CN101211803A - 沟槽轮廓参数检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种沟槽轮廓参数检测方法，包括：提供一半导体衬底；在所述衬底表面形成沟槽区；利用光学特征尺寸测量方法测量所述沟槽的轮廓参数。本发明的沟槽轮廓参数检测方法能够以高效和非破坏性的方式测量沟槽轮廓参数。

Description

沟槽轮廓参数检测方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种STI(浅沟槽隔离)隔离沟槽的外形轮廓参数(包括沟槽深度、线宽)的测量方法。

背景技术

随着半导体工艺进入深亚微米时代，0.13μm以下的元件例如CMOS器件中，NMOS晶体管和PMOS晶体管之间的隔离层均采用浅沟槽隔离工艺(STI)形成。在这种工艺中，先在衬底上形成浅沟槽，元件之间用刻蚀的浅沟槽隔开，然后在沟槽侧壁和底部形成氧化衬垫，再利用化学气相淀积(CVD)在浅沟槽中填入绝缘介质，例如氧化硅。在填入绝缘介质之后，用化学机械研磨(CMP)的方法使沟槽表面平坦化。专利号为ZL98125145.5的中国专利公开了一种在半导体器件内形成隔离沟槽的方法，图1为STI隔离沟槽剖面示意图。如图1所示，在半导体衬底100表面通过光刻、刻蚀等工艺形成沟槽110，沟槽110中将填充绝缘物质，以便将有源区(AA)隔离开，为便于说明，本申请文件中将作为有源区的衬底部分称为凸棱120。

STI隔离沟槽的外形轮廓参数，包括沟槽深度h、线宽l和沟槽的宽度s。以往为了获得沟槽的外形轮廓参数通常通过横界面(扫描电子显微镜)SEM、透射电镜(TEM)和聚焦离子束(FIB)等方法得到。但是，这些方法都具有破坏性，需要对晶片进行切片，然后利用电子扫描显微设备测量薄膜的厚度，增加了生产成本。近来采用的原子力显微镜(AFM)测量方法，这种方法用于检测沟槽的外形轮廓参数时，虽然克服了SEM、TEM等技术的破坏性的缺陷，但AFM测量方法检测速度缓慢，样品分析周期长，制约了生产效率的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沟槽轮廓参数检测方法，能够以高效和非破坏性的方式测量沟槽轮廓参数。

为解决上述问题，本发明提供了一种沟槽轮廓参数检测方法，包括：

提供一半导体衬底；

在所述衬底表面形成沟槽区；

利用光学特征尺寸测量方法测量所述沟槽的轮廓参数。

所述沟槽区包括复数个凸棱和沟槽。

所述凸棱等间隔周期性排列。

所述凸棱和沟槽的宽度和为间距，所述间距为100～800nm。

所述凸棱和沟槽的宽度比为1∶1至1∶10。

所述轮廓参数包括沟槽深度、凸棱线宽和沟槽宽度。

本发明还相应提供了一种用于形成如权利要求1所述沟槽区的掩膜版图，其特征在于：所述掩膜版图包括复数个条状图形，所述条状图形等间隔排列。

所述条状图形的间距为100～800nm。所述条状图形的宽度与条状图形之间的宽度的比为1∶1至1∶10。

本发明提供的另一种沟槽轮廓参数检测方法，包括：

提供一半导体衬底；

在所述衬底表面形成复数个凸棱和沟槽；

利用光学特征尺寸测量方法测量所述沟槽深度、凸棱线宽和沟槽宽度。

所述凸棱等间隔周期性排列。

所述凸棱和沟槽的宽度和为间距，所述间距为100～800nm。

所述凸棱和沟槽的宽度比为1∶1至1∶10。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的沟槽轮廓参数检测方法利用掩膜图形在所述衬底表面形成沟槽区；利用光学特征尺寸测量方法测量所述沟槽的轮廓参数。本发明的方法利用光学特征尺寸测量(Optical CD，OCD)技术，该技术利用沟槽栅格结构形成的衍射光对沟槽的轮廓参数进行测量，能够以非破坏性的方式得到沟槽的轮廓参数，降低了生产成本，提高了测试效率。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚明了，放大了层和区域的厚度。

图1为半导体衬底表面的沟槽结构剖面示意图；

图2为根据本发明一个实施例的沟槽区示意图；

图3为根据本发明另一个实施例的沟槽区示意图；

图4为用于形成图2中沟槽区的掩膜版图示意图；

图5为用于形成图3中沟槽区的掩膜版图示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

STI沟槽隔离结构作为元器件之间的隔离技术应用于集成电路中。元器件之间用刻蚀的沟槽隔开以便彼此绝缘。本发明的的STI沟槽氧化硅填充方法首先在反应室内提供一衬底，利用掩膜、光刻和刻蚀等工艺在衬底上形成沟槽。对0.13μm以下的半导体工艺的浅沟槽隔离结构而言，此沟槽的深宽比一般大于3；而对90nm的半导体工艺的浅沟槽隔离结构而言，此沟槽的深宽比则会达到4或更高，且宽度约为130-140nm。

STI沟槽的作用是对晶片上的多层之间的元器件进行隔离绝缘并进行后续的引线刻蚀或封装工艺。因此需要在沟槽中填充绝缘物质，例如氧化硅。在进行沟槽填充工艺时，通常利用HDP-CVD(高密度等离子化学气相淀积)工艺，该工艺中使用的反应气体包括淀积积用的反应气体SiH₄及O₂，以及溅射用的气体H₂。反应室内氦气(He)/氢气(H₂)等气体的含量影响溅射率，O₂和SiH₄的含量影响淀积率。为达到最佳填充状态，使沟槽氧化硅层的填充量达到最大，通常需要调整H₂、O₂和SiH₄的含量。所需要的淀积用的反应气体SiH₄和O₂以及H₂的含量比与沟槽氧化硅的填充效果有关。由于淀积和溅射工艺是同时进行的，SiH₄和O₂以及H₂的含量要适当地调整，以便填充量达到最佳。上述HDP-CVD工艺参数的选择需要根据沟槽的形貌特征，因此测量沟槽的外形特征是非常重要的。

TEM断面技术已用得比较普遍，器件制造者越来越多地避免用断面SEM技术，而是用断面TEM来得到所需要的分辨率和精确度，但TEM是昂贵并且耗费劳力的。在65纳米以及更先进的技术中，通孔、隔离沟槽和接触孔等变得更加微细和复杂，需要对其形状和尺寸进行二维和多方位的测量。结果必须要关注在特征点附近的总体表现。这就要求高分辨率的断面尺寸测试设备。并且，由于测量要求在器件而不是测试结构上进行，这就要求测量技术是非破坏性的。在更高的电压和剂量下，SEM提供了更好的分辨率，但这也破坏了它所测量的器件，特别是当在晶圆上测多个点时，这是我们所不愿看到的。

在65纳米和45纳米技术节点，为了支持性能上的需求和得到更高的封装密度，新材料和新结构的引入促进了这种转变，比如优化栅极的鳍状场效应晶体管(finFET)器件。剖面的测量需求变得越来越复杂，传统的测量技术不再胜任。半导体制造新技术的出现要求工艺过程能够达到更加严格的工艺控制水平。这些新技术需要解决的问题包括深宽比越来越高的STI隔离沟槽的外形轮廓的测量。光学CD测量(Optical CD，OCD)是一种相对较新的整合测量形式，应用于生产过程中的先进工艺控制(APC)。该技术利用CD栅格结构形成的衍射光对膜厚、CD大小以及剖面结构进行测量，而且这种测量技术是非破坏性的，因而也具有较高的生产效率。

本发明的沟槽轮廓参数检测方法采用OCD的测量方法，能够高效地、且以非破坏性的方式，即无需对晶片进行切割，便可测量沟槽的外形轮廓参数。图2至图3为根据本发明实施例的沟槽区示意图。首先如图2所示，为了能够利用OCD法测量沟槽的外形轮廓参数，根据OCD的测量原理的需要，本发明的沟槽轮廓参数检测方法首先提供一半导体衬底，然后在所述衬底表面形成沟槽区200；沟槽区200包括复数个凸棱210，凸棱210之间的区域即构成沟槽220。而且所述凸棱210等间隔周期性排列。沟槽的轮廓参数包括沟槽220的深度(凸棱210的高度)h、沟槽220的宽度s和凸棱210的宽度l。凸棱210的宽度l、沟槽220的宽度s的和称为间距p。凸棱210和沟槽220的宽度比l/s为1∶1至1∶5。

根据本发明的实施例，间距p的值为100～800nm，优选为180nm、410nm、560nm和770nm。图2所示的沟槽区200的间距p优选为180nm。

然后，利用光学特征尺寸测量，即OCD法测量沟槽区200的凸棱210和沟槽220的轮廓参数。根据本发明的实施例，沟槽区200形成于晶片表面特定的测试区域。而且形成沟槽220的工艺条件和工艺参数与形成于半导体器件中的STI隔离沟槽的工艺条件和参数相同。因此凸棱210和沟槽220的外形轮廓参数与半导体器件中的STI隔离沟槽的轮廓参数相同。测得沟槽区200的凸棱210和沟槽220的轮廓参数便可确定器件中的STI隔离沟槽的轮廓参数。

图3为根据本发明另一个实施例的沟槽区示意图。如图3所示，本发明的沟槽轮廓参数检测方法在半导体衬底表面形成沟槽区300。沟槽区300包括复数个凸棱310，凸棱310之间的区域构成沟槽320。而且所述凸棱310等间隔周期性排列。沟槽的轮廓参数包括沟槽320的深度(凸棱310的高度)h、沟槽320的宽度s和凸棱310的宽度l。凸棱310和沟槽320的宽度比l/s为1∶5至1∶10。然后，利用OCD法测量沟槽区300的凸棱310和沟槽320的轮廓参数。根据本发明的实施例，沟槽区300形成于晶片表面特定的测试区域。而且形成凸棱310和沟槽320的工艺条件和参数与形成于半导体器件中的STI隔离沟槽的工艺条件和参数相同。因此凸棱310和沟槽320的外形轮廓参数与半导体器件中的STI隔离沟槽的轮廓参数相同。测得沟槽区200的凸棱210和沟槽220的轮廓参数便可确定器件中的STI隔离沟槽的轮廓参数。根据本发明的实施例，图3所示的沟槽区200的间距p优选为410nm。

在本发明的其它实施例中，沟槽区的间距p为810nm。

图4为用于形成图2中沟槽区的掩膜版图示意图。如图4所示，本发明的用于形成沟槽区200的掩膜版图400的长×宽(L×W)大于20×20um，包括复数个条状图形410，所述条状图形410等间隔排列。条状图形410的宽度为l，条状图形410之间的宽度为s，条状图形410的宽度l与间隔s的和称为间距p，间距p的值为100～800nm。条状图形410的宽度l与条状图形410之间的宽度s的比l/s为1∶1至1∶10。

根据本发明的实施例，间距p的值为100～800nm，优选为180nm、410nm、560nm和770nm。图4所示的间距p优选为180nm。

图5为用于形成图3中沟槽区的掩膜版图示意图。如图5所示，本发明的用于形成沟槽区300的掩膜版图500的长×宽(L×W)大于20×20um，包括复数个条状图形510，所述条状图形510等间隔排列。条状图形510的宽度为l，条状图形510之间的宽度为s，条状图形510的宽度l与间隔s的和称为间距p，间距p的值为100～800nm。条状图形510的宽度l与条状图形510之间的宽度s的比l/s为1∶1至1∶10。根据本发明的实施例，图5所示的间距p优选为410nm。在本发明的其它实施例中，间距p为710nm。

本发明的沟槽轮廓参数检测方法利用掩膜版图在衬底表面形成沟槽区；利用光学特征尺寸测量方法测量所述沟槽的轮廓参数。光学特征尺寸测量(Optical CD，OCD)技术利用沟槽栅格结构形成的衍射光对沟槽的宽度和深度进行测量，能够以非破坏性的方式得到沟槽的轮廓参数，降低了制造成本，提高了生产效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (13)

1.一种沟槽轮廓参数检测方法，包括：

提供一半导体衬底；

在所述衬底表面形成沟槽区；

利用光学特征尺寸测量方法测量所述沟槽的轮廓参数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述沟槽区包括复数个凸棱和沟槽。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述凸棱等间隔周期性排列。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述凸棱和沟槽的宽度和为间距，所述间距为100～800nm。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述凸棱和沟槽的宽度比为1∶1至1∶10。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述轮廓参数包括沟槽深度、凸棱线宽和沟槽宽度。

7.一种用于形成如权利要求1所述沟槽区的掩膜版图，其特征在于：所述掩膜版图包括复数个条状图形，所述条状图形等间隔排列。

8.如权利要求7所述的掩膜版图，其特征在于：所述条状图形的间距为100～800nm。

9.如权利要求8所述的掩膜版图，其特征在于：所述条状图形的宽度与条状图形之间的宽度的比为1∶1至1∶10。

10.一种沟槽轮廓参数检测方法，包括：

提供一半导体衬底；

在所述衬底表面形成复数个凸棱和沟槽；

利用光学特征尺寸测量方法测量所述沟槽深度、凸棱线宽和沟槽宽度。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述凸棱等间隔周期性排列。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述凸棱和沟槽的宽度和为间距，所述间距为100～800nm。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述凸棱和沟槽的宽度比为1∶1至1∶10。

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