CN109659246B

CN109659246B - 一种开口倾斜度的测量方法及三维存储器的制备方法

Info

Publication number: CN109659246B
Application number: CN201811361831.6A
Authority: CN
Inventors: 刘公才; 王猛; 黄竹青; 黄海辉
Original assignee: Yangtze Memory Technologies Co Ltd
Current assignee: Yangtze Memory Technologies Co Ltd
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2020-12-01
Anticipated expiration: 2038-11-15
Also published as: CN109659246A

Abstract

本发明公开了一种开口倾斜度的测量方法、三维存储器沟道通孔的刻蚀检测方法以及三维存储器的制备方法。所述测量方法包括：采用电子显微镜从所述开口的顶部方向测量其形貌；获取所述开口的顶部轮廓图像；调节所述电子显微镜的图像处理算法功能，利用所述电子显微镜的顶部探测器，获取所述开口的底部轮廓图像；数据处理，计算得到所述开口的顶部重心位置以及底部重心位置；根据所述顶部重心位置以及所述底部重心位置，确定所述开口的倾斜度；所述倾斜度包括所述开口轴向的倾斜角度以及所述开口底部轮廓相对于顶部轮廓的偏移量；其中，所述开口的深度大于等于4微米；所述电子显微镜为高电压扫描电子显微镜。

Description

一种开口倾斜度的测量方法及三维存储器的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体制备工艺领域，尤其涉及一种开口倾斜度的测量方法、三维存储器沟道通孔的刻蚀检测方法以及三维存储器的制备方法。

背景技术

存储器(Memory)是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。为了获得更高的集成度以及数据存储密度，存储器的关键尺寸需要不断减小，对应的工艺成本及技术要求不断提高；在这种情况下，普通的平面存储器逐渐不能满足实际批量生产的需要，三维(3D)存储器应运而生。在三维存储器中，沟道通孔(Channel Hole，CH)作为载流子移动的重要通道，其形成工艺的稳定性对三维存储器的产品良率有着十分重要的影响。

在相关技术中，沟道通孔通过刻蚀沉积在衬底表面的多层叠层结构而形成；该刻蚀过程采用硬掩膜层，从硬掩膜层的开口向下刻蚀，最终形成所述沟道通孔。然而，研究发现，在制备工艺中硬掩膜层的开口经常出现底部与顶部不对齐的情况，即硬掩膜开口(HardMask Opening，HMO)发生倾斜(Tilting)；如果利用这样的硬掩膜层执行刻蚀工艺将直接影响沟道通孔的形成，导致沟道通孔无法满足设计需求。进一步地，沟道通孔的刻蚀失败会对后续工艺产生不利影响，如导致后续沟道通孔内堆叠膜层(如SONO)刻蚀出现开口错位等问题，严重时将引发堆叠膜层内多晶硅层受损甚至氧化物层受损，从而导致沟道层无法导通，最终形成的三维存储器失效。

因此，如何准确地测量开口的倾斜度，尤其是三维存储器沟道通孔的刻蚀工艺中使用的硬掩膜层开口的倾斜度，成为本领域现阶段亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种开口倾斜度的测量方法、三维存储器沟道通孔的刻蚀检测方法以及三维存储器的制备方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种开口倾斜度的测量方法，所述方法包括：

采用电子显微镜从所述开口的顶部方向测量所述开口的形貌；获取所述开口的顶部轮廓图像；调节所述电子显微镜的图像处理算法功能，利用所述电子显微镜的顶部探测器，获取所述开口的底部轮廓图像；

对所述开口的顶部轮廓图像以及底部轮廓图像进行数据处理，计算得到所述开口的顶部重心位置以及底部重心位置；

根据所述顶部重心位置以及所述底部重心位置，确定所述开口的倾斜度；所述倾斜度包括所述开口轴向的倾斜角度以及所述开口底部轮廓相对于顶部轮廓的偏移量；

其中，所述开口的深度大于等于4微米；所述电子显微镜为高电压扫描电子显微镜(HV-SEM)。

上述方案中，所述采用电子显微镜从所述开口的顶部方向测量所述开口的形貌的步骤中，所述电子显微镜的测量加速电压为30000伏。

上述方案中，所述电子显微镜的图像处理算法功能具体为darkness3的图像处理算法功能。

上述方案中，所述开口为光刻工艺中硬掩膜层的开口。

上述方案中，所述硬掩膜层为三维存储器的制备过程中刻蚀形成沟道通孔时使用的硬掩膜层。

本发明实施例还提供了一种三维存储器沟道通孔的刻蚀检测方法，所述方法包括：

沉积硬掩膜层；

在所述硬掩膜层上形成开口，所述开口暴露所述三维存储器中需要形成沟道通孔的位置处的上表面；

上述方案中，所述方法还包括：

根据所述顶部重心位置以及所述底部重心位置，确定所述开口的倾斜度；所述倾斜度包括所述开口轴向的倾斜角度以及所述开口底部轮廓相对于顶部轮廓的偏移量。

上述方案中，所述方法还包括：当所述开口的倾斜度符合预设条件时，以所述硬掩膜层为掩膜，从所述开口向下刻蚀，形成所述沟道通孔。

上述方案中，所述方法还包括：当所述开口的倾斜度不符合预设条件时，对所述三维存储器沟道通孔的刻蚀工艺进行调整。

本发明实施例还提供了一种三维存储器的制备方法，包括上述方案中任意一项所述的三维存储器沟道通孔的刻蚀检测方法中的步骤。

本发明实施例提供的开口倾斜度的测量方法、三维存储器沟道通孔的刻蚀检测方法以及三维存储器的制备方法，通过采用电子显微镜获取从开口的顶部方向测量所述开口的形貌；获取所述开口的顶部轮廓图像；调节所述电子显微镜的图像处理算法功能，利用所述电子显微镜的顶部探测器，获取所述开口的底部轮廓图像，利用所述顶部轮廓图像以及底部轮廓图像可以实现对开口的倾斜度的量化测量，提高了开口倾斜度的测量准确性；通过高电压扫描电子显微镜(HV-SEM)实现了对开口顶部轮廓与底部轮廓图像的直接在线测量，无需切片取样；对于三维存储器沟道通孔的刻蚀工艺中使用的硬掩膜层开口，可以使用高电压扫描电子显微镜实现制备过程中的在线检测，无需损坏三维存储器基底结构；由此，可以基于检测结果迅速判断是否需要对沟道通孔的刻蚀工艺进行调整，节省了时间和成本。此外，通过高电压扫描电子显微镜可以实现开口的批量检测；对于三维存储器的沟道通孔，实现了快速、多点检测，避免了检测数量有限导致的检测时间过长或者漏检问题。通过对开口的顶部轮廓图像以及底部轮廓图像进行数据处理，计算得到所述开口的顶部重心位置以及底部重心位置；根据所述顶部重心位置以及所述底部重心位置，确定所述开口的倾斜度；从而提供了一种由微观电镜图像计算开口的倾斜度的数据处理方法，通过该数据处理方法可以准确地获得开口轴向的倾斜角度以及所述开口底部轮廓相对于顶部轮廓的偏移量。不仅如此，在三维存储器的制备过程中增加沟道通孔的刻蚀检测步骤，避免了在产品制备完成后，反向判断失效产品的问题根源，从而缩短了研发周期；通过该检测步骤，可以及时发现沟道通孔的刻蚀问题，提高产品良率。

附图说明

图1为相关技术中硬掩膜层开口形貌的场发射电子显微镜图像；

图2为相关技术中利用场发射电子显微镜图像绘制的硬掩膜开口边界像素点拟合图；

图3为本发明一实施例提供的开口倾斜度的测量方法的流程示意图；

图4为本发明另一实施例提供的三维存储器沟道通孔的刻蚀检测方法的流程示意图；

图5为实施例1中硬掩膜开口底部与顶部的扫描电子显微镜图像；

图6为实施例1中硬掩膜开口形貌示意图；

图7为实施例1中不同位置处硬掩膜开口的倾斜度坐标图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

电子显微镜是观察物体微观形貌的常用仪器，对于硬掩膜层开口倾斜度的测量一般也需要借助电子显微镜来完成。然而，由于硬掩膜层开口的深度一般较深(在4微米以上)，其倾斜度从俯视方向上难以观察；因此，本领域技术人员普遍认为无法通过扫描电镜(SEM)直接获取到开口的底部轮廓图像。

在这种情况下，相关技术中普遍通过场发射电子显微镜(FEM)测量HMO切片的方法获得HMO的剖视图，从而估测HMO的倾斜度。

图1示出了相关技术中采用聚焦离子束切割HMO样品后利用FEM拍摄的HMO形貌图像；图2为相关技术中利用FEM图像绘制的HMO样品边界像素点拟合图。通过电脑软件对拍摄获取的HMO样品的FEM图像进行处理，可以得到HMO样品边界的每一个像素点距离法线的相对距离；通过对HMO样品的左边界像素点位置与右边界像素点位置取平均值，拟合得到HMO样品的中心线，该中心线与法线之间的夹角即为HMO样品的偏移角度。

然而，这种测量方法需要对HMO进行切片取样，一方面，需要破坏HMO所在的器件基底结构；另一方面，一次测量中切片数量有限，无法实现开口的批量检测，从而无法反映出器件中全部开口的倾斜状况。不仅如此，利用FEM拍摄的HMO形貌图像，在拍摄倍率下噪声较大，图像质量不佳，拟合误差很高，无法准备反映HMO的实际倾斜情况；同时，这种测量方法也无法量化HMO的倾斜量，从而无法满足工艺调整的需求。

基于此，本发明实施例提供了一种开口倾斜度的测量方法；具体请参见图3。所述方法包括以下步骤：

步骤101、采用电子显微镜从所述开口的顶部方向测量所述开口的形貌；获取所述开口的顶部轮廓图像；调节所述电子显微镜的图像处理算法功能，利用所述电子显微镜的顶部探测器，获取所述开口的底部轮廓图像；

步骤102、对所述开口的顶部轮廓图像以及底部轮廓图像进行数据处理，计算得到所述开口的顶部重心位置以及底部重心位置；

步骤103、根据所述顶部重心位置以及所述底部重心位置，确定所述开口的倾斜度；所述倾斜度包括所述开口轴向的倾斜角度以及所述开口底部轮廓相对于顶部轮廓的偏移量；

其中，所述开口的深度大于等于4微米；所述电子显微镜为高电压扫描电子显微镜。

发明人在研究中意外发现，采用高电压扫描电子显微镜(High Voltage-scanningelectron microscope，HV-SEM)不仅能够获得开口的顶部图像，并且在高电压的作用下，通过调节HV-SEM的相应功能，还能够在开口的顶部侧拍摄到开口的底部轮廓图像；如此，实现了开口形貌的在线测量，无需进行切片处理。这里，HV-SEM例如使用日立公司(HITACHI)生产的高电压特征尺寸扫描电子显微镜(HV CD-SEM)。在对所述开口的底部形貌进行测量的过程中，HV-SEM功能调节的关键在于，需要应用到所述HV-SEM中的图像处理算法功能；并且需要利用所述HV-SEM的顶部(Upper)探测器，而非常规理解上的底部形貌采用底部(Lower)探测器测量；在此基础上，通过进一步调节HV-SEM，即可以在开口的顶部侧拍摄到开口的底部轮廓图像。

在步骤101中，即所述采用电子显微镜获取从所述开口的顶部方向测量所述开口的形貌的步骤中，所述电子显微镜的测量加速电压为30000伏。在该电压下，所述HV-SEM获取的开口顶部与底部图像最为准确、清晰。

在一实施例中，所述电子显微镜的图像处理算法功能具体为darkness3的图像处理算法功能。

可以理解地，在步骤102中，计算得到所述开口的顶部重心位置以及底部重心位置，指的是同一开口的顶部重心位置与底部重心位置；如此，才能计算该开口的倾斜度。

在步骤103中，确定的所述开口的倾斜度，具体为一个矢量；即，所述倾斜度即包括所述开口轴向的倾斜角度，又包括所述开口底部相对于顶部的偏移量。如此，实现了对开口倾斜度的量化测量。

在一实施例中，所述开口可以为光刻工艺中硬掩膜层(HMO)的开口。进一步地，所述硬掩膜层为三维存储器的制备过程中刻蚀形成沟道通孔时使用的硬掩膜层。可以理解，本发明实施例提供的开口倾斜度的测量方法，主要是为了应用于三维存储器的制备过程中刻蚀形成沟道通孔时使用的硬掩膜层的开口的倾斜度测量；但该测量方法并不限于在三维存储器的制备过程中使用，本领域技术人员可以在任何需要进行微观开口倾斜度测量并且其他测量方法无法很好地实施的情况下，使用本发明实施例提供的测量方法进行测量。

本发明实施例还提供了一种三维存储器沟道通孔的刻蚀检测方法；具体请参见附图4。所述方法包括以下步骤：

步骤201、沉积硬掩膜层；

步骤202、在所述硬掩膜层上形成开口，所述开口暴露所述三维存储器中需要形成沟道通孔的位置处的上表面；

步骤203、采用电子显微镜从所述开口的顶部方向测量所述开口的形貌；获取所述开口的顶部轮廓图像；调节所述电子显微镜的图像处理算法功能，利用所述电子显微镜的顶部探测器，获取所述开口的底部轮廓图像；

可以理解地，本发明实施例提供的三维存储器沟道通孔的刻蚀检测方法，可以实现沟道通孔刻蚀工艺的在线检测，无需损坏三维存储器基底结构；由此，可以基于检测结果迅速判断是否需要对沟道通孔的刻蚀工艺进行调整，节省了时间和成本。此外，通过高压扫描电子显微镜可以实现开口的批量检测；对于三维存储器的沟道通孔，实现了快速、多点检测，避免了检测数量有限导致的检测时间过长或者漏检问题。

在一实施例中，在步骤201之前，还包括提供基底结构的步骤。所述基底结构中可以包括半导体衬底，以及在所述半导体衬底上形成的由第一材料层和第二材料层交替堆叠的叠层结构。所述三维存储器沟道通孔的刻蚀具体可以为，刻蚀所述叠层结构，形成沟道通孔CH，所述沟道通孔CH暴露所述半导体衬底。可选地，所述刻蚀步骤可以通过干法刻蚀工艺完成。

在所述沟道通孔的刻蚀步骤中，需要预先沉积硬掩膜层，通过硬掩膜层开口实现刻蚀位置的准确确定。具体地，所述硬掩膜层可以沉积在所述基底结构的表面；更具体地，所述硬掩膜层沉积在所述叠层结构的表面。所述硬掩膜层的开口位置即为需要刻蚀形成沟道通孔的位置；所述硬掩膜层中开口以外的部分(即形成开口后所述硬掩膜层的剩余部分)，在刻蚀过程中为基底结构提供保护作用。

在步骤203中，即所述采用电子显微镜从所述开口的顶部方向测量所述开口的形貌的步骤中，所述电子显微镜的测量加速电压为30000伏。在该电压下，所述HV-SEM获取的开口顶部与底部图像最为准确、清晰。

在一实施例中，所述方法还包括：对所述开口的顶部图像以及底部图像进行数据处理，计算得到所述开口的顶部重心位置以及底部重心位置；根据所述顶部重心位置以及所述底部重心位置，确定所述开口的倾斜度；所述倾斜度包括所述开口轴向的倾斜角度以及所述开口底部相对于顶部的偏移量。由此，本发明实施例提供了一种根据微观电镜图像，计算开口的倾斜度的数据处理方法，通过该数据处理方法可以准确地获得开口轴向的倾斜角度以及所述开口底部相对于顶部的偏移量。

在一实施例中，所述方法还包括：当所述开口的倾斜度符合预设条件时，以所述硬掩膜层为掩膜，从所述开口向下刻蚀，形成所述沟道通孔。可以理解地，此时形成的硬掩膜层开口符合预设的工艺条件；因此，以该硬掩膜层为保护层对基底结构进行刻蚀，形成的CH也可以符合预设要求。

在另一实施例中，所述方法还包括：当所述开口的倾斜度不符合预设条件时，对所述三维存储器沟道通孔的刻蚀工艺进行调整。可以理解地，此时形成的硬掩膜层开口不符合预设的工艺条件；以该硬掩膜层作为保护层刻蚀形成的CH也很难符合预设要求，从而最终制备的三维存储器容易出现实效问题；因此，当检测发现问题时，可以提醒技术人员对刻蚀的工艺进行调整，直至能够形成符合预设条件的HMO开口。

本发明实施例还提供了一种三维存储器的制备方法，可以包括前述实施例中任意一项所述的三维存储器沟道通孔的刻蚀检测方法中的步骤。如此，在三维存储器的制备过程中增加沟道通孔的刻蚀检测步骤，避免了在产品制备完成后，反向判断失效产品的问题根源，从而缩短了研发周期；通过该检测步骤，可以及时发现沟道通孔的刻蚀问题，提高产品良率。

实施例1：

下面结合图5至图7对本发明再作进一步详细的说明。

图5为实施例1中硬掩膜开口底部与顶部的扫描电子显微镜图像；具体为一种三维存储器沟道通孔的刻蚀工艺中使用的硬掩膜的开口，利用高压扫描电子显微镜，在加速电压为30000伏的条件下从所述开口的顶部方向测量所述开口的顶部形貌与底部形貌；通过调节darkness3的图像处理算法得到底部信号的图像。其中，左侧为硬掩膜开口底部轮廓图像，右侧为硬掩膜开口顶部轮廓图像。

在获取图像后，计算每个开口的底部与顶部的重心，从而拟合出的硬掩膜开口形貌示意图(如图6所示)，最终通过计算，得到同一个HMO的偏移方向。

图7示出了实施例1中不同位置处硬掩膜开口的倾斜度坐标图。其中，横坐标表示硬掩膜开口在所述三维存储器中的相对位置，横坐标为0的位置位于存储器中央，横坐标绝对值越大的位置距离存储器中央越远；纵坐标表示硬掩膜开口的倾斜位移，纵坐标值越大表示偏移量越大；并且，纵坐标值为正值时表示硬掩膜开口朝向存储器中央偏移，纵坐标值为负值时表示硬掩膜开口朝向远离所述存储器中央的方向偏移。由该倾斜度坐标图可以看出，目前检测的硬掩膜开口中，位于存储器边缘的硬掩膜开口的偏移量大于位于存储器中央的硬掩膜开口的偏移量；由此，为工艺的改进提供了方向性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种开口倾斜度的测量方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述采用电子显微镜从所述开口的顶部方向测量所述开口的形貌的步骤中，所述电子显微镜的测量加速电压为30000伏。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述电子显微镜的图像处理算法功能具体为darkness3的图像处理算法功能。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述开口为光刻工艺中硬掩膜层的开口。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述硬掩膜层为三维存储器的制备过程中刻蚀形成沟道通孔时使用的硬掩膜层。

6.一种三维存储器沟道通孔的刻蚀检测方法，其特征在于，所述方法包括：

沉积硬掩膜层；

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述采用电子显微镜从所述开口的顶部方向测量所述开口的形貌的步骤中，所述电子显微镜的测量加速电压为30000伏。

8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

9.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述电子显微镜的图像处理算法功能具体为darkness3的图像处理算法功能。

10.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述方法还包括：当所述开口的倾斜度符合预设条件时，以所述硬掩膜层为掩膜，从所述开口向下刻蚀，形成所述沟道通孔。

11.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述方法还包括：当所述开口的倾斜度不符合预设条件时，对所述三维存储器沟道通孔的刻蚀工艺进行调整。

12.一种三维存储器的制备方法，其特征在于，包括权利要求6至11中任意一项所述的三维存储器沟道通孔的刻蚀检测方法中的步骤。