测量外延生长中图形畸变的方法转让专利
申请号 : CN200710094581.X
文献号 : CN101465306B
文献日 : 2010-10-06
发明人 : 王雷
申请人 : 上海华虹NEC电子有限公司
摘要 :
本发明公开了一种测量外延生长中图形畸变的方法，其利用光刻套刻精度的测量方法，利用外延层在一些材料上很难生长的特性，分别制备被保护层保护的测量图形的外框、对准图形和未被保护能进行外延生长的测量图形外框、对准图形，然后通过后续的一次光刻，对准相应的对准图形进行光刻曝光产生测量图形的内框，最后利用测量光刻套刻精度的方法来得到被保护层覆盖的测量图形及未被保护覆盖的测量图形的内框和外框的相对偏移量，从而表征外延层的图形畸变量。该方法适用于半导体制造中常见的各种分子外延生长工艺中，可以直接作为日常检查外延生长工艺的测量控制手段。
权利要求 :
1.一种测量外延生长中图形畸变的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)对衬底层进行光刻及刻蚀，制备出两个光刻对准图形和两个光刻套刻精度测量图形的外框或内框；
(2)在上述对准图形和测量图形上淀积一保护层；
(3)对步骤(2)中所述的保护层进行光刻及刻蚀，使保护层只覆盖其中一个对准图形和一个测量图形的外框或内框；
(4)进行外延层生长；
(5)使用步骤(3)中被保护层覆盖的对准图形进行对准光刻曝光，产生测量图形的内框或外框，最后利用测量光刻套刻精度的方法得到被保护层覆盖的测量图形及未被保护层覆盖的测量图形的内框和外框的相对偏移量，从而表征外延层的图形畸变量。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述保护层为后续的外延生长工艺中不进行外延生长或难进行生长的材料。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述保护层为可以进行外延生长的材料。
4.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于：所述难进行外延生长或可以进行外延生长的材料作保护层时，还包括在步骤(4)之后去掉所述保护层上的外延层的步骤。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：还包括在去除外延层之后将所述保护层去除的步骤。
6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的保护层材料的外延生长速度与衬底材料的外延生长速度不同。
7.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)后去除的保护层上的外延层的刻蚀工艺中采用保护层材料的刻蚀速率小于外延层的刻蚀速率的刻蚀条件。
8.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的保护层材料为氧化硅或氮化硅。
9.按照权利要求1、2、3、5、6、7或8中任一项所述的方法，其特征在于：所述保护层的厚度为10～10um之间。
10.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：所述保护层的厚度为10～10um之间。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种半导体制造领域中测量外延生长中图形畸变的方法。
背景技术
在芯片制造过程中，通常要通过多层光刻工艺才能完成整个制造过程。光刻后的测量工艺，即套刻精度测量工艺，是检验下层与上层光刻图形位置的对准是否符合要求的至关重要的一步。在半导体制造中的外延层成长时，图形畸变是比较常见的一种现象。而图形畸变会影响后续的光刻对准精度，从而制约光刻的套刻精度，限制了小尺寸外延器件的开发和制造。如何精确测量外延生长时产生的图形畸变量，对于提高光刻套刻精度，有非常重要的意义。
现行常用的测量外延生长中图形畸变的方法是染色法。这种方法的缺陷在于对测量微小尺寸(10～100nm)的畸变量精度不够，无法进行精确表征，因而需要一种精确测量的方法来提高精度。
现行常用的测量外延生长中图形畸变的方法是染色法。这种方法的缺陷在于对测量微小尺寸(10～100nm)的畸变量精度不够，无法进行精确表征，因而需要一种精确测量的方法来提高精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种测量外延生长中图形畸变的方法，其能提高光刻套刻的精确度。
为解决上述技术问题，本发明的测量外延生长中图形畸变的方法，包括以下步骤：
(1)对衬底层进行光刻及刻蚀，制备出两个光刻对准图形和两个光刻套刻精度测量图形的外框或内框；
(2)在上述对准图形和测量图形上淀积一保护层；
(3)对步骤(2)中所述的保护层进行光刻及刻蚀，使保护层只覆盖其中一个对准图形和一个测量图形的外框或内框；
(4)进行外延层生长；
(5)使用步骤(3)中被保护层覆盖的对准图形进行对准光刻曝光，产生两个测量图形的内框或外框，最后利用测量光刻套刻精度的方法来得到被保护层覆盖的测量图形及未被保护层覆盖的测量图形的内框和外框的相对偏移量，从而表征外延层的图形畸变量。
采用本发明的方法进行外延生长中外延层图形畸变的测量，可以提高测量外延层图形畸变的精确度。精度可以提高到10nm左右，大大高于现行的染色法。同时借助于光刻套刻模型，可以得到比染色法更多的信息，如相对的偏移、拉伸、旋转、正交等等(这些信息均可通过现有的光刻套刻技术得到)。并且本发明的方法可以直接作为日常检查外延生长工艺的测量控制手段。同时通过光刻测量得到的畸变量，可以在后续的光刻中进行补正，消除图形畸变带来的光刻套准精度偏差。
为解决上述技术问题，本发明的测量外延生长中图形畸变的方法，包括以下步骤：
(1)对衬底层进行光刻及刻蚀，制备出两个光刻对准图形和两个光刻套刻精度测量图形的外框或内框；
(2)在上述对准图形和测量图形上淀积一保护层；
(3)对步骤(2)中所述的保护层进行光刻及刻蚀，使保护层只覆盖其中一个对准图形和一个测量图形的外框或内框；
(4)进行外延层生长；
(5)使用步骤(3)中被保护层覆盖的对准图形进行对准光刻曝光，产生两个测量图形的内框或外框，最后利用测量光刻套刻精度的方法来得到被保护层覆盖的测量图形及未被保护层覆盖的测量图形的内框和外框的相对偏移量，从而表征外延层的图形畸变量。
采用本发明的方法进行外延生长中外延层图形畸变的测量，可以提高测量外延层图形畸变的精确度。精度可以提高到10nm左右，大大高于现行的染色法。同时借助于光刻套刻模型，可以得到比染色法更多的信息，如相对的偏移、拉伸、旋转、正交等等(这些信息均可通过现有的光刻套刻技术得到)。并且本发明的方法可以直接作为日常检查外延生长工艺的测量控制手段。同时通过光刻测量得到的畸变量，可以在后续的光刻中进行补正，消除图形畸变带来的光刻套准精度偏差。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1本发明的测量样品制备流程图；
图2本发明的一具体测量图形。
图1本发明的测量样品制备流程图；
图2本发明的一具体测量图形。
具体实施方式
本发明的测量外延生长中外延层的图形畸变的方法，其利用保护层分别制备出被保护和未被保护的光刻对准图形和光刻套刻测量图形，然后通过光刻套刻精度测量的方法得到外延层的图形畸变量。保护层材料可以是氧化物，氮化物或其他其上不进行外延生长或很难进行外延生长的材料。本专利所指的难进行外延生长的材料是指在该材料上进行外延生长工艺时，其外延生长的速度远小于衬底材料外延生长的速度。保护层材料也可以是能进行外延生长的材料。针对保护层生长的情况来区分，有两种情况：1、完全不生长或生长的很少，无图形偏移，此时在后续的外延生长后保护层可以不去除，也可以为了提高测量对比度去除。2、保护层也进行生长，此时需要在外延层生长完成后，根据测量精度要求，确定需要去除还是不需要去除，如精度达不到要求时需要去除保护层上的外延生长层，即进行附加的光刻和刻蚀，刻蚀采用保护层材料的刻蚀速率小于外延生长层的刻蚀速率的刻蚀条件，使刻蚀停止在保护层上。利用保护层作为刻蚀阻挡层去除保护层上的外延生长层，把保护层之下的受到保护的没有图形畸变的测量图形和对准图形露出来。上述刻蚀也可将保护层一并去除(也可分两步去除)，而后进行外延图形畸变量的测量和计算，以更精确的表示外延图形的畸变精度。在具体应用时要根据最终测量图形的对比度来决定是否需要保留。
本发明的一个具体的样品制备和测量工艺流程见图1，下面结合图2中采用不进行外延生长的保护层材料的实例对此作具体说明：
(1)使用光刻版A对衬底层进行光刻及刻蚀，制备出两个光刻对准图形(即光刻对准图形1和光刻对准图形2)和两个光刻套刻精度(Overlay)测量图形的外框，即光刻套刻图形1和光刻套刻图形2；
(2)在步骤(1)中的对准图形和测量图形的外框上淀积一不进行外延生长或难进行外延生长的材料作保护层，保护层的作用是在进行外延生长时使外延层不在保护层上生长或生长的量很少。从工艺简便起见，保护层材料优选为半导体制造中常用的氧化物或者氮化物，也可以使用其他具有相同特征的材料，保护层的厚度可为10～10um之间；
(3)使用光刻版B对保护层光刻及刻蚀，使保护层覆盖其中一个光刻对准图形和一个光刻套刻精度测量图形的外框，具体在图2的步骤(3)中为去掉光刻对准图形2和光刻套刻图形2上的保护层；
(4)进行外延层生长，制备出外延层的图形，因光刻对准图形1和光刻套刻图形1上覆盖有难进行外延生长的保护层，故在这一步中，外延层在光刻对准图形2和光刻套刻图形2上非常明显；
(5)采用光刻版C对测量层光刻，使用步骤(3)中被保护层覆盖的光刻对准图形(即受保护层保护的光刻对准图形)，即光刻对准图形1进行对准，产生测量图形的内框，然后通过测量当前层的(即光刻胶层)测量图形与两组测量图形的光刻套刻值分别得到当前层与衬底层的套刻值和当前层与外延层的套刻值，即测量图形的内框和外框的偏移量。通过这两组偏移量可以得到精确的外延层与初始的衬底层的畸变量。
因为光刻套刻测量图形的制备可采用两种，一是外框套内框，此时在衬底层光刻刻蚀时生成测量图形的外框，而在步骤(5)中光刻时光刻层生成测量图形的内框；另外一种是内框套外框，此时在衬底层光刻刻蚀时生成测量图形的内框，即上述步骤(1)中先制备的是测量图形的内框，而在步骤(5)光刻时，光刻层生成测量图形外框，即步骤(5)中为光刻层图形为测量图形的内框。
上述的光刻对准图形可以是半导体制造中常用的全局增强型对准方法对准图形(Enhanced Global Alignment)或其他图形，而光刻套刻测量图形可以是半导体制造中一般的正方形套正方形法(Box in Box)、条套条法(Bar in Bar)或图形套图形法(Frame in Frame)等等。目前使用的传统测量图形称为套刻盒图形(Boxmark)。一种具体的Box in Box为由内框和外框两个正方形组成，两个正方形的中心相同，并且正方形的边相互平行。其中内框正方形边长为10um，外框正方形的边长为20um。外框由需要被对准的下层光刻工程制成，而内框由当前层光刻工程制成。套刻精度测定机通过显微镜图像得出的波形测出内外框的坐标及大小，并通过比较左右边框的坐标差来算出横坐标方向和纵坐标方向的套刻偏移量，最后通过该偏移量与制品所要求的规格进行比较，从而判断出这两层光刻之间的对准是否符合要求。
本发明的样品制备时所需要的光刻版A，B，C上图形的关系为：光刻版B保护了光刻版A中光刻对准图形和测量图形中其中一套测量图形和光刻对准图形，而另一套则不能被保护，且必须在保护层刻蚀中保证保护层被去掉。
本发明的测量图形光刻和最终测量中，根据光刻对准图形和套刻精度测量图形的选取可以有多种测量法：
(1)使用被保护的光刻对准图形进行对准，测量保护与未保护的测量图形来。此时计算结果可以直接表征外延层的图形畸变量。
(2)使用未被保护的光刻对准图形进行对准，测量保护与未保护的测量图形来。此时结果为衬底层相对于外延层的图形畸变量，此时需要建立模型(可为一般的光刻套刻表征模型)反向推算外延层的图形畸变量。
(3)分别使用保护与未被保护的光刻对准图形来进行对准，测量被保护的测量图形，得到两个套刻的偏移量，然后需要建立模型(可为一般的光刻套刻表征模型)来反推外延生长后的光刻对准图形相对于被保护的原始的光刻对准图形的相对图形畸变，再反推外延层的图形畸变量。
(4)分别使用保护与未被保护的光刻对准图形来进行对准，测量未保护的测量图形，得到两个套刻的偏移量，然后需要建立模型(可为一般的光刻套刻表征模型)来反推原始的被保护的光刻对准图形相对于外延生长后的光刻对准图形相对图形畸变，再反推外延层的图形畸变量。
本发明的方法适用于半导体制造中常见的各种分子外延生长工艺，包括硅，锗，锗/硅等的外延生长中。使用了本发明的测量方法后，可以比较精确的测量出外延生长工艺造成的图形畸变量，一方面可以提高外延工艺的工艺参数表现的表征能力，另一方面对于后续的光刻对准工艺有很大帮助，可以提高小尺寸外延产品的光刻对准精度，从而使外延产品的尺寸不断缩小成为可能。
本发明的一个具体的样品制备和测量工艺流程见图1，下面结合图2中采用不进行外延生长的保护层材料的实例对此作具体说明：
(1)使用光刻版A对衬底层进行光刻及刻蚀，制备出两个光刻对准图形(即光刻对准图形1和光刻对准图形2)和两个光刻套刻精度(Overlay)测量图形的外框，即光刻套刻图形1和光刻套刻图形2；
(2)在步骤(1)中的对准图形和测量图形的外框上淀积一不进行外延生长或难进行外延生长的材料作保护层，保护层的作用是在进行外延生长时使外延层不在保护层上生长或生长的量很少。从工艺简便起见，保护层材料优选为半导体制造中常用的氧化物或者氮化物，也可以使用其他具有相同特征的材料，保护层的厚度可为10～10um之间；
(3)使用光刻版B对保护层光刻及刻蚀，使保护层覆盖其中一个光刻对准图形和一个光刻套刻精度测量图形的外框，具体在图2的步骤(3)中为去掉光刻对准图形2和光刻套刻图形2上的保护层；
(4)进行外延层生长，制备出外延层的图形，因光刻对准图形1和光刻套刻图形1上覆盖有难进行外延生长的保护层，故在这一步中，外延层在光刻对准图形2和光刻套刻图形2上非常明显；
(5)采用光刻版C对测量层光刻，使用步骤(3)中被保护层覆盖的光刻对准图形(即受保护层保护的光刻对准图形)，即光刻对准图形1进行对准，产生测量图形的内框，然后通过测量当前层的(即光刻胶层)测量图形与两组测量图形的光刻套刻值分别得到当前层与衬底层的套刻值和当前层与外延层的套刻值，即测量图形的内框和外框的偏移量。通过这两组偏移量可以得到精确的外延层与初始的衬底层的畸变量。
因为光刻套刻测量图形的制备可采用两种，一是外框套内框，此时在衬底层光刻刻蚀时生成测量图形的外框，而在步骤(5)中光刻时光刻层生成测量图形的内框；另外一种是内框套外框，此时在衬底层光刻刻蚀时生成测量图形的内框，即上述步骤(1)中先制备的是测量图形的内框，而在步骤(5)光刻时，光刻层生成测量图形外框，即步骤(5)中为光刻层图形为测量图形的内框。
上述的光刻对准图形可以是半导体制造中常用的全局增强型对准方法对准图形(Enhanced Global Alignment)或其他图形，而光刻套刻测量图形可以是半导体制造中一般的正方形套正方形法(Box in Box)、条套条法(Bar in Bar)或图形套图形法(Frame in Frame)等等。目前使用的传统测量图形称为套刻盒图形(Boxmark)。一种具体的Box in Box为由内框和外框两个正方形组成，两个正方形的中心相同，并且正方形的边相互平行。其中内框正方形边长为10um，外框正方形的边长为20um。外框由需要被对准的下层光刻工程制成，而内框由当前层光刻工程制成。套刻精度测定机通过显微镜图像得出的波形测出内外框的坐标及大小，并通过比较左右边框的坐标差来算出横坐标方向和纵坐标方向的套刻偏移量，最后通过该偏移量与制品所要求的规格进行比较，从而判断出这两层光刻之间的对准是否符合要求。
本发明的样品制备时所需要的光刻版A，B，C上图形的关系为：光刻版B保护了光刻版A中光刻对准图形和测量图形中其中一套测量图形和光刻对准图形，而另一套则不能被保护，且必须在保护层刻蚀中保证保护层被去掉。
本发明的测量图形光刻和最终测量中，根据光刻对准图形和套刻精度测量图形的选取可以有多种测量法：
(1)使用被保护的光刻对准图形进行对准，测量保护与未保护的测量图形来。此时计算结果可以直接表征外延层的图形畸变量。
(2)使用未被保护的光刻对准图形进行对准，测量保护与未保护的测量图形来。此时结果为衬底层相对于外延层的图形畸变量，此时需要建立模型(可为一般的光刻套刻表征模型)反向推算外延层的图形畸变量。
(3)分别使用保护与未被保护的光刻对准图形来进行对准，测量被保护的测量图形，得到两个套刻的偏移量，然后需要建立模型(可为一般的光刻套刻表征模型)来反推外延生长后的光刻对准图形相对于被保护的原始的光刻对准图形的相对图形畸变，再反推外延层的图形畸变量。
(4)分别使用保护与未被保护的光刻对准图形来进行对准，测量未保护的测量图形，得到两个套刻的偏移量，然后需要建立模型(可为一般的光刻套刻表征模型)来反推原始的被保护的光刻对准图形相对于外延生长后的光刻对准图形相对图形畸变，再反推外延层的图形畸变量。
本发明的方法适用于半导体制造中常见的各种分子外延生长工艺，包括硅，锗，锗/硅等的外延生长中。使用了本发明的测量方法后，可以比较精确的测量出外延生长工艺造成的图形畸变量，一方面可以提高外延工艺的工艺参数表现的表征能力，另一方面对于后续的光刻对准工艺有很大帮助，可以提高小尺寸外延产品的光刻对准精度，从而使外延产品的尺寸不断缩小成为可能。