一种在线确定光刻工艺窗口的方法

摘要

一种在线确定光刻工艺窗口的方法，通过扫描电子显微镜对晶圆表面图形的关键尺寸进行量测并生成数据；扫描电子显微镜根据量测数据生成泊松曲线和图片矩阵，然后淘汰不可用的并保留可用的泊松曲线，剔除有图形倒塌等不合格的并保留合格的图片；最后扫描电子显微镜根据选择过的泊松曲线和图片矩阵，快速准确的报告出能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距；本发明能够缩短光刻工艺中关键参数的判断和调整周期，实现在线快速准确确定最佳的光刻工艺窗口的大小，缩短获得光刻工艺窗口的时间，并提高光刻图形的质量。

权利要求

1.一种在线确定光刻工艺窗口的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：用扫描电子显微镜对已在光刻机上完成刻蚀的晶圆表面图形的关键尺寸进行量测，并对量测点所在区域进行图形扫描，得到对应量测点所在区域的原始图片；从光刻机的数据服务器系统导入每个关键尺寸量测点所在区域在刻蚀时对应的能量和焦距数据；

步骤S2：根据步骤S1中得到的具有对应关系的关键尺寸、能量和焦距数据，在扫描电子显微镜中生成对应不同能量下的关键尺寸随焦距变化的泊松曲线，并生成将原始图片按照量测点在晶圆上的分布所形成的图片矩阵；

步骤S3：在扫描电子显微镜建立筛选条件，对步骤S2中生成的泊松曲线和图片矩阵进行筛选，淘汰不可信的泊松曲线、保留可用的泊松曲线，并剔除不合格的图片、保留合格的图片；

步骤S4：在扫描电子显微镜建立确定光刻工艺窗口的关键参数的报告条件，根据筛选保留的泊松曲线和图片矩阵，报告关键参数，并根据关键参数确定光刻工艺窗口；所述关键参数包括刻蚀时的能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距。

2.如权利要求1所述的在线确定光刻工艺窗口的方法，其特征在于，步骤S1中所述图形为所述晶圆表面经电子轰击后的光刻层线性和/或非线性图形。

3.如权利要求1所述的在线确定光刻工艺窗口的方法，其特征在于，每条所述泊松曲线是对应某一能量下的关键尺寸随焦距变化的曲线。

4.如权利要求1所述的在线确定光刻工艺窗口的方法，其特征在于，步骤S3中所述筛选条件是对不符合目标关键尺寸范围的泊松曲线和图片进行淘汰处理，并保留符合目标关键尺寸范围的泊松曲线和图片。

5.如权利要求1所述的在线确定光刻工艺窗口的方法，其特征在于，根据步骤S1中得到的具有对应关系的关键尺寸、能量和焦距数据，在扫描电子显微镜中先生成一个对应不同能量和焦距下的关键尺寸的焦距-能量矩阵，然后再根据焦距-能量矩阵生成对应不同能量下的关键尺寸随焦距变化的泊松曲线。

6.如权利要求5所述的在线确定光刻工艺窗口的方法，其特征在于，根据所述焦距-能量矩阵得到图片矩阵，所述图片矩阵是不同的能量配合不同的焦距所形成的图片的矩阵，其中每一列图片是焦距-能量矩阵中某一能量不变的情况下，其焦距从小到大变化时所形成的图片的集合；其中每一行图片是焦距-能量矩阵中某一焦距不变的情况下，其能量从小到大变化时所形成的图片的集合。

7.如权利要求1所述的在线确定光刻工艺窗口的方法，其特征在于，在图片矩阵的筛选条件中，所述不合格的图片包括存在倒塌和/或残缺、散焦、桥接缺陷的图片。

8.如权利要求1、4或7所述的在线确定光刻工艺窗口的方法，其特征在于，根据筛选条件，对图片矩阵的筛选方法为，首先用一张符合要求的关键尺寸的标准图片作为比对图片，然后根据输入的比对条件，分别与所述图片矩阵中的每张图片进行比对，当所述图片矩阵中的图片符合比对条件时，则扫描电子显微镜给出的对比结果为可保留，否则可剔除。

9.如权利要求1或4所述的在线确定光刻工艺窗口的方法，其特征在于，所述扫描电子显微镜根据保留下来的泊松曲线和图片矩阵，并结合关键尺寸目标范围中间值的大小要求，报告关键参数。

说明书

一种在线确定光刻工艺窗口的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及集成电路制造技术领域，更具体地说，涉及一种半导体器件制造工艺中确定光刻工艺窗口的方法。

背景技术

[0002] 随着集成电路半导体器件的制造技术中光刻工艺的发展，集成电路向体积小、低功耗和低成本的方向发展，其中制造集成电路的时间成本是一个重要的考量因素。光刻工艺是制造集成电路工艺中的重要一环，光刻工艺是用光刻机在晶圆上进行小尺寸图形结构的刻蚀制备，刻蚀制备过程是指将衬底上没有被光刻胶保护的部分以物理或化学的方法去除，从而达到将光掩膜上的图案转移到衬底上的目的；随着半导体器件体积的减小和集成度的提高，要求在保证半导体器件性能的前提下，不断减小晶圆上图形结构的尺寸；光刻工艺中一个重要步骤就是确定光刻工艺层的关键参数：能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距。如果光刻工艺层的关键参数选择不合理，光刻工艺的图形就存在倒塌和/或残缺、散焦、桥接等缺陷，特别是60纳米及其以下的光刻技术中，由于光刻工艺窗口或者栅极宽度要求进一步减小，光刻工艺层的关键参数直接影响到刻蚀中沟槽侧壁的平整度和沟槽深度的均匀性。所以在晶圆批量刻蚀生产之前，需要进行光刻工艺层关键参数的确定。

[0003] 在现有技术中，对于光刻工艺层关键参数的确定方法，目前业界的先进方法是，首先在光刻机上设定不同能量分别对应不同焦距参数，然后在同一张晶圆上刻蚀出不同能量对应不同焦距的图形，并利用扫描电子显微镜对光刻后的图形进行扫描，如图1所示，图1为现有技术中用扫描电子显微镜对晶圆进行扫描的工艺示意图，其中，1为晶圆，2为扫描电子显微镜；扫描电子显微镜根据扫描的原始数值画出关键尺寸-焦距关系的泊松曲线，并根据扫描结果收集原始图片，以帮助扫描电子显微镜对刻蚀图形中沟槽侧壁的平整度和沟槽深度的均匀性进行判断。

[0004] 然而，目前的扫描电子显微镜对光刻后图形进行扫描的方法，只能生成单一的泊松曲线和图片，不具备在线报告能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距的功能。

[0005] 如果希望在扫描电子显微镜扫描的基础上得到符合关键尺寸要求的能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距，可以通过人为分析所生成的泊松曲线和图片的方法，找出沟槽侧壁平整且沟槽深度均匀的图形，然后判断其所对应的关键参数。

[0006] 然而，本领域技术人员清楚，目前在线作业过程中，通过人为分析与判断，无法准确判断图形中关键尺寸与目标关键尺寸相差的大小，也不易确定图形在晶圆上刻蚀时的具体位置，也无法建立焦距、能量和关键尺寸之间的具体对应关系，所以无法确定能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距等数据；且增加了判断的时间成本，又耗费人力。

[0007] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种在线确定光刻工艺窗口的方法，以在线准确快速报告出刻蚀图形的最佳关键参数。

发明内容

[0008] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于扫描电子显微镜能在线准确快速的报告出刻蚀图形的能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距等关键参数，以在线确定光刻工艺窗口的大小。

[0009] 为实现上述目的，本发明提供了一种在线确定光刻工艺窗口的方法，其通过扫描电子显微镜生成的泊松曲线淘汰不可信的并保留可用的泊松曲线，并根据扫描电子显微镜生成的图片矩阵剔除有图形倒塌等不合格的并保留合格的图片；然后扫描电子显微镜根据选择过的泊松曲线和图片矩阵，快速准确的报告出能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距；基于该方法，能够缩短关键参数的判断和调整周期，以缩短获得光刻工艺窗口的时间，并提高刻蚀图形的质量。本发明的技术方案如下：

[0010] 一种在线确定光刻工艺窗口的方法，包括如下步骤：

[0011] 步骤S1：用扫描电子显微镜对已在光刻机上完成刻蚀的晶圆表面图形的关键尺寸进行量测，并对量测点所在区域进行图形扫描，得到对应量测点所在区域的原始图片；从光刻机的数据服务器系统导入每个关键尺寸量测点所在区域在刻蚀时对应的能量和焦距数据；

[0012] 步骤S2：根据步骤S1中得到的具有对应关系的关键尺寸、能量和焦距数据，在扫描电子显微镜中生成对应不同能量下的关键尺寸随焦距变化的泊松曲线，并生成将原始图片按照量测点在晶圆上的分布所形成的图片矩阵；

[0013] 步骤S3：在扫描电子显微镜建立筛选条件，对步骤S2中生成的泊松曲线和图片矩阵进行筛选，淘汰不可信的泊松曲线、保留可用的泊松曲线，并剔除不合格的图片、保留合格的图片；

[0014] 步骤S4：在扫描电子显微镜建立确定光刻工艺窗口的关键参数的报告条件，根据筛选保留的泊松曲线和图片矩阵，报告关键参数，并根据关键参数确定光刻工艺窗口；所述关键参数包括刻蚀时的能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距。

[0015] 优选地，步骤S1中所述图形为所述晶圆表面经电子轰击后的光刻层线性和/或非线性图形。

[0016] 优选地，每条所述泊松曲线是对应某一能量下的关键尺寸随焦距变化的曲线。

[0017] 优选地，步骤S3中所述筛选条件是对不符合目标关键尺寸范围的泊松曲线和图片进行淘汰处理，并保留符合目标关键尺寸范围的泊松曲线和图片。

[0018] 此处设计的目的在于，建立一个在线确定光刻工艺窗口的方法，根据扫描电子显微镜量测的焦距-能量矩阵数据，确定光刻工艺层的关键参数：能量梯度、可用焦深、最佳能量、最佳焦距等，该工艺过程包含两方面的功能，一是扫描电子显微镜根据焦距-能量矩阵量测数值生成一个泊松曲线图,横轴是焦距，纵轴是关键尺寸，每条曲线是某一能量下的关键尺寸随焦距变化曲线，并进行选择；二是扫描电子显微镜根据原始图片按照量测点在晶圆上的分布生成对应的图片矩阵并进行选择；然后扫描电子显微镜根据选择过的泊松曲线和图片矩阵，报告出能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距，以在线快速准确的确定最佳的光刻工艺窗口的大小，减少人工线下数据分析时的误判和工作负担，缩短了生产周期，提高了晶圆的刻蚀效率和质量；所述的关键尺寸量测机台，包括日立扫描电子显微镜机台、应用材料扫描电子显微镜等扫描电子显微镜。

[0019] 优选地，根据步骤S1中得到的具有对应关系的关键尺寸、能量和焦距数据，在扫描电子显微镜中先生成一个对应不同能量和焦距下的关键尺寸的焦距-能量矩阵，然后再根据焦距-能量矩阵生成对应不同能量下的关键尺寸随焦距变化的泊松曲线。

[0020] 优选地，根据所述焦距-能量矩阵得到图片矩阵，所述图片矩阵是不同的能量配合不同的焦距所形成的图片的矩阵，其中每一列图片是焦距-能量矩阵中某一种能量不变的情况下，其焦距从小到大变化时所形成的图片的集合；其中每一行图片是焦距-能量矩阵中某一种焦距不变的情况下，其能量从小到大变化时所形成的图片的集合。

[0021] 优选地，在图片矩阵的筛选条件中，所述不合格的图片包括存在倒塌和/或残缺、散焦、桥接缺陷的图片。

[0022] 优选地，根据筛选条件，对图片矩阵的筛选方法为，首先用一张符合要求的关键尺寸的标准图片作为比对图片，然后根据输入的比对条件，分别与所述图片矩阵中的每张图片进行比对，当所述图片矩阵中的图片符合比对条件时，则扫描电子显微镜给出的对比结果为可保留，否则可剔除。

[0023] 优选地，所述扫描电子显微镜根据保留下来的泊松曲线和图片矩阵，并结合关键尺寸目标范围中间值的大小要求，报告关键参数。

[0024] 此处设计的目的在于，扫描电子显微镜根据生成的泊松曲线去除不可信的并保留可用的泊松曲线，根据扫描电子显微镜生成的图片矩阵去除不合格的如图形倒塌和/或残缺、散焦、桥接等图片并保留合格的图片；其关键参数的报告包括光刻机在晶圆上进行刻蚀时的能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距4个参数，因为根据该4个参数，扫描电子显微镜就可以确定最佳的光刻工艺窗口的大小，以为后道工序中的晶圆批量刻蚀提供最佳的参数。

[0025] 从上述技术方案可以看出，本发明一种在线确定光刻工艺窗口的方法，通过扫描电子显微镜生成的泊松曲线淘汰不可信的并保留可用的泊松曲线，并根据扫描电子显微镜生成的图片矩阵剔除有图形倒塌等不合格的并保留合格的图片；然后扫描电子显微镜根据选择过的泊松曲线和图片矩阵，快速准确的报告出能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距；基于该方法，能够减少人工对关键参数的误判，并缩短关键参数的判断和调整周期，以缩短获得光刻工艺窗口的时间，并提高刻蚀图形的质量。

[0026] 以下将结合附图对本发明的构思、具体流程及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

[0027] 图1为现有技术中用扫描电子显微镜对晶圆进行扫描的工艺示意图；

[0028] 图2为本发明中用扫描电子显微镜对晶圆进行扫描并进行数据处理的逻辑控制框图；

[0029] 图3为本发明中扫描电子显微镜根据原始数值矩阵画出的关键尺寸-焦距关系的泊松曲线图；

[0030] 图4为本发明中扫描电子显微镜去除不在规格范围内的泊松曲线图；

[0031] 图5为本发明中扫描电子显微镜根据原始图片生成按硅片位置分布排列的图片矩阵；

[0032] 图6为本发明中扫描电子显微镜去除倒塌和/或残缺、散焦、桥接等图形异常图片后的图片矩阵。

[0033] 图中，1为晶圆，2为扫描电子显微镜。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图2～4，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

[0035] 需要说明的是，在下述实施例中，以目标关键尺寸55nm，规格+/-6nm为例进行说明。

[0036] 请参阅图2，图2为本发明中用扫描电子显微镜对晶圆进行扫描并进行数据处理的逻辑控制框图；其说明了一种在线确定光刻工艺窗口的方法，包括如下步骤：

[0037] 步骤S1：请参阅表1，表1是经扫描电子显微镜收集的焦距-能量矩阵，其目标关2
键尺寸为55nm，规格为+/-6nm，如表1所示，矩阵的首行为能量，单位为mj/cm，从左到右每
2
格依次增加1mj/cm；矩阵的首列为焦距，单位为um，从上往下每格依次增加0.03um；矩阵的表中为关键尺寸数值，单位为nm；用扫描电子显微镜2对已在光刻机上完成刻蚀的晶圆
1表面图形的关键尺寸进行量测，并对量测点所在区域进行图形扫描，得到对应量测点所在区域的原始图片；从光刻机的数据服务器系统导入每个关键尺寸量测点所在区域在刻蚀时对应的能量和焦距数据；

[0038]19.7 20.7 21.7 22.7 23.7 24.7 25.7 26.7 27.7 28.7 29.7
-0.16 49.11 53.34 57.16
-0.13 43.67 45.64 50.1 54.7 57.57 62.1 64.69
-0.1 36.6 43.58 48.17 53.16 57.28 59.51 62.69 65.04 67.16
-0.07 33.32 38.32 43.64 49.64 53.34 57.27 60.52 63.81 65.78 68.59 71-0.04 36.84 41.3 42.62 48.78 52.38 55.46 60.39 62.76 67.51 69.34 71.07-0.01 35.33 34.69 42.59 48.51 53.24 57.35 60.87 64.46 66.5 68.01 72.27
0.02 49.36 40.78 45.73 52.33 55.8 59.83 63.07 65.77 68.92
0.05 36.19 48.62 54.05 57.89 62.53 66.6
0.08 45.01 52.21 56.62

[0039] 表1焦距-能量矩阵

[0040] 步骤S2：请参阅图3，图3为本发明中扫描电子显微镜根据原始数值矩阵画出的关键尺寸-焦距关系的泊松曲线图。如图3所示，根据步骤S1中得到的具有对应关系的关键尺寸、能量和焦距数据，在扫描电子显微镜2中生成对应不同能量下的关键尺寸随焦距变化的泊松曲线，图3中横轴是焦距，纵轴是关键尺寸，每条曲线是某一能量下的关键尺寸随焦距变化曲线；

[0041] 请参阅图5，图5为本发明中扫描电子显微镜根据原始图片生成按硅片位置分布排列的图片矩阵。如图5所示，根据步骤S1中得到的具有对应关系的关键尺寸、能量和焦距数据，在扫描电子显微镜2中生成将原始图片按照量测点在晶圆1上的分布所形成的图片矩阵；

[0042] 步骤S3：请参阅图4，图4为本发明中扫描电子显微镜去除不在规格范围内的泊松曲线图；如图4所示，在扫描电子显微镜2建立筛选条件，对步骤S2中生成的泊松曲线进行筛选，淘汰不可信的泊松曲线、保留可用的泊松曲线；

[0043] 请参阅图6，图6为本发明中扫描电子显微镜去除倒塌和/或残缺、散焦、桥接等图形异常图片后的图片矩阵；如图6所示，对步骤S2中生成的图片矩阵进行筛选，并剔除不合格的图片、保留合格的图片；

[0044] 步骤S4：在扫描电子显微镜2建立确定光刻工艺窗口的关键参数的报告条件，根据筛选保留的泊松曲线和图片矩阵，报告关键参数，并根据关键参数确定光刻工艺窗口。

[0045] 在实施例中，所述关键参数包括刻蚀时的能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距。

[0046] 在实施例中，步骤S1中所述图形为所述晶圆1表面经电子轰击后的光刻层线性和/或非线性图形。

[0047] 在实施例中，每条所述泊松曲线是对应某一能量下的关键尺寸随焦距变化的曲线。

[0048] 在实施例中，步骤S3中所述筛选条件是对不符合目标关键尺寸范围的泊松曲线和图片进行淘汰处理，并保留符合目标关键尺寸范围的泊松曲线和图片。

[0049] 在实施例中，根据扫描电子显微镜2量测的焦距-能量矩阵数据，确定光刻工艺层的关键参数：能量梯度、可用焦深、最佳能量、最佳焦距等，该工艺过程包含两方面的功能，一是扫描电子显微镜2根据焦距-能量矩阵量测数值生成一个泊松曲线图,横轴是焦距，纵轴是关键尺寸，每条曲线是某一能量下的关键尺寸随焦距变化曲线，并进行选择；二是扫描电子显微镜2根据原始图片按照量测点在晶圆1上的分布生成对应的图片矩阵并进行选择；然后扫描电子显微镜2根据选择过的泊松曲线和图片矩阵，报告出能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距，以在线快速准确的确定最佳的光刻工艺窗口的大小，减少人工线下数据分析时的误判和工作负担，缩短了生产周期，提高了晶圆1的刻蚀效率和质量；所述的关键尺寸量测机台，包括日立扫描电子显微镜机台、应用材料扫描电子显微镜等扫描电子显微镜。

[0050] 在实施例中，根据步骤S1中得到的具有对应关系的关键尺寸、能量和焦距数据，在扫描电子显微镜2中先生成一个对应不同能量和焦距下的关键尺寸的焦距-能量矩阵，然后再根据焦距-能量矩阵生成对应不同能量下的关键尺寸随焦距变化的泊松曲线。

[0051] 在实施例中，根据所述焦距-能量矩阵得到图片矩阵，所述图片矩阵是不同的能量配合不同的焦距所形成的图片的矩阵，其中每一列图片是焦距-能量矩阵中某一种能量不变的情况下，其焦距从小到大变化时所形成的图片的集合；其中每一行图片是焦距-能量矩阵中某一种焦距不变的情况下，其能量从小到大变化时所形成的图片的集合。

[0052] 在实施例中，在图片矩阵的筛选条件中，所述不合格的图片包括存在倒塌和/或残缺、散焦、桥接缺陷的图片。

[0053] 在实施例中，根据筛选条件，对图片矩阵的筛选方法为，首先用一张符合要求的关键尺寸的标准图片作为比对图片，然后根据输入的比对条件，分别与所述图片矩阵中的每张图片进行比对，当所述图片矩阵中的图片符合比对条件时，则扫描电子显微镜2给出的对比结果为可保留，否则可剔除。

[0054] 在实施例中，所述扫描电子显微镜2根据保留下来的泊松曲线和图片矩阵，并结合关键尺寸目标范围中间值的大小要求，报告关键参数。

[0055] 在实施例中,扫描电子显微镜2根据生成的泊松曲线去除不可信的并保留可用的泊松曲线，根据扫描电子显微镜2生成的图片矩阵去除不合格的如图形倒塌和/或残缺、散焦、桥接等图片并保留合格的图片；其关键参数的报告包括光刻机在晶圆1上进行刻蚀时的能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距4个参数，因为根据该4个参数，扫描电子显微镜2就可以确定最佳的光刻工艺窗口的大小，以为后道工序中的晶圆1批量刻蚀提供最佳的参数。

[0056] 从上述技术方案可以看出，本发明一种在线确定光刻工艺窗口的方法，通过扫描电子显微镜2生成的泊松曲线淘汰不可信的并保留可用的泊松曲线，并根据扫描电子显微镜2生成的图片矩阵剔除有图形倒塌等不合格的并保留合格的图片；然后扫描电子显微镜2根据选择过的泊松曲线和图片矩阵，快速准确的报告出能量梯度、可用焦深、最佳能量和最佳焦距；基于该方法，能够减少人工对关键参数的误判，并缩短关键参数的判断和调整周期，以缩短获得光刻工艺窗口的时间，并提高刻蚀图形的质量。

[0057] 以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。