CN105789078B - 一种小面积图形刻蚀深度的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小面积图形刻蚀深度的测量方法，包括：提供一参考样品，设置多个面积不同的刻蚀参考区并进行刻蚀，测量刻蚀参考区的刻蚀面积与刻蚀速度，建立刻蚀面积与刻蚀速度的模型；提供一刻蚀衬底，设置第一刻蚀图形和第二刻蚀图形；其中，第一刻蚀图形的面积大于第二刻蚀图形的面积；以相同的刻蚀工艺分别在第一刻蚀图形和第二刻蚀图形内刻蚀所述衬底；测量第一刻蚀图形的刻蚀深度并计算第一刻蚀图形的刻蚀速度；根据第一刻蚀图形的刻蚀速度及其面积前述的模型进行校正；根据校正后的刻蚀面积与刻蚀速度的模型计算第二刻蚀图形的刻蚀速度，并进一步计算得到第二刻蚀图形刻蚀深度。

Description

一种小面积图形刻蚀深度的测量方法
技术领域
本发明涉及一种半导体器件加工技术领域，特别涉及一种小面积图形刻蚀深度的测量方法。
背景技术
刻蚀工艺是半导体器件制造中通常使用的工艺步骤。随着半导体制造技术向着小尺寸发展，在刻蚀过程中，通常不同面积的刻蚀图形其刻蚀深度也有所影响。目前对于刻蚀深度的测量，通用采用如下的仪器设备进行测量：台阶仪、原子力显微镜、扫描电镜、激光共聚焦显微镜、光学显微镜、光学轮廓仪、光学膜厚仪等，由于仪器分辨率的限制，其对小尺寸图形(小于5um)的刻蚀台阶深度的测量能力受到了限制。
现有技术中对解决上述问题提出了一些方法，最常见的测量方法是将样品划开，对样品的侧面进行测量，测量其台阶高度，但这种方法将破坏样品，无法进行后续的器件制造。J.Kiihamaki等(Sensors and Actuators,82,2000,234-238)针对这个问题提出干法与湿法相结合的方式，解决不同宽度结构刻蚀深度不一致的问题。该方案将大图形区域划分成直径相同的小图形，不同面积图形由不同数量的相同直径小图形构成，经过刻蚀之后，不同区域图形形成相同刻蚀高度，最后利用碱性溶液去除小图形之间的残留结构，使刻蚀面平整化。但是，这种方法适用范围较窄，主要针对晶向为(111)硅衬底，在刻蚀深度比较深时才可适用，对于其他III-V族等材料不适用。并且，该方法仍然没有解决小图形结构刻蚀深度的测量问题。
发明内容
针对上述提到的现有技术的不足，本发明提出了一种小面积图形刻蚀深度的测量方法，该方法操作简单，易于实现，解决了小图形结构刻蚀深度的测量问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种小面积图形刻蚀深度的测量方法，其中，包括：
提供一参考样品，在所述参考样品上设置多个面积不同的刻蚀参考区，对所述多个刻蚀参考区进行刻蚀，测量每一刻蚀参考区的刻蚀面积与刻蚀速度，建立刻蚀面积与刻蚀速度的模型；
提供一刻蚀衬底，在所述刻蚀衬底上设置第一刻蚀图形和第二刻蚀图形；其中，第一刻蚀图形的面积大于第二刻蚀图形的面积；
以相同的刻蚀工艺分别在第一刻蚀图形和第二刻蚀图形内刻蚀所述衬底；
测量第一刻蚀图形的刻蚀深度，根据刻蚀时间与刻蚀深度计算第一刻蚀图形的刻蚀速度；根据第一刻蚀图形的刻蚀速度及其面积，对所述刻蚀面积与刻蚀速度的模型进行校正；
根据校正后的刻蚀面积与刻蚀速度的模型以及第二刻蚀图形的刻蚀面积，计算第二刻蚀图形的刻蚀速度；
根据第二刻蚀图形的刻蚀速度以及刻蚀时间，计算第二刻蚀图形刻蚀深度。
优选地，所述刻蚀参考区面积为25nm2～10000μm2，所述第一刻蚀图形的面积为2μm2～10000μm2，所述第二刻蚀图形的面积为25nm2～25μm2。
优选地，所述刻蚀面积与刻蚀速度的模型的表达式为：E＝a+b*lgS，其中，E为刻蚀速度，S为刻蚀面积，a、b为常数；其中，根据第一刻蚀图形的刻蚀速度及其面积，对该表达式的常数a、b进行校正。
优选地，在所述参考样品上设置的刻蚀参考区的数量为20～100；所述第一刻蚀图形的数量为多个。
优选地，该方法还包括步骤：在所述刻蚀衬底上制作掩膜层，并在所述掩膜层中形成所述第一刻蚀图形和第二刻蚀图形；其中，所述掩膜层为硬掩膜层或光刻胶掩膜层。
优选地，所述刻蚀工艺为离子束刻蚀工艺、反应离子刻蚀工艺或感应离子耦合刻蚀工艺。
优选地，刻蚀参考区的刻蚀深度台阶仪、原子力显微镜、扫描电镜来测量。
优选地，采用台阶仪、光学轮廓仪来测量所述第一刻蚀图形的刻蚀深度。
优选地，所述衬底为单层或多层的无机半导体衬底。
优选地，所述无机半导体衬底的材料为硅、锗、碳化硅或硅锗，或者是基于Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素N、P、As、Sb组成的III-V族化合物、基于Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素O、S、Se、Te组成的II-VI族化合物、基于Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素S、Se、Te组成的V-VI族化合物。
有益效果：
本发明通过测量参考样品中刻蚀参考区的刻蚀深度，计算其刻蚀速度，建立刻蚀面积与刻蚀速度的模型；在实际需要刻蚀的衬底上设置面积较大的刻蚀图形(第一刻蚀图形)，对刻蚀面积与刻蚀速度的模型进行校正，以使该模型更适合与实际要刻蚀的衬底，然后再根据校正后的蚀面积与刻蚀速度的模型，计算获取小面积刻蚀图形(第二刻蚀图形)的刻蚀深度。该方法操作简单，易于实现，无需破坏小面积刻蚀图形的结构，解决了小图形结构刻蚀深度的测量问题，使得小图形结构的刻蚀深度得到监控，确保了半导体器件的品质。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的小面积图形刻蚀深度的测量方法的步骤流程图。
图2本发明一实施例中根据刻蚀测试区的面积和刻蚀速度拟合的曲线图。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了小面积图形刻蚀深度的测量方法，该方法操作简单，易于实现，解决了小图形结构刻蚀深度的测量问题。下面将结合附图用实施例对本发明做进一步说明。
参阅图1，该方法包括步骤：
(a)、提供一参考样品，建立刻蚀面积与刻蚀速度的模型。具体地，在所述参考样品上设置多个面积不同的刻蚀参考区，对所述多个刻蚀参考区进行刻蚀，测量每一刻蚀参考区的刻蚀面积与刻蚀速度，建立刻蚀面积与刻蚀速度的模型。其中，刻蚀参考区面积可以选择的范围是25nm2～10000μm2，其数量较为优选的范围是20～100。在本实施例中，通过测量得到的多组刻蚀面积与刻蚀速度的参数，拟合得到的刻蚀面积与刻蚀速度的模型的表达式为：E＝a+b*lgS，其中，E为刻蚀速度，S为刻蚀面积，a、b为拟合得到的常数。其中，刻蚀速度E与刻蚀面积S呈正相关的比例关系。
(b)、提供一刻蚀衬底，在所述刻蚀衬底上设置第一刻蚀图形和第二刻蚀图形；其中，第一刻蚀图形的面积大于第二刻蚀图形的面积。具体地，在所述刻蚀衬底上制作掩膜层，并在所述掩膜层中形成所述第一刻蚀图形和第二刻蚀图形，其中，所述掩膜层为硬掩膜层或光刻胶掩膜层。其中，所述第一刻蚀图形的面积可以选择的范围是2μm2～10000μm2，所述第二刻蚀图形的面积可以选择的范围是25nm2～25μm2。
(c)、以相同的刻蚀工艺分别在第一刻蚀图形和第二刻蚀图形内刻蚀所述衬底。在此，相同的刻蚀工艺是指刻蚀的方法、刻蚀的设备以及刻蚀的设备的参数相同。
(d)、测量第一刻蚀图形的刻蚀参数，对刻蚀面积与刻蚀速度的模型进行校正。具体地：
首先，直接测量第一刻蚀图形的刻蚀深度采用的仪器设备可以选择是台阶仪、原子力显微镜、扫描电镜、激光共聚焦显微镜、光学显微镜、光学轮廓仪或光学膜厚仪。
然后，根据刻蚀时间与刻蚀深度计算第一刻蚀图形的刻蚀速度；根据第一刻蚀图形的刻蚀速度及其面积，对所述刻蚀面积与刻蚀速度的模型进行校正。由于刻蚀面积与刻蚀速度的模型在不同的样品上会存在一些误差，因此需要在刻蚀衬底上设置第一刻蚀图形，通过计算第一刻蚀图形的刻蚀速度及其面积，对步骤(a)得到的表达式E＝a+b*lgS的常数a、b进行校正，以使该模型的表达式更好的适合于最终所要计算刻蚀深度的第二刻蚀图形。为了更精确的校正该模型的表达式，所述第一刻蚀图形的数量为多个。
(e)、根据校正后的刻蚀面积与刻蚀速度的模型计算第二刻蚀图形刻蚀深度。具体地，首先通过校正后的刻蚀面积与刻蚀速度的模型以及第二刻蚀图形的刻蚀面积，计算第二刻蚀图形的刻蚀速度；再根据第二刻蚀图形的刻蚀速度以及刻蚀时间，计算第二刻蚀图形刻蚀深度。
在以上的实施例中，所述刻蚀工艺可以选择是离子束刻蚀工艺、反应离子刻蚀工艺或感应离子耦合刻蚀工艺；所述衬底为单层或多层的无机半导体衬底。所述无机半导体衬底的材料可以是硅、锗、碳化硅或硅锗，或者是基于Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素N、P、As、Sb组成的III-V族化合物、基于Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素O、S、Se、Te组成的II-VI族化合物、基于Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素S、Se、Te组成的V-VI族化合物。
实施例1
首先，在2寸的砷化镓参考样品上旋涂光刻胶掩膜层AZ6130，转速3000RPM，时间为30s；然后利用紫外曝光，经过显影，得到刻蚀参考区。所述刻蚀参考区的面积为25nm2～10000μm2。
其次，对参考样品进行刻蚀，采用台阶仪测量得到刻蚀测试区的刻蚀深度计算得到刻蚀测试区的刻蚀速度,并进行归一化处理；根据刻蚀测试区的面积与刻蚀速度，建立刻蚀面积S与刻蚀速度E的模型，其关系曲线图如图2所示。
接下来，在2寸的砷化镓衬底上旋涂光刻胶掩膜层AZ6130，转速3000RPM，时间为30s；然后利用紫外曝光，经过显影，得到第一刻蚀图形和第二刻蚀图形。所述第一刻蚀图形的面积为100um2；第二刻蚀图形的面积为0.64um2。
利用耦合等离子体深硅刻蚀机分别在第一刻蚀图形和第二刻蚀图形内刻蚀所述衬底，刻蚀的时间为1.5min，将光刻胶图形转移到GaAs衬底上。
利用台阶仪测量第一刻蚀图形刻蚀深度约为1.185um,计算刻蚀速度为0.790um/min。根据第一刻蚀图形的刻蚀速度及其面积，对刻蚀面积与刻蚀速度的模型进行校正，得到校正后的刻蚀面积与刻蚀速度的表达式为E＝0.53+0.13*lgS。
根据表达式为E＝0.53+0.13*lgS，计算第二刻蚀图形(0.64um2)刻蚀速度为0.505um/min，计算获取刻蚀图形区的刻蚀深度为0.757um。
综上所述，本发明通过测量参考样品中刻蚀参考区的刻蚀深度，计算其刻蚀速度，建立刻蚀面积与刻蚀速度的模型；在实际需要刻蚀的衬底上设置面积较大的刻蚀图形(第一刻蚀图形)，对刻蚀面积与刻蚀速度的模型进行校正，以使该模型更适合与实际要刻蚀的衬底，然后再根据校正后的蚀面积与刻蚀速度的模型，计算获取小面积刻蚀图形(第二刻蚀图形)的刻蚀深度。该方法操作简单，易于实现，无需破坏小面积刻蚀图形的结构，解决了小图形结构刻蚀深度的测量问题，使得小图形结构的刻蚀深度得到监控，确保了半导体器件的品质。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种小面积图形刻蚀深度的测量方法，其特征在于，包括：
提供一参考样品，在所述参考样品上设置多个面积不同的刻蚀参考区，对所述多个刻蚀参考区进行刻蚀，测量每一刻蚀参考区的刻蚀面积与刻蚀速度，建立刻蚀面积与刻蚀速度的模型；
提供一刻蚀衬底，在所述刻蚀衬底上设置第一刻蚀图形和第二刻蚀图形；其中，第一刻蚀图形的面积大于第二刻蚀图形的面积；
以相同的刻蚀工艺分别在第一刻蚀图形和第二刻蚀图形内刻蚀所述衬底；
测量第一刻蚀图形的刻蚀深度，根据刻蚀时间与刻蚀深度计算第一刻蚀图形的刻蚀速度；根据第一刻蚀图形的刻蚀速度及其面积，对所述刻蚀面积与刻蚀速度的模型进行校正；
根据校正后的刻蚀面积与刻蚀速度的模型以及第二刻蚀图形的刻蚀面积，计算第二刻蚀图形的刻蚀速度；
根据第二刻蚀图形的刻蚀速度以及刻蚀时间，计算第二刻蚀图形刻蚀深度；
其中，所述刻蚀参考区面积为25nm2～10000μm2，所述第一刻蚀图形的面积为2μm2～10000μm2，所述第二刻蚀图形的面积为25nm2～25μm2。
2.根据权利要求1所述的小面积图形刻蚀深度的测量方法，其特征在于，所述刻蚀面积与刻蚀速度的模型的表达式为：E＝a+b*lgS，其中，E为刻蚀速度，S为刻蚀面积，a、b为常数；其中，根据第一刻蚀图形的刻蚀速度及其面积，对该表达式的常数a、b进行校正。
3.根据权利要求2所述的小面积图形刻蚀深度的测量方法，其特征在于，在所述参考样品上设置的刻蚀参考区的数量为20～100；所述第一刻蚀图形的数量为多个。
4.根据权利要求2所述的小面积图形刻蚀深度的测量方法，其特征在于，该方法还包括步骤：在所述刻蚀衬底上制作掩膜层，并在所述掩膜层中形成所述第一刻蚀图形和第二刻蚀图形；其中，所述掩膜层为硬掩膜层或光刻胶掩膜层。
5.根据权利要求2所述的小面积图形刻蚀深度的测量方法，其特征在于，所述刻蚀工艺为离子束刻蚀工艺、反应离子刻蚀工艺或感应离子耦合刻蚀工艺。
6.根据权利要求2所述的小面积图形刻蚀深度的测量方法，其特征在于，刻蚀参考区的刻蚀深度台阶仪、原子力显微镜、扫描电镜来测量。
7.根据权利要求2所述的小面积图形刻蚀深度的测量方法，其特征在于，采用台阶仪、光学轮廓仪来测量所述第一刻蚀图形的刻蚀深度。
8.根据权利要求2所述的小面积图形刻蚀深度的测量方法，其特征在于，所述衬底为单层或多层的无机半导体衬底。
9.根据权利要求8所述的小面积图形刻蚀深度的测量方法，其特征在于，所述无机半导体衬底的材料为硅、锗、碳化硅或硅锗，或者是基于Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素N、P、As、Sb组成的III-V族化合物、基于Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素O、S、Se、Te组成的II-VI族化合物、基于Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素S、Se、Te组成的V-VI族化合物。
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