Microsphere-Assisted Spectroscopic Reflectometry (Masr) - Một Công Cụ Để Mô Tả Đặc Tính Kích Thước Nano Trong Các Thiết Bị Bán Dẫn

Giới thiệu

Ngành công nghiệp bán dẫn không ngừng theo đuổi việc thu nhỏ thiết bị, tiếp tục mở rộng giới hạn về vật liệu, kiến trúc và quy trình sản xuất. Tích hợp 3D và thu nhỏ kích thước mạnh mẽ đã nâng cao đáng kể khả năng của các thiết bị bộ nhớ và logic. Tuy nhiên, sự phức tạp gia tăng này cũng đặt ra những thách thức mới cho các kỹ thuật đo lường quang học dựa vào việc giám sát và kiểm soát chế tạo linh kiện bán dẫn.

Các phương pháp quang phổ được thiết lập như phép đo phản xạ và phép đo ellipsometry từ lâu đã được áp dụng rộng rãi để đo kích thước tới hạn (CD-critical dimensions) và cấu trúc 3D của các cấu trúc bán dẫn. Những kỹ thuật quang học này mang lại những ưu điểm hấp dẫn, bao gồm tốc độ đo nhanh, chi phí thấp và thiệt hại mẫu tối thiểu. Tuy nhiên, để bắt kịp với kích thước ngày càng thu hẹp của các đặc trưng thiết bị, các công cụ đo lường này cần giảm đáng kể kích thước điểm chùm tia dò của chúng - lý tưởng nhất là kích thước nhỏ hơn 1/10 kích thước của một ô nhớ DRAM điển hình (khoảng 30x40 μm²). Điều này sẽ cho phép giám sát và kiểm soát CD ở cấp độ phần tử bộ nhớ riêng lẻ, thay vì chỉ trên các vùng khuôn lớn hơn.

Để giải quyết thách thức này, nghiên cứu gần đây đã giới thiệu một hệ thống đo lường quang phổ mới, tận dụng hiệu ứng siêu phân giải của vi cầu. Phương pháp này, được gọi là MASR (Microsphere-Assisted Spectroscopic Reflectometry), đã được chứng minh là thu nhỏ đường kính chùm tia thăm dò xuống khoảng 210 nm trong khi vẫn duy trì tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao - một yêu cầu quan trọng để triển khai thực tế. Thông qua các mô phỏng và thí nghiệm, tính khả thi của kỹ thuật MASR đã được thiết lập, cho thấy nhiều hứa hẹn vượt qua rào cản hiện tại trong việc theo dõi các biến thể kích thước quan trọng ở cấp độ ô nhớ riêng lẻ trong các thiết bị bộ nhớ và logic tiên tiến.

Thiết lập thử nghiệm MASR

Hệ thống MASR sử dụng nguồn sáng băng thông rộng hướng về phía mẫu thông qua một vi cầu. Ánh sáng phản xạ từ các lớp màng mỏng sẽ giao thoa với nhau và được thu bởi một sợi quang, sau đó đưa vào máy quang phổ.

INTINS cung cấp  dòng máy quang phổ kế QEPro phù hợp với kỹ thuật này. QEPro là máy quang phổ cấp khoa học thế hệ tiếp theo với độ nhạy cao và ánh sáng đi lạc thấp, lý tưởng cho một loạt các ứng dụng mức độ ánh sáng yếu. Thiết kế nhiệt nâng cao của nó tăng cường sự ổn định bước sóng quang phổ tuyệt vời và các chức năng trigger của QEPro cung cấp thời gian và đồng bộ hóa chính xác giữa máy quang phổ và các thiết bị khác. Bộ dò phổ CCD lõi FFT-CCD của Hamamatsu được lựa chọn, nổi bật với hiệu suất lượng tử cao (tối đa 90%) và đặc tính etalon thấp. Thiết kế của nó cải thiện đáng kể tỷ lệ signal-to-noise (>1000: 1) và tốc độ xử lý tín hiệu. QEPro có khả năng phát hiện mức độ ánh sáng yếu và thời gian tích hợp dài, từ 8 mili giây đến 15 phút, hầu như không có biến dạng quang phổ.

Hình 1. Máy quang phổ kế QEPro.

INTINS cũng cung cấp các phụ kiện cáp quang và nguồn sáng băng thông rộng HL-2000, bao phủ 360-2400 nm. HL-2000 có quạt tích hợp để ổn định, giá đỡ bộ lọc, một số dòng  có màn trập và bóng đèn có tuổi thọ cao, mở rộng hơn nữa khả năng của hệ thống MASR.

Hình 2. Nguồn sáng HL-2000 và sợi quang.

Phương pháp và kết quả

Hệ thống MASR tận dụng hiệu ứng "nanojet quang tử" của vi cầu để đạt được kích thước điểm giới hạn nhiễu xạ xuống tới 210 nm, trong khi vẫn duy trì tỷ lệ signal-to-noise ở mức chấp nhận được. Điều này cho phép MASR đo kích thước quan trọng và phát hiện các khuyết tật ở các khu vực cực kỳ nhỏ như góc ô nhớ, vốn không thể tiếp cận bằng các hệ thống phổ phản xạ thông thường. Ưu điểm chính của hệ thống MASR là tăng cường SNR cho các phép đo quang phổ. Các quang học phóng đại thông thường gặp phải sự suy giảm SNR do công suất quang học giảm tại đầu dò. Tuy nhiên, hiệu ứng nanojet quang tử của MASR tập trung cả ánh sáng tới và phản xạ, giảm thiểu tổn thất SNR ở độ phóng đại cao. Điều này cho phép phân tích quang phổ có độ phân giải cao mà không cần sự đánh đổi SNR điển hình. Nhìn chung, MASR có tiềm năng đáng kể để giải quyết các thách thức về đo lường và kiểm tra trong chế tạo bán dẫn tiên tiến.

Một trong những ứng dụng thực tế điển hình của MASR trong ngành công nghiệp bán dẫn được khảo sát như sau. Khu vực Sub-word line driver vủa DRAM (SWD), có cấu trúc dưới 200 nm, được chụp ảnh bằng hệ thống MASR. Vùng này, nhỏ hơn giới hạn độ phân giải quang học của kính hiển vi thông thường, được tính toán để có độ phân giải xấp xỉ 280 nm. Tuy nhiên, kỹ thuật MASR đã có thể phân giải rõ ràng các đường 57 nm và 146 nm mà trước đây không thể phát hiện được (Hình 3). Khu vực SWD rất quan trọng để kiểm soát các thông số như độ dày oxit cổng và độ sâu vết lõm, ảnh hưởng đến tính chất điện môi. Các ellipsometer thông thường gặp khó khăn trong việc đo trực tiếp vùng dưới 100 nm này do kích thước điểm quang quá lớn. Ngược lại, hệ thống MASR cho phép chụp ảnh độ phân giải siêu cao và phân tích phổ trong khu vực đặc trưng quan trọng này của DRAM.

Hình 3. Hình ảnh của khu vực SWD trong DRAM được chụp bởi ×100 với 0,9 N.A. và b MASR. c Hình ảnh SEM tương ứng. CD 57 nm được biểu thị bằng mũi tên màu vàng và CD 146 nm được biểu thị bằng mũi tên màu đỏ.

              Hệ thống MASR được sử dụng để đánh giá độ phản xạ quang phổ của khối ô nhớ DRAM, được thể hiện trong Hình 5a. Đo các cạnh và góc của các khối ô nhớ ngày càng quan trọng, nhưng đầy thách thức đối với quang phổ thông thường. các khuyết tật thường xảy ra ở các cạnh ô nhớ trong quá trình chế tạo DRAM, làm cho việc kiểm soát cục bộ trở nên quan trọng. MASR có thể đo độ phản xạ quang phổ không phá hủy ở các khu vực cạnh này, không giống như ellipsometer hoặc máy quang phổ hình ảnh.

Hình 4. Hình ảnh ×20 của mảng tế bào DRAM. b Bản đồ phân tích thành phần chính của phản xạ thu được bởi MASR. Các chấm đỏ (#1 đến #5) đề cập đến vị trí trung tâm của khối ô, trong khi các chấm đen (#6 đến #10) đề cập đến vùng cạnh từ bên ngoài khối ô. c Phản xạ quang phổ cho các vị trí #1 đến #5 và d #6 đến #10 trong b.

Như được mô tả trong Hình 5a, b, độ phản xạ ở trung tâm và cạnh của ô nhớ được MASR so sánh tại năm vị trí. Khoảng cách giữa mỗi vị trí là 0,5 μm, được coi là thích hợp để quan sát sự thay đổi phản xạ trong vùng cạnh, vì các khuyết tật cạnh DRAM thường xảy ra trong vòng 2 μm.

Phản xạ phổ ở trung tâm như thể hiện trong Hình 5c có sự thay đổi nhỏ giữa các vị trí, cho thấy các thay đổi nhỏ về kích thước cấu trúc. Ngược lại, phản xạ ở cạnh như trong Hình 5d thay đổi đáng kể giữa các vị trí, chỉ ra những thay đổi đáng kể trong cấu trúc và sự xuất hiện của các khuyết tật hoặc cấu trúc không hoàn hảo.

Bản đồ phổ nhanh chóng sụp đổ gần vùng cạnh của ô nhớ trong Hình 5b, chứng minh khả năng của hệ thống MASR để theo dõi 2 μm pử vùng cạnh, vốn không thể đo bằng các hệ thống phổ thông thường. Vi cầu siêu phân giải có tiềm năng được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn, đòi hòi yêu cầu đo lường nhiều bước và cấu trúc.

Tổng Kết

              Tóm lại, hệ thống MASR cho phép chụp ảnh siêu phân giải và đặc tính quang phổ của các vị trí quan trọng dưới 200 nm trong khu vực SWD của DRAM. Khu vực này khó đo lường trực tiếp bằng các kỹ thuật thông thường như ellipsometry do kích thước nhỏ của các vị trí và tính chất cục bộ của các cấu trúc. Phương pháp MASR đã vượt qua giới hạn phân giải quang học, phân giải rõ ràng các đường 57 nm và 146 nm trước đây không thể phát hiện. Ngoài ra, hiệu ứng tia nano photonic của hệ thống MASR cũng tăng cường tỷ số tín hiệu trên nhiễu của các phép đo phổ ở độ phóng đại cao, cung cấp một công cụ mạnh mẽ để giám sát các hiệu ứng cạnh và các hiện tượng cục bộ khác trong các thiết bị bán dẫn tiên tiến.