步計算對應之穿隧電流密度與氧化層電場，並除以天線層160之耦合比例，計算出極紫外線所導致之電壓，再藉由材料光電效應之量子效率(Quantum Efficiency)，即可得知對應之極紫外線強度。藉此，可推得極紫外線引致之閃焰效應程度，可據以降低閃焰效應的發生。
請續參照第10A圖至第10E圖。第10A圖、第10B圖、第10C圖、第10D圖以及第10E圖係繪示引致電荷於電漿微影過程中隨不同天線層160層數之變化圖。本發明中，可透過量測所得之截止電壓(VT)分佈，進一步分析晶圓上的引致電荷之電荷值(QFG)分佈。天線層160端之電壓較大，則截止電壓(VT)絕對值數值較大；反之，天線層160之電壓較小，則截止電壓(VT)絕對值數值較小。引致電荷分佈情形可由天線層160製程參數不同而變化。由第10A圖、第10B圖、第10C圖、第10D圖及第10E圖中，天線層160數量分別為1層、2層、3層、4層及5層，藉此，可導致引致電荷之同心圓與電荷值高低分佈。
請續參照第11圖及第12圖。第11圖係繪示本發明一實施例中，以微型探測器100構成NOR記憶體晶片架構之示意圖。第12圖係繪示本發明一實施例中，以微型探測器100構成NAND記憶體晶片架構之示意圖。本發明之微型探測器100可提供NAND或NOR記憶體晶片架構。在NOR記憶體晶片架構中，個別微型探測器100所構成之記憶胞，以並聯方式連接，使裝置能夠達到隨機存取的目的，其字元線、位元線及源極線配置如第11圖所示。NOR記憶體晶片架構係提供低密度、高速讀取之應用。另一方面，於NAND記憶體晶片架構中，個別微型探測器100所構成之記憶胞以並聯方式連接，以達成更小的胞元尺寸，使整體記憶體晶片尺寸更小，且每個位元的成本更低，其字元線、位元線及源極線配置如第12圖所示。於習知NAND或NOR記憶體晶片架構中，其字元線(Word line)係直接連接於閘極，本發明中，微型探測器100之字元線則連接於讀取閘極150上以耦合方式進行感測。此外，習知NAND或NOR記憶體晶片架構中，並無類似本發明之微型探測器100中，於鰭狀結構120兩側分別有感測閘極140及讀取閘極150。因此，以本發明之微型探測器100，具有即時偵測製程中缺陷之功能，具更廣之應用範圍。
根據上述，本發明之極微型探測器100陣列可以藉由電性量測偵測EUV過程中所產生的電荷，以電性量測取代CCD成像後觀測或SEM顯微鏡觀測圖樣位置。由於量測簡易，可以應用產線製程中線上晶圓接受度測試(WAT，Wafer Acceptance Test)系統檢測，提供晶圓廠出貨至下一流程的依據。此外，微型探測器100陣列於EUV微影製程中所儲存之電荷，經由電性量測除了可以提供閃焰效應之區域分布，亦可提供閃焰效應之定量分析，可成為改善EUV微影系統可靠度指標之一。再者，透過光罩Layout設計，提供後段製程(BEOL，Back End Of Line)多層金屬層之閃焰效應，並於於晶圓製造過程中間金屬層(Inter-metal)測量電性，可以即時瞭解各層製程過程中之EUV閃焰效應，提升EUV系統之可靠度及優化指標。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧微型探測器
110‧‧‧基板
120‧‧‧鰭狀結構
130‧‧‧浮動閘極
140‧‧‧感測閘極
150‧‧‧讀取閘極
160‧‧‧天線層
170‧‧‧淺溝槽隔離層
180‧‧‧連接點

Claims (17)

  1. 一種微型探測器，包含：一基板；一鰭狀結構，位於該基板上；一浮動閘極，位於該基板上，該浮動閘極與該鰭狀結構彼此垂直交叉；一感測閘極，位於該鰭狀結構之一側；一讀取閘極，位於該鰭狀結構之另一側；以及一天線層，連接該感測閘極，該天線層位於該感測閘極上方；其中該天線層接觸一外部能量源後產生一引致電荷，透過一耦合效應將該引致電荷儲存於該浮動閘極內，該感測閘極以及該讀取閘極形成一耦合結構，該耦合結構與該浮動閘極耦合，且該耦合結構區隔成一電荷收集區以及一訊號讀取區。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的微型探測器，更包含一淺溝槽隔離層，其中該淺溝槽隔離層形成於該基板上，且該鰭狀結構穿設於該淺溝槽隔離層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的微型探測器，更包含一連接點，其中該天線層透過該連接點連接該感測閘極。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的微型探測器，其中該連接點呈平板狀、多顆柱狀或點狀。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的微型探測器，其中該天線層呈平板狀、柵狀或指叉狀。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的微型探測器，其中該天線層之材質為一金屬。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的微型探測器，其中該天線層之材質為一受光反應材質。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的微型探測器，其中該天線層之厚度為500Å-12000Å。
  9. 一種缺陷量測方法，其係應用於至少一微型探測器，該微型探測器包含一基板、位於該基板上之一浮動閘極以及與該浮動閘極耦合之一耦合結構，該缺陷量測方法包含：以一外部能量源接觸該耦合結構產生一引致電荷；透過該耦合結構產生一耦合效應，將該引致電荷儲存於該浮動閘極內； 將該耦合結構區隔成一電荷收集區以及一訊號讀取區；對該微型探測器進行一電性量測，取得該微型探測器之一截止電壓；將該截止電壓與一標準截止電壓進行比對，取得一截止電壓偏移值；以及利用該截止電壓偏移值計算對應該引致電荷之一電荷值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的缺陷量測方法，其中該外部能量源為一電磁波、一電子束、一電漿或一離子束。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的缺陷量測方法，其中該電磁波包含一極紫外光、一紫外光、一深紫外光、一可見光或一紅外線光。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的缺陷量測方法，其中該微型探測器包含一平面型電晶體結構或一鰭式電晶體結構。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的缺陷量測方法，更包含： 形成一感測閘極於該電荷收集區內；以及形成一讀取閘極於該訊號讀取區內。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的缺陷量測方法，更包含：將該感測閘極連接一天線層。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的缺陷量測方法，其中該引致電荷之該電荷值QFG為：QFG=CT×△VT×CRREAD，其中CT為該浮動閘極之總電容、△VT為該截止電壓偏移值、CRREAD為該讀取閘極之耦合比例。
  16. 如申請專利範圍第9項所述的缺陷量測方法，其中當該缺陷量測方法應用於複數該微型探測器時，該些微型探測器排列形成一微型探測器陣列。
  17. 如申請專利範圍第9項所述的缺陷量測方法，其中該些微型探測器構成一NAND記憶體晶片架構或一NOR記憶體晶片架構。
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