確定半導體制造過程的獨立式結構的線寬的系統和方法

專利名稱：確定半導體制造過程的獨立式結構的線寬的系統和方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造過程，尤其是用于檢查獨立式結構的噴霧過程。
背景技術：
隨最小的半導體設計元件的尺寸從90nm下降到65nm甚至到40nm時，結構如傳統光刻法所制造的結構在機械上變得越來越不穩定。不穩定的結構會引起導致電路斷開或短路的缺陷，阻止電路正常工作。新的超短波長光刻法/抗蝕劑系統的使用使對橫跨芯片的線寬變化(ACLV)的控制困難，如位于芯片內的線路或這些線路的一部分，容易比平均尺寸小10％。對掩模修正(on-mask corrections)的需要進一步加重了該問題，因為不完善的光學近似修正(OPC)實際上可能使本地線路的變化更壞，該光學近似修正補充了本地環境帶來的光刻圖像變化的設計。
工業上主要依賴通過掃描電鏡(SEM)測量電路尺寸和臨界尺寸來確定橫跨晶片或芯片的平均線寬。實際上，對位于巢狀的、半巢狀的和隔離的本地環境中的結構進行測量，這種測量模擬產品芯片以期得到對產品芯片的線寬的相當好的認識。
理想地，應當測量產品芯片或晶片上的所有本地環境以確保準確獲知線寬。由于這種做法不可行，產品中線寬變化和/或損壞可能存在并會最終通過電路特征和隨后的失效分析被監測到。但是，這種過程是一種昂貴、耗時且資金密集的解決方式。
這樣在本領域存在這樣一種需要，即一種用于識別在晶片或芯片上、其中特定線寬的獨立式結構不能保持結構完整性的特定區域的改進方法，這些特定線寬的獨立式結構如多晶硅柵、刻蝕劑溝槽或低K材料如SiLK的溝槽。

發明內容
通過在半導體器件中創建獨立式結構，本發明提供了一種用于確定半導體(S/C)制造過程中建立的獨立式結構的最小線寬的系統和方法；調整和找準(對準)與獨立式結構的臨界線寬有關的噴霧過程；使該器件經歷此噴霧過程；和響應于亞臨界線寬的獨立式結構的破壞，選擇性地調整S/C制造過程。
從下面對本發明目前的優選實施例的詳述并結合附圖本發明的其它特點和優點會變得明顯。


圖1是用在本發明的優選實施例中的示例性的噴霧過程設備的圖示。
圖2A-2G是常見的半導體制造過程的流程圖和圖示。
圖3A-3B是用于測定最小線寬的本發明優選實施例的操作過程的流程圖。
圖4是獨立式結構(FSS)的掃描電鏡(SEM)的圖示。
圖5是半導體芯片的過程限制產品率(PLY)圖的圖示，該芯片經歷了本發明優選實施例的噴霧凈化/觀測過程。
圖6是顯示四個示例性獨立式結構的產品率的條形圖和折線圖。
具體實施例方式
根據本發明的優選實施例，提供一種可調整的噴霧系統和方法，用于識別其中獨立式結構未能保持結構完整性的晶片或芯片特定區域。在這些結構上由于噴霧凈化過程會出現某種類型的物理擾動，這種物理擾動可能與線寬相關。
在此噴霧過程中，晶片或芯片上的問題區域的“層原位”(“at-level”)知識可以被追溯到檢測問題所用的急劇減少的平均時間。此噴霧過程可以用在制造晶片或芯片的關鍵操作步驟后，當結合過程限制成品率(PLY)檢查和/或電路檢測時，該關鍵步驟會有助于識別該問題區域，尤其是關于獨立式結構的線寬問題。此關鍵過程步驟包括光刻顯影、PC掩模斷開、PC刻蝕、電介質刻蝕和類似過程。在下面的例子中，獨立式多晶硅線淀積到晶片上后進行噴霧過程。
參照圖1，其顯示了有關凈化硅晶片的氬氣/氮氣低溫噴霧工具的簡單的方塊圖。噴霧過程以氬50和氮氣52開始。各種氣體的體積通過質量流量控制器單獨控制，在進入低溫冷卻器56前在混合器54中混合。冷卻器56是冷卻混合氣到低溫的液氮換熱器。此冷卻的混合氣流進噴嘴或膨脹室58，然后通過一列噴嘴孔48注入凈化室60。氣體膨脹進入被控制在100-300托的部分真空下的真空室58，因此氣體進一步冷卻。隨著氣體溫度下降到84K以下，氬氣的三態點，這導致形成凝固晶體。氣體混合氣中的氮氣允許更高的膨脹比率，起到稀釋氬氣的作用，這樣提供了控制氬氣顆粒尺寸和動能的手段。
晶片40從噴嘴下方經過，被噴濺以包括Ar/N2混合氣和Ar冰晶的噴霧，其撞擊獨立式結構42。可以調整噴射器噴嘴的入射角46以優化高形狀比元件的凈化。噴霧的強度、能量和冰晶的尺寸受到總氣流量、氬氣與氮氣的比率、氣體溫度和室60的壓力的控制。噴霧過程，如噴霧凈化過程，是簡單的動量轉移過程。(“P”是動量的科學記錄符號)。通過將冷凍氣體顆粒的動量轉移給獨立式結構能完成該獨立式結構。施加到噴嘴后方氣體的壓力會改變冷凍氣體顆粒的動量。壓力是一個“旋紐”，調整其可以改變動量。其它允許保持該過程、可以被調整的“旋紐”是氣體種類和噴嘴到晶片的距離。
參照圖2A到圖2G，其顯示了帶有各種獨立式結構42的典型的半導體制造過程，可以使用在此過程不同階段存在的、本發明優選實施例的噴霧凈化過程監測該獨立式結構。
在步驟200中，提供NMOS過程的起始材料，包括P型輕摻雜、拋光的硅晶片70。在步驟202中，通過熱氧化形成SiO2層74。在步驟204中，通過例如在晶片上滴幾滴正性光致抗蝕劑(如ShipleyS1818)的方法，隨后其被旋轉以均勻地分散開，施加光致抗蝕劑。旋涂后，預曝光焙燒所述晶片以從PR膜74中去除溶劑和提高對基底70的附著力。
在步驟206中通過光刻術形成漏極和源極75。未覆蓋掩模的PR層74在UV光下經歷化學變化并通過以顯影溶液噴涂晶片而被除去。殘留的PR74是掩模圖案的拷貝。清洗晶片并且旋干，然后再次焙燒以便PR74能抵抗用于刻蝕曝光的氧化物層的強酸。
在步驟208中，使用氫氟酸(HF)刻蝕掉光致抗蝕劑74的開口76中的氧化物，并且終止于硅70的表面。在步驟210中，通過溶劑或等離子氧化法剝除光致抗蝕劑74，留下與掩模上的不透明圖像相同的絕緣體圖案72。
在步驟212中，采用兩步擴散過程來形成漏極和源極78，其中首先預淀積磷，隨后驅動(drive-in)擴散，并除去晶片上的一薄層磷硅玻璃。在步驟214中，熱氧化過程進一步使氧化物層72生長。在此爐子操作中通過擴散使磷78擴展。
在步驟216、218和220中，完成第二光刻過程以除去氧化物72來形成柵區84。如前面一樣，通過光致抗蝕劑80滴落、旋轉、預焙燒、掩模找準、UV曝光、PR顯影、清洗和干燥、后焙燒、和氧化物72刻蝕完成此過程。在步驟222中，剝除光致抗蝕劑80。
在步驟222中，通過熱氧化生長非常薄的柵氧化物層86。在步驟226、228和230中，完成第三光刻過程以除去氧化物72來形成接觸孔92。隨后是相同的步驟PR88滴落、旋轉、預焙燒、掩模找準、UV曝光、PR88顯影、清洗和干燥、后焙燒、和氧化物72刻蝕。在步驟232中，除去PR88。
在步驟234中，在整個基底表面上蒸發如鋁94的金屬以便隨后形成電接觸。
在步驟236、238和240中，完成最后的光刻過程以除去鋁層94，形成接觸圖案。隨后是相同的步驟PR88滴落、旋轉、預焙燒、掩模找準、UV曝光、PR顯影、清洗和干燥、后焙燒、鋁刻蝕。在步驟242中，剝除PR96，完成所有的NMOS制造步驟。
在NMOS制造過程中的幾個階段，如在其它類似的制造過程中，建造獨立式結構42，其能經受用于檢測結構和電路完整性(線寬長度和連續性)、本發明的噴霧凈化過程。這包括，例如，步驟206的PR74、步驟210的氧化物72、步驟228和230的PR88、步驟232的氧化物86、步驟234的鋁94、步驟238和240的PR96和步驟242的鋁94。
參照圖3A-3B，用于測定最小線寬的過程以在步驟110中建立獨立式結構開始，如前面根據圖2A-2G所描述。
在步驟112中，確定是否調整臨界線寬的噴霧過程(或作為步驟114-130的結果已經調整了噴霧過程)。為控制噴霧強度、能量和噴霧晶體的尺寸要調整的參數包括噴射器噴嘴48的入射角46、進入室58的氣流量、氬氣50與氮氣52的比率、從冷卻器56出來的氣體溫度和室60的壓力。
在步驟114中，晶片或芯片40上的獨立式結構42經受室60中的噴霧過程。在步驟116中，(通過掃描電鏡(SEM)或PLY)檢測該結構42以確定在步驟118和122中是否有任何獨立式結構被破壞。如果在步驟118中確定亞臨界線寬的FSS42已被破壞，不調整噴霧過程而在步驟120中調整參數以增加噴霧壓力。如果在步驟122中確定大于臨界線寬的FSS42破壞了，不調整噴霧過程，在步驟124中調整參數以降低噴霧壓力(即，在檢測中通過其噴霧氣體撞擊FSS42的力)。如果小于或大于臨界線寬的FSS結構沒有被破壞，然后在步驟126中確定是否已找準用于臨界線寬的噴霧過程。當獨立式結構正好在最小線寬確定的尺寸下開始破壞時，則已找準用于臨界線寬的噴霧過程。是否找準此噴霧過程由以下確定確定線破壞位置的PLY檢測和確定線破壞的寬度的SEM檢測。
如果已找準用于臨界線寬的噴霧過程，那么步驟130指示調整噴霧過程，如果未找準，則在步驟128中通過增加或降低需要的壓力調整噴霧過程。最小線寬取決于工藝節點。它是工藝設計手冊確定的最小容許的獨立式結構的線寬。這里臨界線寬是由調整噴霧過程所確定的獨立式結構開始破壞的閾值。
一旦在步驟112中確定噴霧過程已被調整針對要檢測的FSS42的臨界線寬，在步驟132中進行檢測和在步驟134中檢測結果。參照圖4，其是檢測結果的掃描電鏡(SEM)圖示，圖5是結果的PLY圖的圖示，和圖6繪制了不同的線寬的四個示例性結構42的觀測結果。
參照圖3B，在步驟136中確定任何亞臨界線寬的獨立式結構(FSS)是否破壞，如果沒有破壞，則步驟138指示沒有。步驟140指示已經觀測到了亞臨界線寬，并在步驟142中進行根本原因分析。當檢測到所述線位于最小可接受線寬之下時，則觀測到亞臨界線寬，這是因為當經受被調整到臨界線寬中心的噴霧過程時線破壞。
在步驟144和146中，設計過程校正行動方案以校正與如活性離子刻蝕(RIE)和平面化的制造步驟或參數相關的亞臨界線寬的制造。RIE是等離子形式的活性氣體化學刻蝕某些特殊材料的過程。平面化指FSS存在的表面的平坦程度。如果表面不平坦(高度變化幾個納米)，光刻法不會正確地印制FSS圖案并會導致亞臨界尺寸。一旦亞臨界結構被定位和看到(用SEM)，依賴于錯誤的FSS形貌，這種有問題的結構可以被追溯到引起此問題的制造過程。光刻問題有與RIE問題和OPC問題不同的信號。
在步驟148和150中，設計光刻修正行動方案以修正與包括如光學近似修正(OPC)、光致抗蝕劑系統、光學系統的光刻相關的亞臨界線寬問題。OPC是用于增加或減少光刻掩模中的額外元件以使元件印制為希望的形狀。這里，光學系統指光刻工具自身，如果該工具印制亞臨界線寬元件，光刻工具的變化可能是必須的。
在步驟152和154中，設計行動方案以處理與過程或光刻無關的亞臨界線寬結果。
參照圖4，其是經歷噴霧凈化的獨立式結構160、162、170、172的掃描電鏡檢測的圖示。這些示例性的結構獨立地位于作為晶片或芯片40上表面結構的PC元件164、166、174和176上。結構160已經在168處破壞。結構170已經破壞，部分178移動以與結構172形成接觸。
參照圖5，PLY圖的圖示顯示了檢測已經經歷噴霧凈化的芯片180的結果。黑色方框184代表構件中的損壞(即損壞的FSS42)，白色方框182代表沒有損壞。在此例中，欄186包含帶有最短PC線寬的結構和被噴霧凈化破壞的最高密度的結構；欄188包含帶有最長的PC線寬的結構和被噴霧凈化破壞(打翻、蒸發或移動)的最低密度的結構；欄190、192包含中間線寬和破壞密度的結構。
圖4中各斷開的線160、170代表PLY圖180中的缺陷指示器184。
參照圖6，繪制四個示例性的電結構相對于成品率和觀測數的觀測圖。結果以微米顯示的代表最小線寬的單位桶表示。折線代表成品率，條表示觀測數。通過在制造過程中不同點處的觀測有秩序地測量這些試驗結構42。此圖表顯示了線寬越長，成品率越高，也顯示了隨噴霧過程的調整(如壓力、流速)，30nm以下的多晶硅線的獨立式結構可以被破壞。圖6僅基于電學數據。沒有進行根本原因分析如物理失效分析不能確定根本原因(步驟144-154)。圖6代表電路上確定已經調整了噴霧過程(112)。
本發明的一個優點是提供了一種用于其中獨立式結構未能保持結構完整性的識別晶片或芯片上特定區域的系統和方法。
可以理解，盡管這里為了圖解的目的描述了本發明的特定實施例，可以進行各種改變而沒有脫離本發明的精神和保護范圍。特定地，位于本發明的保護范圍的還有，提供用于存儲可機讀的信號、用于根據本發明的方法和/或根據本發明的系統構造其組成部分來控制計算機的操作的計算機程序產品或程序單元，或程序存儲或記憶設備，如固體或流體傳送介質、磁或光纖、磁帶或磁盤、或類似物。
進一步，可以在任何通用的計算機上執行本發明的各個步驟，如標識為z系列、I系列、x系列和p系列的IBM系統或類似物和按照一種或多種，或一種或多種的一部分，程序單元、任何程序語言如C++、Java、P1/1、Fortran或其它產生的模塊或對象。更進一步，可以通過特殊的目標硬件或為此目的設計的電路模塊執行各個所述的步驟，或執行各所述步驟的文件或對象或類似物。
因此，本發明的保護范圍僅僅受到下面的權利要求書和它們的等同物的限制。
權利要求
1.一種用于測定半導體制造過程中建立的獨立式結構的最小線寬的方法，包括在半導體器件中創建獨立式結構；針對所述獨立式結構的臨界線寬調整和找準噴霧過程；使所述的器件經歷所述的噴霧過程；和響應于亞臨界線寬的獨立式結構的破壞，選擇性地調整所述半導體制造過程。
2.如權利要求1所述的方法，其中進一步包括在所述的半導體制造過程中在多個步驟中創建和檢測所述獨立式結構。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述的半導體制造過程包括處理和光刻步驟。
4.一種用于評估半導體制造過程的方法，包括使用所述的半導體過程創建獨立式結構；使第一獨立式結構經受噴霧過程；響應于亞臨界線寬的獨立式結構的破壞，調整所述的噴霧過程以提高噴霧壓力；響應于大于臨界線寬的獨立式結構的破壞，調整所述的噴霧過程以降低噴霧壓力；和找準所述針對臨界線寬的噴霧過程。
5.如權利要求4所述的方法，所述的噴霧包括氬氣和氮氣。
6.如權利要求5所述的方法，所述的調整包括通過控制總氣流、氬氣與氮氣的比例、氣溫和室壓選擇性地增加或降低噴霧壓力。
7.如權利要求4所述的方法，進一步包括在所述的半導體制造過程的多個階段建立和評估所述的獨立式結構。
8.一種用于評估半導體制造過程的裝置，包括用于建立獨立式結構的裝置；用于使所述的獨立式結構經歷噴霧過程的裝置；響應于亞臨界線寬的第一獨立式結構的破壞，調整所述噴霧過程以增加噴霧壓力的裝置；響應于大于亞臨界線寬的第二獨立式結構的破壞，調整所述噴霧過程以降低噴霧壓力的裝置；找準所述針對臨界線寬的噴霧壓力的裝置；響應于亞臨界線寬的第二獨立式結構由于已找準和調整的噴霧過程而產生的破壞，識別所述破壞與該過程相關、與光刻相關的或與其它的過程相關的裝置；
9.如權利要求8所述的裝置，所述的噴霧包括氬氣和氮氣。
10.如權利要求9所述的裝置，進一步包括通過選擇性地控制總氣流、氬氣與氮氣比例、氣溫和室壓，選擇性地調整以便增加或降低噴霧壓力的所述裝置。
全文摘要
用于測定半導體(S/C)制造過程所建立的獨立式結構的最小線寬的裝置和方法。在半導體器件中建立獨立式結構并使其經歷相對于獨立式結構的臨界線寬被調整和找準的噴霧過程。響應亞臨界線寬的獨立式結構的破壞，調整此S/C制造過程。
文檔編號H01L21/66GK1790658SQ20051011868
公開日2006年6月21日 申請日期2005年11月4日 優先權日2004年11月5日
發明者斯蒂芬·M.·魯卡里尼, 卡爾·W.·巴斯, 斯蒂芬·K.·洛 申請人:國際商業機器公司