CN101145535A - 非破坏性检测线宽粗糙现象的方法 - Google Patents
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Abstract
一种非破坏性检测线宽粗糙现象的方法。先提供一晶片，具有一测试键区域，其内设有多条格栅。接着，将该晶片置于光谱关键尺寸检测机台中，其配备有光源、侦检器及数据处理运算单元。使该光源所发射出的一极化光线，照射在该格栅上面，量测反射光线，将光谱数据储存在该数据处理运算单元内。将该光谱数据与一数据库进行比对分析，该数据库具有以接触洞模式建立的理论光谱数据，且该理论光谱数据含有描述不同线宽粗糙现象的参数。再将该光谱数据与数据库的各该理论光谱数据比对，找出最契合者，获得描述实际线宽粗糙度情形的该参数。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种非破坏性检测线宽粗糙(Line Width Roughness，LWR)现象的方法。
背景技术
在半导体工业中，为了能够在有限的晶片面积上获得较高的元件密度，近年来芯片制造业者莫不戮力朝向缩小单一元件的尺寸的技术方向来发展。大致上，元件的关键尺寸约略每隔六年就会缩小一半，然而，当光刻工艺所要定义的线宽越来越细时，细线图案的边缘即会受限于光刻工艺的能力而造成失真，并产生线边粗糙现象，这种线边粗糙(Line EdgeRoughness，LER)现象一般又被称为线宽粗糙(Line Width Roughness，LWR)现象，已严重影响下代光刻工艺的良率与产出效能。
事实上，前述的线边粗糙现象，在目前193纳米以下的先进光刻工艺中已经是个不可忽视的问题。线边粗糙现象一般是指经光刻工艺产生的图案化的细线条光致抗蚀剂或细线路图案，其线边弯曲不平整以至于有线宽波动不均匀的问题。如本领域技术人员所知，上述的线边粗糙现象会影响到元件的电性表现，例如，金属氧化物半导体晶体管的启始电压。
由此可知，前述的线边粗糙现象的检测与评估在光刻工艺领域中即显得特别的重要。在过去，前述的线边粗糙现象的检测通常利用电子束关键尺寸检测(electron-based CD metrology tool)方式来进行，例如，CD电子扫瞄显微镜(CD-Scanning Electron Microscope，CD-SEM)成像技术。然而，这种电子束CD检测技术的缺点在于其会造成193纳米光致抗蚀剂的损坏，亦可能会在晶片上或介电材料中形成不必要的电荷累积。
因此，在半导体工业中，特别是在光刻工艺领域中，仍非常需要尽快发展出一种新检测方法，以取代过去电子束CD检测技术，其能够以非破坏性方式，快速且即时地在线上检测出晶片上的线边粗糙程度，以避免其影响元件的效能。
发明内容
本发明的主要目的即在提供一种非破坏性，快速且即时地在线上检测出晶片上的线边粗糙程度的方法，以解决上述现有技术的问题。
根据本发明的优选实施例，本发明提供一种非破坏性检测线宽粗糙现象的方法。首先提供一晶片，其具有一测试键区域，且在该测试键区域内设有多条格栅。接着，将该晶片置于一具有宽频分光镜椭圆对称技术的光谱关键尺寸(SCD)检测机台中，其至少配备有一光源、一侦检器以及一数据处理运算单元。然后，使该光源所发射出的一极化光线，照射在该测试键区域内多条格栅上面。再藉由该侦检器量测反射光线，并将所得到的光谱数据储存在该数据处理运算单元内。将所量测到的该光谱数据与一连结该数据处理运算单元的数据库进行比对分析，其中该数据库具有多个利用一接触洞模式所建立起来的理论光谱数据，且各该理论光谱数据包括有描述不同线宽粗糙现象情形的参数。最后，将所量测到的该光谱数据与储存在该数据库中利用该接触洞模式计算产生的各该理论光谱数据比对，找出一最契合的理论光谱数据，获得描述实际线宽粗糙度情形的该参数。
根据本发明的另一优选实施例，本发明提供一种非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，首先提供一晶片，具有一测试键区域，且在该测试键区域内设有多条格栅，将该晶片置于一光谱关键尺寸(SCD)检测机台中，其至少配备有一光源、一侦检器以及一数据处理运算单元，使该光源所发射出的一极化光线，照射在该测试键区域内多条格栅上面，藉由该侦检器量测反射光线，并将所得到的光谱数据储存在该数据处理运算单元内，线上即时将所量测到的该光谱数据与一连结该数据处理运算单元的数据库进行比对分析，其中该数据库具有多个理论光谱数据，具有描述不同线宽粗糙现象情形的参数，包括有一接触洞图案在x轴方向上的孔洞直径“a”、在y轴方向上的孔洞直径“b”、矩形率(rectangularity)“r”、椭圆率(ellipticity)“a/b”、在x轴方向上的第一线距以及在y轴方向上的第二线距，最后，将所量测到的该光谱数据与各该理论光谱数据比对，以决定描述实际线宽粗糙度情形的该参数。
为了使本领域技术人员能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。然而附图仅供参考与辅助说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1绘示的是本发明优选实施例利用非破坏性光谱关键尺寸(SCD)技术进行晶片上线宽粗糙现象检测的示意图；
图2绘示的是本发明的优选实施例利用接触洞模式所模拟建立光谱数据的各项主要参数以及用来建立数据库的方程式；
图3至图5绘示的是本发明利用接触洞模式所建立的数据库中分别代表不同线宽粗糙度情形的线宽/间距(line/space)图案。
主要元件符号说明
1 晶片 10 测试键区域
11 格栅 20 宽频光源
22 极化光线 30 旋转偏光镜
40 分析仪 50 分光菱镜
52 反射光线 60 阵列侦检器
100 SCD检测机台 120 数据处理运算单元
200 接触洞图案
具体实施方式
随着元件尺寸微小化以及越来越小的工艺余裕窗口，半导体工艺中对于CD检测设备的精密度与精确度的要求也越来越高，尤其当半导体元件的关键尺寸缩小至数十纳米等级时，线边粗糙现象或者所谓的线宽粗糙现象即成为非常关键而待克服的问题。如前所述，晶片上的线路图案会有线边粗糙现象主要是源于定义该线路图案的光致抗蚀剂材料与蚀刻步骤所累积而成的。在90纳米等级以下，如栅极图案等关键元件层的剖面轮廓控制非常重要，其与良率与晶体管的效能有直接的关系。
有鉴于此，本发明提供一种非破坏性的光学检测方法，用以有效地检测晶片上的线边粗糙现象或者所谓的线宽粗糙现象，例如，定义栅极层的细线光致抗蚀剂图案，使得芯片制造业者能够在线上即时进行工艺控制。
本发明非破坏性的光学检测方法利用光谱椭圆技术(spectroscopicellipsometry)来完成，这种光学检测技术过去通常被用来进行薄膜厚度、薄膜特性的测量或者接触洞的量测，但是并没有针对晶片上细线图案的线边粗糙现象或者所谓的线宽粗糙现象进行检测的功能。应用这种光谱椭圆技术的较著名的厂商有美商科磊公司(KLA-Tencor)的“光谱关键尺寸(spectroscopic critical dimension，SCD)”光学检测技术。此外，本发明非破坏性的光学检测方法亦可以利用反射仪(Reflectometry)技术，应用这种技术较著名的厂商，如Timbre OCD以及NOVA OCD。
图1绘示的是本发明优选实施例利用非破坏性光谱关键尺寸(SCD)技术进行晶片上线宽粗糙现象检测的示意图。如图1所示，首先，提供一晶片1，其上具有一测试键(test key)区域10，在测试键区域10内设置有多条格栅11。根据本发明的优选实施例，测试键区域10设置在晶片1的切割道(scribe line)上，其大小约为50微米×50微米，但并不限于此。例如，该测试键区域可设置在晶方的任何一处，大小大于光源的尺寸即可。
晶片1被放置在一具有宽频分光镜椭圆对称技术的SCD检测机台100中，例如，美商科磊公司所生产的SpectroCD机型或其它同等系统，其至少配备有一宽频光源(broad-band light source)20、一旋转偏光镜(rotatingpolarizer)30、一分析仪(analyzer)40、一分光菱镜(prism)50、一阵列侦检器(array detector)60以及一计算机或数据处理运算单元120。
根据本发明的优选实施例，举例来说，前述在测试键区域10内所设置的多条格栅(grating)11可以包括有厚度约为3000至4000埃的光致抗蚀剂细线图案以及厚度约为100至200埃的底部抗反射层(bottom anti-reflectioncoating，BARC)，但并不限于此。
根据本发明的优选实施例，前述在测试键区域10内所设置的多条格栅11可以是由周期重复再现的紧密细线(line)与间隔(space)图案所构成者，举例来说，其线宽与间隔比例约为80纳米比100纳米，亦即，具有180纳米的线距(pitch)。其中，前述在测试键区域10内所设置的多条格栅11，其尺寸与图案即被设计用来代表芯片内部需被控制的关键线路部分，例如，栅极。
仍请参阅图1，由宽频光源(broad-band light source)20所发射出来的光线，经由旋转偏光极化镜(rotating polarizer)30形成一极化光线22，照射在前述的测试键区域10内所设置的多条格栅11上面，反射光线藉由阵列侦检器(array detector)60量测后所得到的光谱数据被储存在计算机120中，收集到的光谱数据立即与计算机中的数据库内的光谱数据进行比对分析。
请同时参阅图2，根据本发明的优选实施例，前述在图1中的数据库内的光谱数据是利用接触洞模式所模拟建立起来的光谱数据(contact-holemodel based spectra)，可具体描述不同的线宽粗糙现象，如图2所示，其包括的参数有接触洞图案200在x轴方向上的孔洞直径“a”、在y轴方向上的孔洞直径“b”、矩形率(rectangularity)“r”、接触洞图案200的椭圆率(ellipticity)“a/b”、在x轴方向上的第一线距以及在y轴方向上的第二线距。
其中，前述的第二线距小于接触洞图案200在y轴方向上的孔洞直径“b”，而接触洞图案200在x轴方向上的孔洞直径“a”则决定了所欲模拟细线图案的关键尺寸(critical dimension，CD)。
前述的接触洞模式由以下的方程式所定义：
(x2/a2)1/1-r+(y2/b2)1/1-r＝1
藉由改变方程式中的参数，可以计算出理论的光谱数据，并藉此建立起数据库。
举例来说，图3至图5绘示的是本发明利用接触洞模式所建立的数据库中分别代表不同线宽粗糙度情形的线宽/间距(line/space)图案。如图3所示，根据本发明的优选实施例，利用接触洞模式所建立的数据库中，利用一整排互相连接且具有相同尺寸大小的接触洞图案来模拟出一细线图案L，其包括以下的参数条件：每一个接触洞图案在x轴方向上的孔洞直径“a”为80纳米(nm)，每一个接触洞图案在y轴方向上的孔洞直径“b”亦为80纳米(nm)，矩形率“r”等于0，每一个接触洞图案的椭圆率(ellipticity)“a/b”均为1，第一线距为180nm(亦即，线宽为80nm，间距(S)为100nm)，第二线距为80nm。
如图4所示，其包括以下的参数条件：每一个接触洞图案在x轴方向上的孔洞直径“a”为80nm，每一个接触洞图案在y轴方向上的孔洞直径“b”亦为80nm，矩形率“r”等于0，每一个接触洞图案的椭圆率(ellipticity)“a/b”均为1，第一线距为180nm(亦即，线宽为80nm，间距(S)为100nm)，第二线距为40nm。和图3中的线宽/间距(line/space)图案相比，图4中的线宽粗糙度情形较不严重。
如图5所示，其包括以下的参数条件：每一个接触洞图案在x轴方向上的孔洞直径“a”为80nm，每一个接触洞图案在y轴方向上的孔洞直径“b”为40nm，矩形率“r”等于0，每一个接触洞图案的椭圆率(ellipticity)“a/b”为2，第一线距为180nm(亦即，线宽为80nm，间距(S)为100nm)，第二线距为40nm。和图4中的线宽/间距图案相比，图5中的线宽粗糙度情形又更轻微。
此外，本发明方法适用于线宽/间隔比小于1/13的所有线距。
再回到图1，根据本发明，当送检测晶片藉由SCD检测机台100进行量测的同时，量测到的光谱数据即时与数据库中的内建光谱数据比对分析，所量测到的光谱数据与储存在数据库中利用前述的接触洞模式计算产生的理论光谱数据比对找出一最契合的理论光谱数据，即可获得精确描述实际线宽粗糙度情形的各组参数。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (21)
1.一种非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，包括：
提供晶片，具有测试键区域，且在该测试键区域内设有多条格栅；
将该晶片置于光学量测机台中，其至少配备有光源、侦检器以及数据处理运算单元；
使该光源所发射出的极化光线，照射在该测试键区域内多条格栅上面；
藉由该侦检器量测反射光线，并将所得到的光谱数据储存在该数据处理运算单元内；
将所量测到的该光谱数据与连结该数据处理运算单元的数据库进行比对分析，其中该数据库具有多个利用接触洞模式所建立起来的理论光谱数据，且各该理论光谱数据包括有描述不同线宽粗糙现象情形的参数；以及
将所量测到的该光谱数据与储存在该数据库中利用该接触洞模式计算产生的各该理论光谱数据比对，找出最契合的理论光谱数据，获得描述实际线宽粗糙度情形的该参数。
2.如权利要求1所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该光学量测机台包括有具有宽频分光镜椭圆对称技术的光谱关键尺寸检测机台以及反射仪。
3.如权利要求1所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该描述不同线宽粗糙现象情形的参数包括有接触洞图案在x轴方向上的孔洞直径“a”，其决定欲模拟细线图案的关键尺寸。
4.如权利要求1所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该描述不同线宽粗糙现象情形的参数包括有接触洞图案在y轴方向上的孔洞直径“b”。
5.如权利要求1所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该描述不同线宽粗糙现象情形的参数包括有矩形率“r”。
6.如权利要求1所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该描述不同线宽粗糙现象情形的参数包括有接触洞图案的椭圆率“a/b”、在x轴方向上的第一线距以及在y轴方向上的第二线距，其中a代表该接触洞图案在x轴方向上的孔洞直径，b代表该接触洞图案在y轴方向上的孔洞直径。
7.如权利要求1所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该测试键区域可设置在晶方的任何一处，大小大于光源的尺寸。
8.如权利要求1所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该测试键区域设置在切割道上。
9.如权利要求1所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该测试键区域大小约为50微米×50微米。
10.如权利要求1所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该多条格栅为周期重复再现的紧密细线与间隔图案。
11.如权利要求1所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该方法适用于线宽与间隔比小于1比13的所有线距。
12.如权利要求1所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该多条格栅的线宽与间隔比例约为80纳米比100纳米，亦即，具有180纳米的线距。
13.如权利要求1所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该多条格栅为光致抗蚀剂所构成。
14.如权利要求1所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该光源包括有宽频光源。
15.一种非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，包括：
提供晶片，具有测试键区域，且在该测试键区域内设有多条格栅；
将该晶片置于光学检测机台中，其至少配备有光源、侦检器以及数据处理运算单元；
使该光源所发射出的极化光线，照射在该测试键区域内多条格栅上面；
藉由该侦检器量测反射光线，并将所得到的光谱数据储存在该数据处理运算单元内；
线上即时将所量测到的该光谱数据与连结该数据处理运算单元的数据库进行比对分析，其中该数据库具有多个理论光谱数据，具有描述不同线宽粗糙现象情形的参数，包括有接触洞图案在x轴方向上的孔洞直径“a”、在y轴方向上的孔洞直径“b”、矩形率“r”、椭圆率“a/b”、在x轴方向上的第一线距以及在y轴方向上的第二线距；以及
将所量测到的该光谱数据与各该理论光谱数据比对，以决定描述实际线宽粗糙度情形的该参数。
16.如权利要求15所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该光学量测机台包括有具有宽频分光镜椭圆对称技术的光谱关键尺寸检测机台以及反射仪。
17.如权利要求15所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该测试键区域设置在切割道上。
18.如权利要求15所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该测试键区域大小约为50微米×50微米。
19.如权利要求15所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该多条格栅为周期重复再现的紧密细线与间隔图案。
20.如权利要求15所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该多条格栅为光致抗蚀剂所构成。
21.如权利要求15所述的非破坏性检测线宽粗糙现象的方法，其中该光源包括有宽频光源。
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| Allgair et al. | Metrology Requirements for the 32 nm Technology Node and Beyond |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20080319 |
|
| C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned |