兩次刻蝕成型圖形的關鍵尺寸的控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種兩次刻蝕成型圖形的關鍵尺寸的控制方法，包括步驟如下：(1)在硅片上生長薄膜層；(2)第一圖形層的光刻，CD（關鍵尺寸）和overlay（套刻精度）的測量；(3)第一圖形層的刻蝕；(4)第二圖形層的光刻，CD和overlay的測量；(5)第二圖形層的刻蝕，形成對稱結構的圖形；(6)對稱結構圖形CD的測量；(7)將上述對稱圖形的CD差異折算成第二圖形層的overlay；(8)將上述折算后的第二圖形層的overlay反饋到光刻機，以修正下一批次硅片的第二圖形層的overlay，實現對上述對稱圖形刻蝕后CD的控制。本發明同時解決了因為光刻overlay不佳和刻蝕速率不同導致的刻蝕后對稱圖形CD不一致的問題。
【專利說明】兩次刻蝕成型圖形的關鍵尺寸的控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體集成電路制造工藝，涉及一種關鍵尺寸的控制方法，尤其涉及一種兩次刻蝕成型圖形的關鍵尺寸的控制方法。
【背景技術】
[0002]關鍵尺寸(Q):Critical Dimension)和套刻精度(overlay)是集成電路工藝中非常重要的兩項在線監控參數，其中CD用于監控光刻和刻蝕以后圖形的大小，在實際生產過程中，一般都是使用⑶SEM(關鍵尺寸掃描電子顯微鏡)來測量監控圖形的⑶，當所監控的圖形CD超過所要求的規格時，一般通過調節光刻曝光時的能量來調節監控圖形的CD，使之滿足所要求的規格。而overlay用于監控當層圖形和前層圖形的對準(或套刻)情況，在實際生產過程中，一般通過光學方法量測專門設計的上下兩層套刻標記(Overlay Mark)的中心偏移量來監控overlay,當overlay超過所要求的規格時,一般通過對當前層光刻曝光時的套刻參數進行補償的方法，來調節光刻之后圖形的overlay，使之滿足所要求的規格。
[0003]對于某些特殊的半導體器件，需要制備對稱結構的圖形，而根據工藝需求，該對稱結構的圖形需通過兩次刻蝕形成，如圖1所示的具有對稱結構的半導體器件部分工藝完成后的示意圖，要求左邊的多晶硅401和右邊的多晶硅402具有相同的CD，因為左邊的第二注入層601和右邊的第二注入層602是分別以左邊的多晶硅401和右邊的多晶硅402作為阻擋層之一而注入形成的，所以如果左邊的多晶硅401和右邊的多晶硅402的⑶不一致，將會使得左邊的第二注入層601和右邊的第二注入層602形成的位置也不對稱，并導致左邊的溝道長度LI和右邊的溝道長度L2不同，最終影響產品的性能。
[0004]為了形成如圖1所示的對稱結構器件，一般使用以下步驟來完成:⑴在已完成溝道200工藝的硅片上生長二氧化硅薄膜層300和多晶硅薄膜層(圖中未示出完整的多晶硅薄膜層，只示出刻蝕以后的左邊的多晶硅401和右邊的多晶硅402) ；(2)第一圖形層的光亥IJ，⑶和overlay的測量；(3)第一圖形層的多晶硅薄膜刻蝕、注入，形成第一注入層500;
(4)第二圖形層的光刻，⑶和overlay的測量，并將overlay的測量值反饋到第二圖形層的光刻機，通過光刻機的overlay補正系統修正下一批次娃片的第二圖形層的overlay ； (5)第二圖形層的多晶硅薄膜刻蝕，形成含對稱結構的左邊多晶硅401和右邊多晶硅402的圖形；(6)第三圖形層光刻，然后再同時以光刻膠圖形以及左邊的多晶硅401和右邊的多晶硅402作為注入阻擋層進行注入工藝，經退火后分別形成左邊的第二注入層601和右邊的第二注入層602。由上述步驟可知，有兩個因素影響左邊的多晶硅401和右邊的多晶硅402的CD，一是步驟(4)中第二圖形層對第一圖形層的套刻精度，二是步驟(5)中刻蝕速率的均一性。對于第一個因素，在步驟(4)已通過光刻機的overlay補正系統進行了修正，但是對于第二個因素，上述工藝流程并沒有考慮到，但在實際生產過程中，由于周邊圖形的影響(圖形密度不一樣)以及刻蝕本身工藝條件的限制，會使得在刻蝕形成左邊的多晶硅401和右邊的多晶硅402過程中，兩者的刻蝕速率不同，從而導致左邊的多晶硅401和右邊的多晶硅402的CD不同。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種兩次刻蝕成型圖形的關鍵尺寸的控制方法，即可以解決因為光刻套刻精度不佳導致的刻蝕后對稱圖形CD不一致的問題，又可以解決因為刻蝕速率不同導致的刻蝕后對稱圖形CD不一致的問題。
[0006]為解決上述技術問題，本發明提供一種兩次刻蝕成型圖形的關鍵尺寸的控制方法，包括步驟如下:
[0007](I)在硅片上生長薄膜層；
[0008](2)第一圖形層的光刻，關鍵尺寸和套刻精度的測量；
[0009](3)第一圖形層的刻蝕，光刻膠去除；
[0010](4)第二圖形層的光刻，關鍵尺寸和套刻精度的測量；
[0011](5)第二圖形層的刻蝕，形成對稱結構的圖形；
[0012](6)對稱結構圖形的關鍵尺寸的測量；
[0013](7)將上述對稱圖形的關鍵尺寸差異折算成第二圖形層的套刻精度；
[0014](8)將上述折算后的第二圖形層的套刻精度反饋到第二圖形層的光刻機，通過光刻機的套刻精度補正系統修正下一批次硅片的第二圖形層的套刻精度，從而實現對上述對稱圖形的關鍵尺寸的控制。
[0015]在步驟(I)中，所述的硅片是光片，或者是已完成一些半導體常見工藝的硅片。優選的，所述的硅片是已經完成了導通溝槽制造工藝的硅片。
[0016]在步驟(I)中，所述的薄膜層是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、多晶硅、金屬硅化物、金屬鋁中的一種或多種組合而成的一層或多層薄膜層。優選的，所述的薄膜層由二氧化硅薄膜層和多晶硅薄膜層組成。
[0017]在步驟(3)和(5)中，所述的刻蝕能夠刻蝕步驟(I)所形成的一層或多層薄膜層。所述的刻蝕是業界常用的多晶硅干法刻蝕，即含氯氣、溴化氫和氧氣混合氣體的等離子體干法刻蝕。
[0018]優選的，在步驟(3)中，在第一圖形層的刻蝕之后，根據工藝需求，可以增加一步
注入工藝。
[0019]優選的，在步驟(I)中，所述的薄膜層由二氧化硅薄膜層和多晶硅薄膜層組成，即先在硅片上依次生長二氧化硅薄膜層、多晶硅薄膜層；在步驟(3)和(5)中，所述的刻蝕能夠刻蝕步驟(I)所形成多晶硅薄膜層，但不能刻蝕步驟(I)所形成二氧化硅薄膜層；所述的注入工藝以第一圖形層刻蝕后的多晶硅薄膜層作為注入阻擋層，經退火后形成第一注入層。
[0020]在步驟(4)中，所述的第二圖形層的光刻，是以步驟(3)所形成的第一圖形層為對準層，光刻后形成的光刻膠的圖形用于后續步驟(5)第二次刻蝕的阻擋層。
[0021]在步驟(6)中，所述的對稱結構圖形的關鍵尺寸的測量，是指分別測量X方向和Y方向兩組對稱圖形的關鍵尺寸。所述的測量，必須選擇硅片中的至少5個曝光單元進行測量，其中必須有4個以上曝光單元位于硅片的周邊位置，且在每個曝光單元內，必須測量分別位于曝光單元4個角的所述的X方向和Y方向兩組對稱圖形的關鍵尺寸。
[0022]在步驟(7)中，所述的第二圖形層的套刻精度，包括以下參數:X方向偏移量、Y方向偏移量、X方向硅片縮放比例、Y方向硅片縮放比例、硅片旋轉角度、硅片正交性、X方向曝光單元縮放比例、Y方向曝光單元縮放比例、曝光單元旋轉角度、曝光單元正交性，其中X方向偏移量和Y方向偏移量使用如下公式計算:
[0023]X方向偏移量=X方向對稱結構圖形關鍵尺寸的差異/2
[0024]Y方向偏移量=Y方向對稱結構圖形關鍵尺寸的差異/2
[0025]獲得上述X方向偏移量和Y方向偏移量后，再使用業界通用的公式可以計算出其他套刻精度參數。
[0026]優選的，在步驟(8)之后增加如下步驟:第三圖形層光刻，然后再同時以光刻膠圖形以及第二圖形層刻蝕后的多晶硅薄膜層作為注入阻擋層進行注入工藝，經退火后形成第
二注入層。
[0027]和現有方法相比，本發明將overlay的補正步驟從光刻后移至刻蝕后，且通過刻蝕后的CD的差異性來折算出真正的overlay參數,并以此overlay參數作為光刻機的補正參考值，既解決了因為光刻套刻精度不佳導致的刻蝕后對稱圖形CD不一致的問題，又解決了因為刻蝕速率不同導致的刻蝕后對稱圖形CD不一致的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是具有對稱結構的半導體器件部分工藝完成后的示意圖；
[0029]圖2是本發明的兩次刻蝕成型圖形的關鍵尺寸的控制方法流程圖；
[0030]圖3(A)-圖3(G)是本發明方法各步驟完成后的示意圖；其中，圖3(A)是本發明方法的步驟(I)完成后的示意圖；圖3?)是本發明方法的步驟(2)完成后的示意圖；圖3(0是本發明方法的步驟(3)完成后的示意圖；圖3(0)是本發明方法的步驟(4)完成后的示意圖；圖3(E)是本發明方法的步驟(5)完成后的示意圖，圖3(F)是本發明方法的步驟(6)中量測圖形在硅片內位置的一實例示意圖，圖3(G)是本發明方法的步驟(6)中量測圖形在曝光單元內位置的一實例示意圖。
[0031]圖中附圖標記說明如下:
[0032]100-硅片，200-導通溝槽，300-二氧化硅薄膜層，400-多晶硅薄膜層，401a_第一圖形層刻蝕后左邊的多晶硅，401-第二圖形層刻蝕后左邊的多晶硅，402a-第一圖形層刻蝕后右邊的多晶硅，402-第二圖形層刻蝕后右邊的多晶硅，500-第一注入層，601-左邊第二注入層，602-右邊第二注入層,700-第一圖形層光刻后的光刻膠,800-第二圖形層光刻后的光刻膠。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。
[0034]實施例一
[0035]本發明的一種兩次刻蝕成型圖形的關鍵尺寸的控制方法，其方法流程如圖2所示，和現有方法相比，其特征是將overlay的補正步驟從光刻后移至刻蝕后，且通過刻蝕后的⑶的差異性來折算出真正的overlay參數，并以此overlay參數作為光刻機的補正參考值，具有以下技術效果:即解決了因為光刻套刻精度不佳導致的刻蝕后對稱圖形CD不一致的問題，又解決了因為刻蝕速率不同導致的刻蝕后對稱圖形CD不一致的問題。[0036]如圖2和圖3所示，本發明的一種兩次刻蝕成型圖形的關鍵尺寸的控制方法，其詳細方法步驟如下:
[0037](I)如圖3㈧所示，在硅片上生長薄膜層:所述的硅片100可以是光片，也可以是已完成一些半導體常見工藝的硅片，在本實施例中，所述的硅片100已經完成了導通溝槽200的制造工藝；所述的薄膜層是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、多晶硅、金屬硅化物、金屬鋁中的一種或多種組合而成的薄膜層，在本實施例中，所述的薄膜層由二氧化硅薄膜層300和多晶硅薄膜層400組成，也即先在硅片100上生長二氧化硅薄膜層300，再在二氧化硅薄膜層300上生長多晶硅薄膜層400。
[0038](2)如圖3(B)所示，第一圖形層的光刻，關鍵尺寸和套刻精度的測量；該步驟完成后，形成的光刻膠700的圖形用于后續第一次刻蝕/注入的阻擋層。
[0039](3)如圖3(C)所示，第一圖形層的刻蝕/注入，光刻膠去除:所述的刻蝕能夠刻蝕步驟(I)所形成的一層或多層薄膜層，在本實施例中，所述的刻蝕能夠刻蝕步驟(I)所形成多晶硅薄膜層400，但不能刻蝕步驟(I)所形成二氧化硅薄膜層300，采用業界常用的多晶硅干法刻蝕，即含氯氣、溴化氫和氧氣混合氣體的等離子體干法刻蝕，原來的多晶硅薄膜層400經第一次刻蝕后分別形成左邊的多晶硅401a和右邊的多晶硅402a。根據工藝需求，所述的注入工藝也可以不做，在本實施例中，所述的注入以光刻膠700或多晶硅薄膜層400第一次刻蝕后左邊的多晶硅401a和右邊的多晶硅402a作為注入阻擋層，經退火后形成第一注入層500。
[0040](4)如圖3(D)所示，第二圖形層的光刻，關鍵尺寸和套刻精度的測量:所述的第二圖形層的光刻，是以步驟(3)所形成的第一圖形層為對準層，光刻后形成的光刻膠800的圖形用于后續第二次刻蝕的阻擋層。
[0041](5)如圖3(E)所示，第二圖形層的刻蝕，形成對稱結構的圖形:所述的刻蝕能夠刻蝕步驟(I)所形成的一層或多層薄膜層，在本實施例中，所述的刻蝕能夠刻蝕步驟(I)所形成多晶硅薄膜層400，但不能刻蝕步驟(I)所形成二氧化硅薄膜層300，采用業界常用的多晶硅干法刻蝕，即含氯氣、溴化氫和氧氣混合氣體的等離子體干法刻蝕，原來的多晶硅薄膜層400 (即左邊的多晶硅401a和右邊的多晶硅402a)經第二次刻蝕后分別形成左邊的多晶硅401和右邊的多晶硅402。
[0042](6)對稱結構圖形的關鍵尺寸的測量:使用CDSEM設備分別測量步驟(5)完成后形成的左邊的多晶硅401和右邊的多晶硅402的關鍵尺寸，如圖3(E)所示，a和b分別是X方向對稱圖形401和402的關鍵尺寸，使用同樣的方法可以獲得Y方向對稱圖形(圖3(E)中為示出)的關鍵尺寸，假設為c和d。為了后續能計算和硅片相關的套刻精度參數，在對X方向和Y方向對稱結構圖形測量時，如圖3 (F)所示的一實例中，必須選擇硅片中的至少5個曝光單元(圖中標“X”的曝光單元)進行測量，其中必須有4個以上曝光單元位于硅片的周邊位置；為了后續能計算和曝光單元相關的套刻精度參數，在對每個曝光單元的X方向和Y方向對稱結構圖形測量時，如圖3(G)所示的一實例中，必須測量分別位于曝光單元4個角的X方向和Y方向兩組對稱圖形的關鍵尺寸。
[0043](7)將上述對稱圖形的關鍵尺寸差異折算成第二圖形層的套刻精度:所述的套刻精度，包括以下參數:x方向偏移量、Y方向偏移量、X方向硅片縮放比例、Y方向硅片縮放比例、硅片旋轉角度、硅片正交性、X方向曝光單元縮放比例、Y方向曝光單元縮放比例、曝光單元旋轉角度、曝光單元正交性，其中X方向偏移量和Y方向偏移量使用如下公式計算:
[0044]X方向偏移量=X方向對稱結構圖形關鍵尺寸的差異/2= I a-b | /2
[0045]Y方向偏移量=Y方向對稱結構圖形關鍵尺寸的差異/2=| c-d|/2
[0046]獲得上述X方向偏移量和Y方向偏移量后，再使用業界通用的公式可以計算出其他套刻精度參數。
[0047](8)將上述折算后的第二圖形層的套刻精度反饋到第二圖形層的光刻機，通過光刻機的套刻精度補正系統修正下一批次硅片的第二圖形層的套刻精度，從而實現對上述對稱圖形的關鍵尺寸的控制:目前一般的半導體生產廠家，都有一套完善的APC(AdvancedProcess Control，先進制程控制)系統用于控制生產過程中光刻的套刻精度，其原理是:光刻機在一個批次的硅片進行曝光前，會自動調用前一批次硅片光刻后的套刻精度值(包括步驟(7)所述的各項參數)，以此為參考，對光刻機里已有的各項套刻精度參數進行修正，從而得到該批次硅片曝光時所需的最佳套刻精度參數，使光刻后的硅片也能獲得最佳的套刻精度。在本發明中，參考值不再是傳統方法中的(第二圖形層)光刻后測量的套刻精度，而是經由(第二圖形層)刻蝕后CD差異折算的套刻精度，因此更能反映刻蝕以后的情況，實現對刻蝕后對稱圖形關鍵尺寸的控制，即解決了因為(第二圖形層)光刻套刻精度不佳導致的刻蝕后對稱圖形CD不一致的問題，又解決了因為(第二圖形層)刻蝕速率不同導致的刻蝕后對稱圖形CD不一致的問題。
[0048](9)根據工藝需求，可在步驟(8)之后增加如下步驟:第三圖形層光刻，然后再同時以光刻膠圖形以及左邊的多晶硅401和右邊的多晶硅402作為注入阻擋層進行注入工藝，經退火后分別形成左邊的第二注入層601和右邊的第二注入層602 (見圖1)。
【權利要求】
1.一種兩次刻蝕成型圖形的關鍵尺寸的控制方法，其特征在于，包括步驟如下: (1)在硅片上生長薄膜層； (2)第一圖形層的光刻，關鍵尺寸和套刻精度的測量； (3)第一圖形層的刻蝕，光刻膠去除； (4)第二圖形層的光刻，關鍵尺寸和套刻精度的測量； (5)第二圖形層的刻蝕，形成對稱結構的圖形； (6)對稱結構圖形的關鍵尺寸的測量； (7)將上述對稱圖形的關鍵尺寸差異折算成第二圖形層的套刻精度； (8)將上述折算后的第二圖形層的套刻精度反饋到第二圖形層的光刻機，通過光刻機的套刻精度補正系統修正下一批次硅片的第二圖形層的套刻精度，從而實現對上述對稱圖形的關鍵尺寸 的控制。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(1)中，所述的硅片是光片，或者是已完成一些半導體常見工藝的硅片。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，在步驟(1)中，所述的硅片是已經完成了導通溝槽制造工藝的硅片。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(1)中，所述的薄膜層是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、多晶硅、金屬硅化物、金屬鋁中的一種或多種組合而成的一層或多層薄膜層。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，在步驟(1)中，所述的薄膜層由二氧化硅薄膜層和多晶硅薄膜層組成。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(3)和(5)中，所述的刻蝕能夠刻蝕步驟(1)所形成的一層或多層薄膜層。
7.根據權利要求1或6所述的方法，其特征在于，在步驟(3)中，在第一圖形層的刻蝕之后，根據工藝需求，增加一步注入工藝。
8.根據權利要求1或6所述的方法，其特征在于，在步驟(3)和(5)中，所述的刻蝕是業界常用的多晶硅干法刻蝕，即含氯氣、溴化氫和氧氣混合氣體的等離子體干法刻蝕。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，在步驟(1)中，所述的薄膜層由二氧化硅薄膜層和多晶硅薄膜層組成，即先在硅片上依次生長二氧化硅薄膜層、多晶硅薄膜層；在步驟⑶和(5)中，所述的刻蝕能夠刻蝕步驟⑴所形成多晶硅薄膜層，但不能刻蝕步驟(1)所形成二氧化硅薄膜層；所述的注入工藝以第一圖形層刻蝕后的多晶硅薄膜層作為注入阻擋層，經退火后形成第一注入層。
10.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(4)中，所述的第二圖形層的光亥IJ，是以步驟(3)所形成的第一圖形層為對準層，光刻后形成的光刻膠的圖形用于后續步驟(5)第二次刻蝕的阻擋層。
11.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(6)中，所述的對稱結構圖形的關鍵尺寸的測量，是指分別測量X方向和Y方向兩組對稱圖形的關鍵尺寸。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，在步驟(6)中，所述的測量，必須選擇硅片中的至少5個曝光單元進行測量，其中必須有4個以上曝光單元位于硅片的周邊位置，且在每個曝光單元內，必須測量分別位于曝光單元4個角的所述的X方向和Y方向兩組對稱圖形的關鍵尺寸。
13.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(7)中，所述的第二圖形層的套刻精度，包括以下參數:x方向偏移量、Y方向偏移量、X方向硅片縮放比例、Y方向硅片縮放比例、硅片旋轉角度、硅片正交性、X方向曝光單元縮放比例、Y方向曝光單元縮放比例、曝光單元旋轉角度、曝光單元正交性，其中X方向偏移量和Y方向偏移量使用如下公式計算: X方向偏移量=X方向對稱結構圖形關鍵尺寸的差異/2 Y方向偏移量=Y方向對稱結構圖形關鍵尺寸的差異/2 獲得上述X方向偏移量和Y方向偏移量后，再使用業界通用的公式計算出其他套刻精度參數。
14.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(8)之后增加如下步驟:第三圖形層光刻，然后再同時以光刻膠圖形以及第二圖形層刻蝕后的多晶硅薄膜層作為注入阻擋層進行注入工藝，經退火后形成第二注入層。
【文檔編號】H01L21/027GK103681250SQ201210344778
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月17日 優先權日:2012年9月17日
【發明者】郭曉波, 李偉峰, 孟鴻林 申請人:上海華虹宏力半導體制造有限公司