CN103456654A

CN103456654A - 测量方法

Info

Publication number: CN103456654A
Application number: CN2012101741098A
Authority: CN
Inventors: 伍强; 刘畅
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Corp
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: CN103456654B

Abstract

一种测量方法，包括：将表面形成有光刻胶层的晶圆置于检测台上，所述光刻胶层上形成有光刻胶图案；通过扫描电镜对晶圆上待测图案的线宽进行两次测量，并将第一次测量的测量数据记为第一测量数据、将第二次测量的测量数据记为第二测量数据；判断第一测量数据是否在第一参考值范围内以及第二测量数据是否在第二参考值范围内，并在第一测量数据、第二测量数据分别在第一参考值范围、第二参考值范围内时，将第一测量数据与第二测量数据进行比较，获取测量结果。本发明测量方法在获取晶圆上光刻胶图案线宽的同时能够确定光刻胶图案的形状，提高了测量的准确性和有效性。

Description

测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，特别涉及一种半导体器件图案尺寸的测量方法。

背景技术

随着半导体领域技术的发展，半导体器件的关键尺寸（Critical Dimension，CD）越来越小，芯片的集成度也越来越高，对半导体制造工艺提出了越来越严格的要求，因此必须在工艺过程中尽可能的减小每一步骤的误差，降低因误差而导致的器件失效。

在半导体制造过程中，光刻工艺作为核心技术占据着重要位置。在标准的CMOS工艺中，需要用到数十次的光刻步骤，受到光刻机分辨率以及对准的精确度等因素的影响，光刻工艺存在误差。

在光刻工艺中，主要通过扫描电镜（SEM，Scanning Electron Microscope）来测量以光刻胶或其它薄膜叠加层为掩模对衬底进行刻蚀而形成图案的线宽（linewidth）或关键尺寸。扫描电镜中，电子枪发射出的电子束聚焦在图案表面上，高能电子束与图案物质发生交互作用，通过对产生于图案上的二次电子搜集，经过放大后送到显像管的栅极上，形成人们可观察到的各种特征图像。

对于扫描电镜形成的图像，人们很容易将衬底上对光刻胶、介质层或介质叠加层刻蚀形成图案的边缘与图案表面和透过图案暴露出衬底表面区分开。但是，由于扫描电镜在搜集产生于图案表面和暴露出的衬底表面二次电子的效率不同，很难将图案表面与暴露出衬底表面区分开，即从扫描电镜获取的特征图像中很难区分某一平面为由光刻胶、介质层或介质叠加层图案还是由光刻胶、介质层或介质叠加层构成的沟槽图案，导致在测量图案尺寸或判断图案形状时发生错误，所获得的测量结果不准确。

参考图1，现有工艺形成的半导体器件的俯视图，包括：半导体衬底100；形成于半导体衬底100上、相互平行的两光刻胶图案120；其中，光刻胶图案120的线宽n为50nm，两光刻胶图案120之间的距离m为60nm，即半导体衬底100上由光刻胶120形成的沟槽130的宽度m为60nm。图1沿AA方向的剖视图如图2所示。

现有工艺在半导体衬底100上形成沟槽130形成后，通常通过扫描电镜测量所形成半导体结构各部分的线宽，以确保所形成的半导体器件的良率。在通过扫描电镜测量光刻胶图案120线宽n的过程中，当所获得的测量结果为60nm时，很难确定是由于形成图案工艺发生错误导致所形成的光刻胶图案120的线宽n变大10nm，还是在通过扫描电镜测量光刻胶图案120线宽n时，误将两光刻胶图案120形成沟槽130的宽度m作为光刻胶图案120的线宽n进行测量，而导致的测量错误，也无法根据扫描电镜获取的图案获知所测量部分为光刻胶图案还是通过光刻胶图案暴露出的衬底。

在公开号为CN101286008A的中国专利申请中还可以发现更多与上述技术方案相关的信息。

因此，如何有效测量半导体器件上图案的线宽，避免发生测量结果错误，就成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种测量方法，在对晶圆上光刻胶图案的线宽进行测量的过程中，提高测量准确性，同时又能够根据测量数据判断出待测图形的形状，提高测量的效率。

为解决上述问题，本发明提供了一种测量方法，包括：将表面形成有光刻胶层的晶圆置于检测台上，所述光刻胶层上形成有光刻胶图案；通过扫描电镜对晶圆上待测图案的线宽进行两次测量，并将第一次测量的测量数据记为第一测量数据、将第二次测量的测量数据记为第二测量数据；判断第一测量数据是否在第一参考值范围内以及第二测量数据是否在第二参考值范围内，并在第一测量数据、第二测量数据分别在第一参考值范围、第二参考值范围内时，将第一测量数据与第二测量数据进行比较，获取测量结果。

可选的，所述测量结果包括待测图案的线宽和形状；当第一测量数据大于第二测量数据时，所述待测图案的线宽为第一测量数据，所述待测图案的形状为光刻胶图案；当第一测量数据小于等于第二测量数据时，所述待测图案的线宽为第一测量数据，所述待测图案的形状为由光刻胶图案构成的沟槽。

可选的，当所述第一测量数据在第一参考值范围内、第二测量数据不在第二参考值范围内时，所述测量结果包括待测图案的线宽，所述待测图案的线宽为第一测量数据。

可选的，在通过扫描电镜对晶圆上待测图案的线宽进行第一次测量时，还包括，确定待测图案的视场范围内是否存在相邻图案，并在待测图案的视场范围内存在相邻图案时，对待测图案的相邻图案的线宽进行测量，获取第五测量数据。

可选的，通过扫描电镜对晶圆上待测图案的线宽进行两次测量时，施加于扫描电镜中电子枪的电压为100V~1000V范围内。

可选的，所述第一测量数据与第二测量数据的差值在1nm~20nm范围内。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：

本发明通过扫描电镜对位于包含光刻胶图案晶圆上的待测图案进行连续两次测量，然后将各测量数据与其对应的参考值范围进行比较，来确定待测图案的线宽，提高了所获取待测图案线宽的精确度；

另外，在各测量测量数据均在其对应的参考数值范围内时，将第一次测量获取的待测图案的线宽与第二次测量获取的待测图案的线宽进行比较，由于通过扫描电镜获取包含光刻胶图案晶圆的图像过程中，扫描电镜中电子枪发射出的电子能量高于光刻胶材料原子之间的结合能，导致光刻胶层表面上的部分光刻胶材料被去除，使得后续通过对扫描电镜获取图形测量获得的待测光刻胶图案线宽小于其实际线宽。即，当待测图案为光刻胶图案时，通过第二次测量获取的待测图案的线宽小于通过第一次测量获取的待测图案的线宽；当待测图案为光刻胶图案形成的凹槽时，通过第二次测量获取的待测图案的线宽大于通过第一次测量获取的待测图案的线宽。因此，通过扫描电镜对同一图案连续两次进行测量，并对两次测量的测量数据进行比较来进一步确定待测图案的形状为光刻胶图案或光刻胶图案形成的凹槽，提高测量的准确性。

可选方案中，在通过扫描电镜对晶圆上待测图案的线宽进行第一次测量时，还可以确定待测图案的视场范围内是否存在相邻图案，并在待测图案的视场范围内存在相邻图案时，对待测图案的相邻图案的线宽进行测量，获取第五测量数据，所述第五测量数据包含在测量结果中，以在第一测量数据不在第一参考值范围内时，辅助检测人员对待测图案的尺寸进行分析。

附图说明

图1为现有工艺形成的半导体器件的俯视图；

图2为图1中半导体器件沿AA方向的剖视图；

图3为本发明测量方法一种实施方式的流程示意图；

图4为本发明测量方法的一实施例的流程示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多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。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

正如背景技术部分中所述，现有技术通过扫描电镜测量晶圆上的光刻胶图案的线宽时，如晶圆上光刻胶图案与光刻胶图案形成的沟槽很相似，则很难在扫描电镜获取的特征图像中将光刻胶图案与光刻胶图案形成沟槽区分开，导致所获得的测量结果不准确，影响产品良率的判断。

针对上述问题，本发明提供了一种测量方法，包括：将表面形成有光刻胶层的晶圆置于检测台上，所述光刻胶层上形成有光刻胶图案；通过扫描电镜对晶圆上待测图案的线宽进行两次测量，并将第一次测量的测量数据记为第一测量数据、将第二次测量的测量数据记为第二测量数据；判断第一测量数据是否在第一参考值范围内以及第二测量数据是否在第二参考值范围内，并在第一测量数据、第二测量数据分别在第一参考值范围、第二参考值范围内时，将第一测量数据与第二测量数据进行比较，获取测量结果。

本发明中测量方法利用扫描电镜测量光刻胶图案线宽过程中，利用在扫描电镜中电子枪发射出的高能电子与光刻胶接触时，因光刻胶材料原子的结合能小于高能电子的动能而使位于光刻胶图案表面的部分光刻胶材料被去除，进而使光刻胶图案的线宽减小的原理，连续两次对晶圆上待测光刻胶图案进行测量，并在两次测量都为有效测量的情况下（两次测量的测量数据均在其对应的参考值范围内），将第一测量数据与第二测量数据进行比较，以确定待测图案为光刻胶图案或由光刻胶图案形成的凹槽，在获取待测图案线宽的同时确定待测图案的形状，提高了测量的准确性和可靠性。

参考图3，为本发明测量方法一种实施方式的流程示意图，包括：

步骤S1，将表面形成有光刻胶层的晶圆置于检测台上，所述光刻胶层上形成有光刻胶图案；

步骤S2，通过扫描电镜对晶圆上待测图案的线宽进行两次测量，并将第一次测量的测量数据记为第一测量数据、将第二次测量的测量数据记为第二测量数据；

步骤S3，判断第一测量数据是否在第一参考值范围内以及第二测量数据是否在第二参考值范围内，并在第一测量数据、第二测量数据分别在第一参考值范围、第二参考值范围内时，将第一测量数据与第二测量数据进行比较，获取测量结果。

参考图4，为本发明测量方法的一实施例的流程示意图，下面通过图4中测量方法对通过扫描电镜对晶圆上待测图案尺寸进行测量的测量方法做进一步说明。

首先，执行步骤S201，将形成有图案的晶圆加载至扫描电镜的检测台上。其中，所述图案可以为光刻胶图案或非光刻胶图案（如介质层图案，所述介质层的材质可以为硅、锗硅或低k材料、超低k材料或金属材料）。

接着，执行步骤S202，判断图案是否为光刻胶图案。当位于所述晶圆上的图案为非刻胶图案时，执行步骤S212，判断是否测量相邻图案，即判断是否对图案以及其相邻图案的尺寸都进行测量。其中，图案的相邻图案为在晶圆上图案的视场范围内的其他图案。当对图案及其相邻图案的尺寸都进行测量时，执行步骤S213，测量图案和相邻图案尺寸，分别获取第三测量数据和第四测量数据。最后，执行步骤S206，获取测量结果，即，对所获取的第三测量数据和第四测量数据进行记录，以方便后续检测人员对晶圆上非光刻胶图案尺寸的监控，以及非光刻胶图案的形状进行分析。

当位于所述晶圆上的图案为非刻胶图案，且不对相邻图案进行测量时，执行步骤S214，测量图案尺寸，获取第三测量数据。再接着，执行步骤S215，判断第三测量数据是否在第三参考值范围内。当第三测量数值在第三参考值范围内时，执行步骤S206，获取测量结果，此时，所获取的测量结果为晶圆上图案的尺寸。

当第三测量数值不在第三参考值范围内时，执行步骤S216，判断在图案的视场范围内是否存在相邻图案。当在图案的视场范围内不存在相邻图案时，执行步骤S206，获取测量结果。具体的，所述测量结果包括晶圆上图案的尺寸。

在步骤S216中，当在图案的视场范围内存在相邻图案时，先执行步骤S217，测量相邻图案尺寸，获取第四测量数据。再执行步骤S206，获取测量结果，所述测量结果为晶圆上图案及其相邻图案的尺寸。由于第三测量数值不在第三参考值范围内，在步骤S206后，需要检测人员对所获取的第三测量数值和第四参考数据进行分析，以确定晶圆上非光刻胶图案的尺寸和形状。

在步骤S202判断图案是否为光刻胶图案时，当位于所述晶圆上的图案为光刻胶图案时，执行步骤S203，判断是否进行连续两次扫描电镜测量。即，判断是否通过扫描电镜对晶圆上图案进行两次扫描。当确定进行连续两次扫描电镜测量时，执行步骤S204，连续两次测量图案尺寸，获取第一测量数据和第二测量数据。即，通过扫描电镜对晶圆上图案进行两次扫描，并在每次扫描后获取包含图案的晶圆的特征图像、测量特征图像中图案的尺寸并依次记录为第一测量数据和第二测量数据。然后，执行步骤S205，将第一测量数据和第二测量数据分别与第一参考值范围和第二参考值范围进行比较。最后，执行步骤S206，获取测量结果。

具体的，当第一测量数据在第一参考值范围内，第二测量数据不在第二参考值范围内时，步骤S206中获取的结果为：第一测量数据为晶圆上图案的尺寸，无法判断图案为光刻胶图案或由光刻胶图案形成的凹槽。

当第一测量数据在第一参考值范围内，第二测量数据在第二参考值范围内时，步骤S206中获取的结果为：第一测量数据为晶圆上图案的尺寸，通过对第一测量数据和第二测量数据进行比较，能够判断所测定晶圆上图案为光刻胶图案或由光刻胶图案形成的凹槽。

当第一测量数据小于第二测量数据时，第一测量数据为晶圆上图案的尺寸，所测定晶圆上图案为由光刻胶图案形成的凹槽；当第一测量数据大于第二测量数据时，第一测量数据为晶圆上图案的尺寸，所测定晶圆上图案为由光刻胶图案。

这是因为，在通过扫描电镜对晶圆上图案进行检测过程中，先通过扫描电镜获取表面形成有光刻胶图案的晶圆的特征图像，然后对特征图像中待测图案对应的特征图像的尺寸进行测量，以获取待测图案的尺寸。在通过扫描电镜获取形成有光刻胶图案的晶圆的特征图像时，扫描电镜中电子枪发射出电子束的动能远大于光刻胶图形中光刻胶材料的结合能，导致光刻胶图形表面的部分光刻胶材料转化成离子脱离，使光刻胶图案的线宽变小。因此，通过扫描电镜所获取的第一测量数据较光刻胶图案中待测图案的尺寸小。每经过一次扫描电镜测量，晶圆上光刻胶图案的尺寸减小1nm~20nm。

具体的，施加于扫描电镜中电子枪的电压可在100V~1000V范围内。

在其他实施例中，在对晶圆上待测图案的尺寸进行测量时，还需要确定待测图案视场范围内是否存在图案的相邻图案，并在对晶圆上图案的尺寸进行第一次测量时，测量图案视场范围内的相邻图案的尺寸（第六测量数据）。所述第六测量数据包含在步骤S206测量结果中，以在第一测量数据不在第一参考值范围时，辅助检查人员对光刻胶图案的尺寸以及形状进行分析。

在步骤S203中，当不通过扫描电镜对晶圆上图案进行两次扫描时，先执行步骤S207，测量图案尺寸，获取第一测量数据；然后，执行步骤S208，判断第一测量数据是否在第一参考值范围内。当第一测量数据在第一参考值范围内时，执行步骤S206，获取测量结果，所述测量结果为晶圆上图案的尺寸；当第一测量数据不在第一参考值范围内时，先执行步骤S209，判断在图案的视场范围内是否存在相邻图案。当在图案的视场范围内存在相邻图案时，执行步骤S210，测量图案和图案视场范围内的相邻图案尺寸，获取第二测量数据和第五测量数据，然后再执行步骤S206，获取测量结果。

值得注意的是，在步骤S210中，所测量的图案及其相邻图案为与步骤S207中所测量图案形状相同、但未经过扫描电镜测量的图案及其相邻图案。

在步骤S209中，当在图案的视场范围内不存在相邻图案时，直接执行步骤S206，获取测量结果。检测人员需根据步骤S206中所获取的第一测量数据或第二测量数据和第五测量数据对晶圆上图案的尺寸和形状做进一步分析。

至此，完成了本发明提供的测量方法对晶圆上图案进行测量的整个过程。

综上，本发明测量方法在通过扫描电镜测量晶圆上光刻胶图案尺寸过程中，根据光刻胶材料原子的结合能小于扫描电镜中电子枪发射出高能电子的动能，导致位于光刻胶图案表面的部分光刻胶材料被去除，使光刻胶图案的线宽减小的原理，通过扫描电镜对晶圆上图案尺寸连续两次进行测量，并在两次测量均为有效测量时对两次测量的测量数据进行比较来进确定晶圆上图案的尺寸和形状，提高了测量的准确性和可靠性。

发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，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作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种测量方法，其特征在于，包括：

将表面形成有光刻胶层的晶圆置于检测台上，所述光刻胶层上形成有光刻胶图案；

通过扫描电镜对晶圆上待测图案的线宽进行两次测量，并将第一次测量的测量数据记为第一测量数据、将第二次测量的测量数据记为第二测量数据；

判断第一测量数据是否在第一参考值范围内以及第二测量数据是否在第二参考值范围内，并在第一测量数据、第二测量数据分别在第一参考值范围、第二参考值范围内时，将第一测量数据与第二测量数据进行比较，获取测量结果。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述测量结果包括待测图案的线宽和形状；当第一测量数据大于第二测量数据时，所述待测图案的线宽为第一测量数据，所述待测图案的形状为光刻胶图案；当第一测量数据小于等于第二测量数据时，所述待测图案的线宽为第一测量数据，所述待测图案的形状为由光刻胶图案构成的沟槽。

3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，当所述第一测量数据在第一参考值范围内、第二测量数据不在第二参考值范围内时，所述测量结果包括待测图案的线宽，所述待测图案的线宽为第一测量数据。

4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在通过扫描电镜对晶圆上待测图案的线宽进行第一次测量时，还包括，确定待测图案的视场范围内是否存在相邻图案，并在待测图案的视场范围内存在相邻图案时，对待测图案的相邻图案的线宽进行测量，获取第五测量数据。

5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，通过扫描电镜对晶圆上待测图案的线宽进行两次测量时，施加于扫描电镜中电子枪的电压为100V~1000V范围内。

6.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述第一测量数据与第二测量数据的差值在1nm~20nm范围内。