薄膜階梯覆蓋率和加載效應的測量方法
2023-04-26 13:32:11 1
專利名稱：薄膜階梯覆蓋率和加載效應的測量方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造技術領域，特別涉及一種介質層階梯覆蓋率和加 載效應的測量方法。
背景技術：
隨著半導體工業的進步，半導體器件的密集程度不斷提高，電路功能越 來越複雜，半導體器件中介質膜的數量和種類顯著增加。介質薄膜的質量， 例如厚度均勻性和階梯覆蓋能力逐漸成為影響器件性能的關鍵。在眾多的介
質膜澱積技術中，化學氣相澱積(CVD)技術被廣泛地應用。大多數的介質 膜是採用CVD工藝澱積而成的。CVD工藝是將含有介質膜所需的原子或分子 的化學物質在反應室內混合併在氣態下發生反應，其原子和分子澱積在晶圓 表面聚集形成薄膜。
在半導體器件的製造中廣泛使用氧化矽(Si02)和氮化矽(SIN)作為絕
緣介質薄膜。例如，圖1中，在半導體襯底100的表面形成柵極110之後，在柵 極表面需澱積氧化矽層120和氮化矽層130，然後刻蝕形成側牆(sidewall spacer)。介質層必須滿足一般參數和特殊參數的要求，例如前面提及的厚度 均勻性和階梯覆蓋率。利用CVD工藝在柵極表面澱積介質層時可以通過控制 溫度、壓力、反應物氣體流量和射頻功率等參數來控制熱和等離子CVD工藝 的反應速率，如申請號為02814855.X的中國專利申請文件中所描述的。然而 受工藝條件本身的影響，介質層在柵極頂面和側面的厚度通常是不同的，柵 極表面的介質層的厚度均勻性存在差異，這直接影響階梯覆蓋率指標。在晶 片表面澱積的介質層覆蓋晶片的大部分區域，這些區域中既包括器件十分密 集的區域，也就是器件密度較高的區域(以下簡稱密集區)；又包括器件比 較稀疏、亦即器件密度較低的區域(以下簡稱非密集區)。圖2為說明半導體 器件柵極間距的示意圖，如圖2所示，在器件密度較高的區域中，柵極110之 間的間距非常微小。在同樣的澱積條件下，由於加載效應(loading effect)的 影響，器件密集區和非密集區澱積的介質層的厚度也示不同的，通常利用密 集區和非密集區的介質薄膜的厚度差來表徵加載效應。
階梯覆蓋率和加載效應是衡量薄膜介質層的兩個非常重要的指標，這兩 個指標的獲得都需要準確測量薄膜的厚度。以往為了獲得階梯覆蓋率和加載
效應信息通常通過橫界面(掃描電於顯微鏡)SEM、透射電鏡(TEM)和聚 焦離子束(FIB)等方法得到。但是，這些方法都具有破壞性，需要對晶片進 行切片，然後利用電子掃描顯微設備測量薄膜的厚度，而且速度很慢，樣品 分析周期長，增加了生產成本。
發明內容
本發明的目的在於提供一種薄膜階梯覆蓋率和加載效應的測量方法，能 夠以不破壞晶片的方式測量薄膜介質層的階梯覆蓋率和加載效應。
為達到上述目的，本發明提供了一種薄膜階梯覆蓋率和加載效應的測量 方法，包括
提供一半導體襯底；
在所述襯底表面形成測試區域；
在所述測試區域表面澱積電介質薄膜；
利用光學特徵尺寸測量方法測量所述薄膜的厚度；
利用所述厚度計算薄膜階梯覆蓋率和加載效應。
所述測試區i或包括凸稜密集區和凸稜非密集區。
所述凸稜等間隔周期性排列。
所述凸稜為^f冊極。
在所述密集區中，所述柵極的寬度與所述柵極之間的寬度的比值為1: 1 至1: 4。
在所述非密集區中，所述柵極的寬度與所述柵極之間的寬度的比值為1: 4至1: 10。
所述厚度包括覆蓋所述柵極側壁的薄膜的厚度和覆蓋所述柵極之間的薄 膜的厚度。
所述階梯覆蓋率等於覆蓋所述柵極側壁的薄膜的厚度與覆蓋所述柵極之 間的薄膜的厚度的比值。
所述加載效應包括線加載效應和間加載效應。
所述線加載效應等於(非密集區柵極側壁薄膜的厚度-密集區柵極側壁薄 膜的厚度)/非密集區柵極側壁薄膜的厚度；
所述間加載效應等於(非密集區柵極之間薄膜的厚度-密集區柵極之間薄 膜的厚度)/非密集區柵極之間薄膜的厚度。
相應地本發明提供了 一種用於形成上述測試區域的掩膜圖形，所述掩膜 圖形包括條狀圖形，所述條狀圖形等間隔排列。
所述掩膜圖形包括條狀圖形的密集區和非密集區。
所述密集區中，條狀圖形的寬度與條狀圖形之間的寬度的比值為1: l至 1: 4。
在所述非密集區中，條狀圖形的寬度與條狀圖形之間的寬度的比值為1: 4至1: 10。
與現有技術相比，本發明具有以下優點
本發明的薄膜階梯覆蓋率和加載效應的測量方法利用掩膜圖形在襯底表 面形成測試區域；然後在所述測試區域表面澱積電介質薄膜；利用光學特徵 尺寸測量方法測量所述薄膜的厚度；再利用所述厚度值計算薄膜階梯覆蓋率 和加載效應。本發明的方法利用光學特徵尺寸測量(Optical CD, OCD)技術， 該技術利用CD柵格結構形成的衍射光和對膜厚、CD大小以及剖面結構進行 測量，能夠以非破壞性的方式得到薄膜階梯覆蓋率和加載效應，降低了製造 成本，提高了生產效率。
通過附圖中所示的本發明的優選實施例的更具體說明，本發明的上述及 其它目的、特徵和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同 的部分。並未刻意按比例繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。在附圖中，
為清楚明了，放大了層和區域的厚度。
圖i為半導體器件柵極結構剖面示意圖2為說明半導體器件柵極間距的示意圖3為柵極表面覆蓋薄膜的器件剖面示意圖4為本發明方法中形成的測試區域示意圖5為在圖4所示測試區域表面澱積電介質薄膜後的局部示意圖6為本發明的用於形成測試區域的掩膜圖形示意圖7為說明利用本發明方法進行多層薄膜厚度測量的器件剖面示意圖。
具體實施方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖 對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。
在下面的描述中闡述了具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能 夠以很多不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背 本發明內涵的情況下做類似推廣。因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。
TEM斷面技術已用得比較普遍，器件製造者越來越多地避免用斷面SEM 技術，而是用斷面TEM來得到所需要的解析度和精確度，但TEM是昂貴並 且耗費勞力的。在65納米以及更先進的技術中，通孔、隔離溝槽和接觸孔等 變得更加微細和複雜，需要對其形狀和尺寸進行二維和多方位的測量。結果 必須要關注在特徵點附近的總體表現。這就要求高解析度的斷面尺寸測試設 備。並且，由於測量要求在器件而不是測試結構上進行，這就要求測量技術 是非破壞性的。在更高的電壓和劑量下，SEM提供了更好的解析度，但這也 破壞了它所測量的器件，特別是當在晶圓上測多個點時，這是我們所不願看 到的。
在65納米和45納米技術節點，為了支持性能上的需求和得到更高的封 裝密度，新材料和新結構的引入促進了這種轉變，比如優化柵極的鰭狀場效 應電晶體(finFET)器件。剖面的測量需求變得越來越複雜，傳統的測量技術不 再勝任。半導體製造新技術的出現要求工藝過程能夠達到更加嚴格的工藝控 制水平。這些新技術需要解決的問題包括越來越薄的薄膜和多層薄膜堆疊結 構厚度的測量。光學CD測量(Optical CD, OCD )是一種相對較新的整合測 量形式，應用於生產過程中的先進工藝控制(APC)。該技術利用CD柵格結 構形成的衍射光對膜厚、CD大小以及剖面結構進行測量，而且這種測量技術 是非破壞性的。
圖3為柵極表面覆蓋薄膜的器件剖面示意圖。如圖3所示，在半導體襯 底100表面形成柵極氧化層和多晶矽層後，利用光刻工藝形成掩膜刻蝕上述 多晶矽層和柵極氧化層後形成柵極110。然後利用CVD (化學氣相澱積)工 藝澱積電介質薄膜140。在晶片表面分布著眾多的器件，在有源區(AA)器 件的密度比較密集，我們稱之為密集區(Dense);而在AA之間或晶片邊緣
區域器件的密度比較低，我們稱之為非密集區(Iso)。在Dense區域，柵極 110的密度較高，在Iso區域柵極110的密度較低。薄膜140的階梯覆蓋率定 義為a/b。在65nm及以下工藝節點，Dense區域的柵極之間的間距只有幾十 nm，在柵極間距如此密集的區域澱積電介質薄膜140時， 一些澱積的物質還 來不及進入到柵極之間的空隙中就沉積在柵極的側壁表面，導致在相同CVD 澱積條件下，Dense區域和Iso區域柵極側壁薄膜的厚度不同，在Dense區域， 柵極邊緣的厚度增長較快，這種現象稱為加載效應(loading effect )。薄膜140 的加載效應表示CVD工藝在不同區域的柵極側壁與柵極之間澱積的薄膜的厚 度一致性。加載效應分別用線(line)加載效應(Iso(a)-dense(a)) /Iso(a)和間 (space)力口載效應(Iso(b)-dense(b) ) /Iso(b)來表示。
前已述及，無論是要獲得薄膜140的階梯覆蓋率還是薄膜140的加載效 應，都必須要得到薄膜140的厚度值a和b。為了能夠利用OCD對柵極表面 沉積的薄膜厚度進行測量，本發明的方法在襯底表面形成測試區域。圖4為 本發明方法中形成的測試區域示意圖。如圖4所示，測試區域包括凸稜密集 區150和凸稜非密集區160。本實施例中，凸稜為在刻蝕多晶矽形成的柵極 151和161。根據OCD測量原理的需要，密集區150的柵極151和非密集區 160的柵極161等間隔周期性排列。在所述密集區150中，柵極151的寬度l 與柵極151之間的寬度s的比值l/s為1: l至l: 4。在非密集區160中，柵 極161的寬度l與柵極161之間的寬度s的比值l/s為1: 4至1: 10。
然後，利用CVD或LPCVD工藝在測試區域的柵極.表面澱積電介質薄膜。 圖5為在圖4所示測試區域表面澱積電介質薄膜後的局部示意圖，參照圖5, 薄膜140覆蓋柵極151和161。利用光學特徵尺寸(OCD)法測量薄膜140 的厚度。薄膜140的厚度包括覆蓋所述柵極側壁的薄膜的厚度a和覆蓋所述 柵極之間的薄膜的厚度b。得到厚度值a和b之後，利用厚度值計算薄膜階梯 覆蓋率和加載效應。所述階梯覆蓋率等於覆蓋所述柵極側壁的薄膜的厚度a 與覆蓋所述柵極之間的薄膜的厚度b的比值，即a/b。所述加載效應包括線加 載戔文應(line loading effect)和間力口載凌丈應(space loading effect)。所述線力口載戔文 應為非密集區160柵極161側壁薄膜的厚度a，減去密集區150柵極151側壁 薄膜的厚度a再除以非密集區160柵極161側壁薄膜的厚度a，，即(a，-a)/a，。 所述間加載效應為非密集區160柵極161之間薄膜的厚度b，減去密集區150
柵極151之間薄膜的厚度b再除以非密集區160柵極161之間薄膜的厚度b，， 即(b，-b)/b，。
囝6為本發明的用亍形成測試區域的掩膜圖形示意圖。如圖6所示，所 述掩膜圖形200包括密集區和非密集區，所述密集區包括條狀圖形211;所述 非密集區包括條狀圖形221,密集區的條狀圖形211和非密集區的條狀圖形 221分別等間隔排列。密集區的條狀圖形211的線寬為1，條狀圖形211之間 的寬度為s, l和s的和為間距p;非密集區的條狀圖形221的線寬為l，，條狀 圖形221之間的寬度為s，， l'和s，的和為間距p，。在所述密集區中，條狀圖形 211的寬度l與條狀圖形之間的寬度s的比值l/s為1: l至l: 4。在所述非密 集區中，條狀圖形221的寬度1，與條狀圖形221之間的寬度s，的比值lVs，為1: 4至1: 10。在本實施例中，掩膜圖形200的長度x寬度(Lx W)只要大於 2(^20um就可以，間距p，小於2um。具體來說，非密集區的間距p，為0.4 2um; 密集區的間距p為0.1 0.4um。非密集區的線寬l，為0.04 0.4um;密集區的線 寬1為0.02 0.8um。
圖7為說明利用本發明方法進行多層薄膜厚度測量的器件剖面示意圖。 如圖7所示，在襯底100表面的器件密集區和非密集區形成柵極之後，在柵 極表面利用LPCVD工藝澱積氮化矽層11,利用OCD測量氮化矽層11在密 集區和非密集區的底面和柵極側壁的厚度，然後利用前述公式計算出氮化矽 層11的階梯覆蓋率和加載效應。隨後在氮化矽層11表面澱積側牆氧化層12， 在密集區和非密集區利用OCD測量底面和柵極側壁的薄膜(氮化矽層11+側 牆氧化層12)厚度，用這個厚度減去氮化矽層11的厚度即得到澱積的側牆氧 化層12的實際厚度。利用側牆氧化層12的實際厚度便可計算出側牆氧化層 12的階梯覆蓋率和加載效應。接著在側牆氧化層12的表面澱積側牆氮化層 13,利用OCD測量底面和柵極側壁的薄膜(氮化矽層11+側牆氧化層12+側 牆氮化層13 )厚度，用這個厚度減去氮化矽層11和側牆氧化層12的厚度即 得到澱積的側牆氮化層13的實際厚度，利用側牆氮化層13的實際厚度便可 計算出側牆氮化層13的階梯覆蓋率和加載效應。
本發明的薄膜階梯覆蓋率和加載效應的測量方法利用掩膜圖形在襯底表 面形成具有間隔排列圖形的測試區域，在所述測試區域表面澱積電介質薄膜； 利用OCD測量所述薄膜的厚度；再利用所述厚度值計算薄膜階梯覆蓋率和加載效應。本發明的方法能夠以非破壞性的方式得到薄膜階梯覆蓋率和加載效 應，降低了製造成本，提高了生產效率。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上 的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明。 任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利 用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修 飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的
及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
權利要求
1. 一種薄膜階梯覆蓋率和加載效應的測量方法，包括提供一半導體襯底；在所述襯底表面形成測試區域；在所述測試區域表面澱積電介質薄膜；利用光學特徵尺寸測量方法測量所述薄膜的厚度；利用所述厚度計算薄膜階梯覆蓋率和加載效應。
2、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述測試區域包括凸稜密集 區和凸稜非密集區。
3、 如權利要求2所述的方法，其特徵在於所述凸稜等間隔周期性排列。
4、 如權利要求3所述的方法，其特徵在於所述凸稜為柵極。
5、 如權利要求4所述的方法，其特徵在於在所述密集區中，所述柵極 的寬度與所述柵極之間的寬度的比值為1: l至l: 4。
6、 如權利要求4所述的方法，其特徵在於在所述非密集區中，所述柵 極的寬度與所述柵極之間的寬度的比值為1: 4至1: 10。
7、 如權利要求1或4所述的方法，其特徵在於所述厚度包括覆蓋所述 柵極側壁的薄膜的厚度和覆蓋所述柵極之間的薄膜的厚度。
8、 如權利要求7所述的方法，其特徵在於所述階梯覆蓋率等於覆蓋所 述柵極側壁的薄膜的厚度與覆蓋所述柵極之間的薄膜的厚度的比值。
9、 如權利要求7所述的方法，其特徵在於所述加載效應包括線加載效 應和間加載效應。
10、 如權利要求9所述的方法，其特徵在於所述線加載效應等於(非密集區柵極側壁薄膜的厚度-密集區柵極側壁薄 膜的厚度)/非密集區柵極側壁薄膜的厚度；所述間加載效應等於(非密集區柵極之間薄膜的厚度-密集區柵極之間薄 膜的厚度)/非密集區柵極之間薄膜的厚度。
11、 一種用於形成如權利要求1所述測試區域的掩膜圖形，其特徵在於 所述掩膜圖形包括條狀圖形，所述條狀圖形等間隔排列。
12、 如權利要求ll所述的掩膜圖形，其特徵在於所述掩膜圖形包括條 狀圖形的密集區和非密集區。
13、 如權利要求12所述的掩膜圖形，其特徵在於所述密集區中，條狀圖形的寬度與條狀圖形之間的寬度的比值為1: l至l: 4。
14、如權利要求12所述的方法，其特徵在於在所述非密集區中，條狀 圖形的寬度與條狀囝形之間的寬度的比值為1: 4至1: 10。
全文摘要
本發明公開了一種薄膜階梯覆蓋率和加載效應的測量方法，包括提供一半導體襯底；在所述襯底表面形成測試區域；在所述測試區域表面澱積電介質薄膜；利用光學特徵尺寸測量方法測量所述薄膜的厚度；利用所述厚度計算薄膜階梯覆蓋率和加載效應。本發明的方法能夠以不破壞晶片的方式測量薄膜介質層的階梯覆蓋率和加載效應。
文檔編號H01L21/66GK101207056SQ20061014743
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月18日 優先權日2006年12月18日
發明者何有豐, 樸松源, 傑 白 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司