CN106052573B - 校准椭偏仪的膜厚样片、检验样片及其检验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种校准椭偏仪的膜厚样片、检验样片及其检验方法，涉及椭偏仪校准技术领域，包含多组附着二氧化硅或氮化硅的硅片，二氧化硅薄膜的厚度≤1000nm，氮化硅薄膜的厚度≤200nm，覆盖了现在半导体工艺二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜的应用范围，硅片上还设有定标图形，定标图形围绕的区域为定标区域，即校准椭偏仪时测量的区域，定标区域位于硅片的中心区域，每次校准椭偏仪的区域一致，厚度一致，保证校准的准确性，还公开了校准椭偏仪的膜厚样片的检验样片和检验方法，可以对校准椭偏仪的膜厚样片进行检验，检验膜厚样片是否能够校准椭偏仪。

Description

校准椭偏仪的膜厚样片、检验样片及其检验方法
技术领域
本发明涉及椭偏仪校准技术领域，尤其涉及校准椭偏仪的膜厚样片、检验样片及其检验方法。
背景技术
在半导体行业内，分立器件和集成电路的制造过程中会制作热氧化膜(SiO2薄膜)、电介质膜(Si3N4薄膜)等用以实现器件的各种功能。热氧化膜或电介质膜均为透明薄膜，薄膜厚度是一个重要的参数，其测量准确度会直接影响器件的性能指标，因此，对各种薄膜厚度参数的精确、快速测定和控制，是保证器件质量、提高生产效率的重要手段。椭偏仪是微电子芯片生产过程中用于测量、监视薄膜厚度的仪器，主要用于解决半导体制造业中大量的透明薄膜厚度的测量问题。
椭偏仪对薄膜的测量属于间接测量，它是根据偏振光在反射前后的偏振状态变化来确定薄膜参数的。要获得薄膜的折射率、厚度等参数，必须建立一个模型，测量模型是椭偏仪的核心技术，出于技术保护，椭偏仪生产厂家都有自己的测量模型，这就导致使用不同厂家生产的仪器测量同一薄膜厚度时，结果就会出现偏差。另外随着椭偏仪使用次数增多，使用年限增长，椭偏仪的测量结果会出现偏差，因此有必要对椭偏仪进行校准，保证椭偏仪测量结果的准确。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种校准椭偏仪的膜厚样片，可以对椭偏仪进行应用范围量程内的校准，并且可以对不同材质的薄膜进行校准，设计了定标图形，保证每次校正测量的都是同一个区域，保证了校正的准确性；提供了一种膜厚样片的检验样片，可以对膜厚样片中心区域的薄膜厚度进行测量验证；还提供一种方法对制备的膜厚样片进行检验确定膜厚样片是否能够校准椭偏仪。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：校准椭偏仪的膜厚样片，包括若干个硅片，所述硅片上表面附着二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜，二氧化硅薄膜的厚度≤1000nm，氮化硅薄膜的厚度≤200nm，硅片上还设有定标图形，定标图形环绕区域为定标区域，定标区域为二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜，所述若干个硅片表面附着二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜膜厚不同，相互构成一个膜厚不同的膜厚样片系列。
进一步优化的技术方案为所述的定标区域位于硅片中心区域。
进一步优化的技术方案为所述的膜厚样片系列为：附着二氧化硅定标区域的硅片有7个，7个硅片附着的二氧化硅薄膜厚度分别为10nm、20nm、50nm、100nm、200nm、500nm、1000nm，误差范围为±3%。
进一步优化的技术方案为所述的膜厚样片系列为：附有氮化硅定标区域的硅片为4个，4个硅片附着的氮化硅薄膜厚度分别为20nm、50nm、100nm、200nm，误差范围为±3%。
校准椭偏仪的膜厚样片的检验样片，包括一个检验样片系列，检验样片系列中的每一片硅片均附有开放膜图形，并与所述的膜厚样片系列中的每一片有相同材质相同厚度的薄膜，开放膜图形与定标区域在硅片上的位置相同。
进一步优化的技术方案为所述的开放膜图形为四种。
进一步优化的技术方案为所述的开放膜图形为薄膜或者具有台阶结构的薄膜图形。
一种校准椭偏仪的膜厚样片的检验方法，利用所述的校准椭偏仪的膜厚样片的检验样片进行检验，包含以下步骤：
1）准备校准椭偏仪的膜厚样片和检验样片；
2）取其中一个带有开放膜图形的检验样片，分别用白光干涉仪、光谱型椭偏仪、光谱型椭偏仪、台阶仪对四种开放膜图形进行厚度测量验证；如果厚度值在设定值范围内，进行下一步,反之，则对应此片检验样片的校准椭偏仪的膜厚样片不合格；
3）取其中一个带有定标图形的膜厚样片，与上述步骤中所用检验样片具有相同材质相同厚度的薄膜，用椭偏仪对定标区域的上中下左右五个位置进行测量，以五个位置测量结果的最大差值作为该样片的均匀性结果，如果均匀性结果小于5%，证明此膜厚样片符合校准椭偏仪膜厚样片的要求,反之，此片校准椭偏仪的膜厚样片不合格；
4）按照步骤2和步骤3的方法依次对一组校准椭偏仪的膜厚样片进行测量检验，如果每片椭偏仪的检验样片都在设定值范围内，一组校准椭偏仪的膜厚样片也均符合要求，那么可以将带有定标图形和定标区域的膜厚样片作为校准椭偏仪的膜厚样片用来校正椭偏仪。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于： 通过制作二氧化硅和氮化硅两种膜厚样片，膜厚范围覆盖了现在半导体工艺二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜的应用范围，可以对椭偏仪进行应用范围量程内的校准；椭偏仪膜厚样片上设有定标图形，每次校正选取定标图形围绕的定标区域范围内的薄膜进行校正，保证每次校正时测量的区域一致，厚度一致，提高校准的准确性；还制作了设有开放膜图形的检验样片，检验样片上的开放膜图形不仅能够实现椭偏仪测量的要求，还能实现白光干涉仪、台阶仪测量的要求，可以用台阶仪和白光衍射仪对厚度进行验证，提高膜厚样片校准椭偏仪的准确性，提供了一种方法，可以对椭偏仪的膜厚样片进行校准验证。
附图说明
图1是一片设有定标图形的膜厚样片的俯视图。
图2是一片设有开放膜图形的检验样片的俯视图。
图3是图2中第一开放膜图形的局部放大图。
图4是图2中第二开放膜图形的局部放大图。
图5是图2中第三开放膜图形的局部放大图。
图6是图2中第四开放膜图形的局部放大图。
图中：1、硅片；2、定标区域；3、定标图形；4、开放膜图形；41、第一开放膜图形；42、第二开放膜图形；43、第三开放膜图形；44、第四开放膜图形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都属于本发明保护的范围。
校准椭偏仪的膜厚样片，为一系列膜厚不同的膜厚样片，选择硅片1为衬底材料，每个样片为附着薄膜的硅片1，薄膜分为两种，分别是二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜；包括了当前半导体行业中最常用的两种材料，可用来校准椭偏仪对两种薄膜进行厚度测量，硅片1上设有定标图形3，定标图形3环绕的区域为定标区域2，定标区域2为二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。
附有二氧化硅定标区域2薄膜的膜厚样片有七个，七个样片附着的二氧化硅薄膜厚度分别为10nm、20nm、50nm、100nm、200nm、500nm、1000nm；附有氮化硅定标区域2的膜厚样片为四个，四个样片附着的氮化硅薄膜厚度分别为20nm、50nm、100nm、200nm，十一个样片相互构成一个膜厚不同的测量规格系列，基本覆盖了当前半导体行业的应用范围，尺寸范围宽，能够对椭偏仪进行应用范围量程内的校准。半导体行业现有工艺制备的二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜在单片上中间区域和边缘区域厚度不一致，中间区域厚度比较集中均匀，此处所指样片薄膜厚度为样片中间区域厚度，定标图形3和定标区域2也位于样片中间区域。现有半导体工艺制备的薄膜厚度与设定值存在误差，一般中心区域厚度与设定值厚度控制在±10%范围内，本申请控制在±3%以内，单片上定标区域上中下左右五个位置薄膜厚度的差值控制在5%以内。
因为现有半导体工艺制备的薄膜厚度与设定值存在误差，所以制备的膜厚样片的薄膜厚度不会完全和设置值一样，为了确切知道制备的膜厚样片的薄膜厚度，设计一系列设有开放膜图形4的检验样片，组成一个检验样片系列，检验样片用来验证膜厚样片的薄膜厚度，检验样片和膜厚样片一一相对应，每一片膜厚样片相对应有一片检验样片，相对应的膜厚样片和检验样片采用同一次半导体工艺制备，具有相同材质相同厚度的薄膜。为了验证的准确性，膜厚样片的定标区域2和校准样片的开放膜图形4在硅片上的相同位置。优选的，都位于中间区域。开放膜图形4为薄膜或者具有台阶的薄膜结构，开放膜图形4可以采用白光干涉仪、光谱型椭偏仪或台阶仪等合理的设备进行膜厚的测量，有效验证膜厚的厚度值。
图1为一片设有定标图形3的膜厚样片的俯视图，膜厚样片在4寸硅片1上制作，由于区域范围大，现有半导体工艺制备的单片薄膜的厚度中间区域和边缘区域不会完全一致，为了保证膜厚标准样片校准椭偏仪结果的准确，样片定标时规定好定标区域2，即校准椭偏仪时测量的区域，在膜厚样片中央区域设计了定标图形3，定标图形3围绕的区域为定标区域2，定标区域2为二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜，便于椭偏仪对厚度进行测量，定标区域2设于硅片1的中央区域，半导体工艺制备的薄膜中央区域厚度比较均匀，定标图形3标记出膜厚样片的测量位置，保证每次校准椭偏仪测量的都是固定区域，保证了校准的一致性、准确性。由于定标区域2为区域性覆盖的薄膜，即在硅片1的某个区域全部覆盖薄膜，区域薄膜的上下左右四个位置制作定标图形3用来识别区域薄膜的范围。
如图2所示，开放膜图形4设计为四种，开放膜图形4和定标区域2一样位于硅片1的中心区域，图3为第一开放膜图形41，采用白光干涉仪测量膜厚，图4为第二开放膜图形42，采用光谱性椭偏仪进行测量，图5为第三开放膜图形43，用光谱性椭偏仪进行测量，图6为第四开放膜图形44，采用台阶仪进行测量，四种开放膜图形4设计为可适用于以上三种测量薄膜厚度的设备进行测量的薄膜图形，四种开放膜图形4的位置可以互换。白光干涉仪和光谱性椭偏仪测量的开放膜图形4为二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜，台阶仪测量的开放膜图形4为具有台阶结构的二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。
氮化硅薄膜采用低压化学气相淀积工艺制作，之后采用光刻、刻蚀工艺制备出所需图形，二氧化硅薄膜样片使用热氧化工艺制作，之后采用光刻、刻蚀工艺制备出所需图形；相同材质相同厚度的薄膜为同一次低压化学气相淀积工艺或者热氧化工艺制备，又因为定标区域和开放膜图形都位于硅片的中心区域，即定标区域和开放膜图形内的薄膜厚度基本一致，所以可通过开放膜图形区域内的厚度确定定标区域的厚度。
校准椭偏仪的膜厚样片的校准方法，包含以下步骤：
1）准备校准椭偏仪的膜厚样片和检验样片；
2）取其中一个带有开放膜图形的检验样片，分别用白光干涉仪、光谱型椭偏仪、光谱型椭偏仪、台阶仪对四种开放膜图形进行厚度测量验证；如果厚度值在设定值范围内，设定值范围即设定的厚度值加上允许的误差。进行下一步,反之，则对应此片检验样片的校准椭偏仪的膜厚样片不合格；
3）取其中一个带有定标图形的膜厚样片，与上述步骤中所用检验样片具有相同材质相同厚度的薄膜，用椭偏仪对定标区域的上中下左右五个位置进行测量，以五个位置测量结果的最大差值作为该样片的均匀性结果，如果均匀性结果小于5%，证明此膜厚样片符合校准椭偏仪膜厚样片的要求,反之，此片校准椭偏仪的膜厚样片不合格；
4）按照步骤2和步骤3的方法依次对一组校准椭偏仪的膜厚样片进行测量检验，如果每片椭偏仪的检验样片都在设定值范围内，一组校准椭偏仪的膜厚样片也均符合要求，那么可以将带有定标图形和定标区域的膜厚样片作为校准椭偏仪的膜厚样片用来校正椭偏仪。
通过制作二氧化硅和氮化硅两种膜厚样片，膜厚范围覆盖了现在半导体工艺二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜的应用范围，可以对椭偏仪进行应用范围量程内的校准；椭偏仪膜厚样片上设有定标图形，每次校正选取定标图形围绕的定标区域范围内的薄膜进行校正，保证每次校正时测量的区域一致，厚度一致，提高校准的准确性；还制作了设有开放膜图形的检验样片，检验样片上的开放膜图形不仅能够实现椭偏仪测量的要求，还能实现白光干涉仪、台阶仪测量的要求，可以用台阶仪和白光衍射仪对厚度进行验证，提高膜厚样片校准椭偏仪的准确性，提供了一种方法，可以对椭偏仪的膜厚样片进行校准验证。

Claims (3)

1.一种校准椭偏仪的膜厚样片的检验方法，其特征在于，利用所述椭偏仪的膜厚样片的检验样片进行检验，其中，所述膜厚样片包括若干个硅片(1)，所述硅片(1)上表面附着二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜，二氧化硅薄膜的厚度≤1000nm，氮化硅薄膜的厚度≤200nm，硅片(1)上还设有定标图形(3)，定标图形(3)环绕区域为定标区域(2)，所述定标区域(2)位于硅片(1)中心区域，定标区域(2)为二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜，所述若干个硅片(1)表面附着二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜膜厚不同，相互构成一个膜厚不同的膜厚样片系列；所述检验样片包括一个检验样片系列，检验样片系列中的每一片硅片(1)均附有四种开放膜图形，并与所述膜厚样片系列中的每一片有相同材质相同厚度的薄膜，开放膜图形与定标区域(2)在硅片(1)上的位置相同；
所述检验方法包含以下步骤：
1)准备校准椭偏仪的膜厚样片和检验样片；
2)取其中一个带有开放膜图形的检验样片，用白光干涉仪、光谱型椭偏仪、光谱型椭偏仪、台阶仪分别对对应的开放膜图形进行厚度测量验证；如果厚度值在设定值范围内，进行下一步,反之，则对应此片检验样片的校准椭偏仪的膜厚样片不合格；
3)取其中一个带有定标图形的膜厚样片，与上述步骤中所用检验样片具有相同材质相同厚度的薄膜，用椭偏仪对定标区域的上中下左右五个位置进行测量，以五个位置测量结果的最大差值作为该样片的均匀性结果，如果均匀性结果小于5％，证明此膜厚样片符合校准椭偏仪膜厚样片的要求,反之，此片校准椭偏仪的膜厚样片不合格；
4)按照步骤2和步骤3的方法依次对一组校准椭偏仪的膜厚样片进行测量检验，如果每片椭偏仪的检验样片都在设定值范围内，一组校准椭偏仪的膜厚样片也均符合要求，那么可以将带有定标图形和定标区域的膜厚样片作为校准椭偏仪的膜厚样片用来校正椭偏仪。
2.根据权利要求1所述的校准椭偏仪的膜厚样片的检验方法，其特征在于所述的膜厚样片系列为：附着二氧化硅定标区域(2)的硅片(1)有7个，7个硅片(1)附着的二氧化硅薄膜厚度分别为10nm、20nm、50nm、100nm、200nm、500nm、1000nm，误差范围为±3％。
3.根据权利要求1所述的校准椭偏仪的膜厚样片的检验方法，其特征在于所述的膜厚样片系列为：附有氮化硅定标区域(2)的硅片(1)为4个，4个硅片(1)附着的氮化硅薄膜厚度分别为20nm、50nm、100nm、200nm，误差范围为±3％。
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