CN112038249B - 侦测光刻工艺制程异常的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种侦测刻蚀工艺制程异常的方法，先建立多个FEM(Focus and Energy Matrix)条件形成的待测结构的ADI CD及截面图像与AEI CD及截面图像相互对应构成的数据库，然后利用正常光刻工艺中量测的待处理晶圆的ADI CD及截面图像和数据库中的信息预测待处理晶圆的AEI CD及截面图像，根据预测结果可以在刻蚀工艺进行之前提前预测制程是否出现异常以及发生缺陷的可能性。本发明不需要对刻蚀工艺后的AEI CD进行实时在线测量，可以大幅减少实时检测的数据量，加快制程进度，而且可以根据预测结果及时确定制程发生异常并对发生异常的制程和产品进行及早修正，从而提高生产效率。

Description

侦测光刻工艺制程异常的方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别属于一种侦测光刻工艺制程异常的方法。
背景技术
随着半导体技术的发展，对芯片的良率要求越来越高。然而，集成电路芯片制造工艺复杂，其制造过程中往往会出现很多缺陷，因此缺陷检测是集成电路制造过程中的必备工艺。
在整个芯片制造过程中，核心的步骤为图形转移，就是将原始版图上的设计图形转移到硅片上形成目标图形。图形转移过程中会生成许多中间图形，如光罩图形、ADI(After Develop Inspection，显影后检测)图形、AEI(After Etch Inspection，刻蚀后检测)图形等来辅助形成目标图形。由于工艺制造过程复杂，缺陷不可避免，所以这些中间图形和目标图形都需要进行缺陷检测，保证其与原始版图上的设计图形比对没有如搭接(Bridge)、开路(Open)、短路(Short)等逻辑错误。
具体地，为了将集成电路(integrated circuits)的图案顺利地转移到半导体芯片上，必须先将电路图案设计在一光掩模布局图上，之后依据光掩模布局图所输出的光掩模图案(photomask pattern)来制作一光掩模，并且将光掩模上的图案以一定的比例转移到该半导体芯片上，也就是俗称的光刻技术(lithography)。
曝光最重要的两个参数是曝光能量(Energy)和焦距(Focus)，在现有工艺中，通常设定好曝光能量和焦距，然后开始进行光刻工艺和刻蚀工艺。光刻后特定图形尺寸的大小通过ADI CD(Critical Dimension，关键尺寸)表征，AEI CD是刻蚀后介质层尺寸大小的表征，通常光刻后的图形尺寸ADI CD的变化会直接导致刻蚀后的图形尺寸AEI CD发生变化，而AEI CD的大小是产品是否合格的基准，因为其决定了器件的运行速度。
现行制程的关键尺寸都是在ADI及AEI采用传统的在线(inline)量测方式进行量测，从而确定AEI图形是否存在缺陷(如搭接Bridge、开路Open等)，如图1、图2所示。这种在线实时量测方式在刻蚀工艺开始之前无法确定制程是否出现异常，因此只能在AEI图形出现缺陷后对产品进行修正(rework)或者根据实时测量结果对刻蚀参数(如刻蚀时间、刻蚀气体浓度与配比等)进行调整，无法提前对制程进行干预修正。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种侦测光刻工艺制程异常的方法，可以解决现有的在线量测方法无法在刻蚀工艺开始之前提前预知制程是否出现异常的问题。
为了解决上述问题，本发明提供的侦测光刻工艺制程异常的方法，包括：
步骤S1，建立光刻图形参数与刻蚀图形参数对应关系的数据库；
步骤S2，利用光刻工艺的ADI CD图形表征预测AEI CD；
其中，所述步骤S1具体包括如下子步骤：
步骤S11，提供一晶圆，所述晶圆具有通过光刻焦距-曝光能量矩阵的多个FEM(Focus and Energy Matrix)条件形成的待测结构；
步骤S12，获取所述待测结构的ADI CD及截面图像；
步骤S13，对晶圆进行刻蚀工艺；
步骤S14，获取刻蚀后的晶圆上的待测结构的AEI CD及截面图像；
步骤S15，根据所述ADI CD及截面图像和所述AEI CD及截面图像，建立FEM条件下光刻图形参数与刻蚀图形参数对应关系的数据库；
所述步骤S2具体包括如下子步骤：
步骤S21，确定曝光能量和焦距，对待处理晶圆进行光刻工艺；
步骤S22，获取光刻后的待处理晶圆的ADI CD及截面图像；
步骤S23，在所述数据库中搜索与光刻工艺的曝光能量和焦距最接近的FEM条件下的光刻图形参数和刻蚀图形参数；
步骤S24，根据步骤S22获取的待处理晶圆的ADI CD及截面图像与步骤S23确定的光刻图形参数和刻蚀图形参数预测待处理晶圆的AEI CD；
步骤S25，如果预测的待处理晶圆的AEI CD与AEI CD目标值偏差大于设定阈值时，则判定光刻工艺制程异常，否则判定光刻工艺制程正常。
可选择的进一步改进，当光刻工艺被判定制程异常时，调整曝光能量和/或焦距，再次进行光刻工艺，进入步骤S22。
可选择的进一步改进，当光刻工艺被判定制程正常时，对待处理晶圆进行刻蚀工艺以及AEI。
可选择的进一步改进，所述待测结构为一维方向的图形结构或两维方向的图形结构。
可选择的进一步改进，在步骤S24中，根据步骤S22获取的待处理晶圆的ADI截面图像与步骤S23确定的光刻图形参数和刻蚀图形参数预测待处理晶圆的AEI截面图像。
可选择的进一步改进，在步骤S25中，对预测的AEI截面图像与数据库中的AEI截面图像进行图像匹配度分析，如果得到的图像匹配度小于设定匹配度阈值，则判定光刻工艺制程异常，否则判定光刻工艺制程正常。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果在于：
第一，本发明先利用FEM ADI结果和FEM AEI结果的对应关系建立数据库，然后在正常的光刻刻蚀工艺中利用量测的ADI CD以及数据库中的对应关系预测AEI CD，这样可以在刻蚀工艺进行之前提前预测制程是否正常；
第二，本发明还可以根据预测结果对发生异常的制程和产品进行及早修正，从而提高生产效率；
第三，本发明不需要对刻蚀工艺后的AEI CD进行实时在线测量，可以大幅减少实时检测的数据量，加快制程进度。
附图说明
图1为在线量测的ADI截面图像；
图2为在线量测的AEI截面图像；
图3为本发明的原理图；
图4为本发明中FEM条件下的光刻图形参数(包括ADI CD及截面图像)的示意图；
图5为本发明中FEM条件下的刻蚀图形参数(包括AEI CD及截面图像)的示意图；
图6为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，需要说明的是，本发明附图旨在示出根据本发明的特定示例性实施例中中所使用的方法、结构和/或材料的一般特性，对说明书中的描述进行补充。然而，本发明附图是未按照比例绘制的示意图，因而可能未能够准确反映任何所给出的实施例的精确结构或性能特点，本发明附图不应当被解释为限定或限制由根据本发明的示例性实施例所涵盖的数值或属性的范围。
本领域技术人员可以由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，本领域技术人员在不背离本发明的精神下可以进行各种类似推广和替换。
实施例一
本实施例的侦测光刻工艺制程异常的方法，如图3、图6所示，包括：
步骤S1，建立光刻图形参数与刻蚀图形参数对应关系的数据库；
步骤S2，利用光刻工艺的ADI CD图形表征预测AEI CD；
其中，所述步骤S1具体包括如下子步骤：
步骤S11，提供一晶圆，所述晶圆具有通过光刻焦距-曝光能量矩阵的多个FEM条件形成的待测结构；
步骤S12，获取所述待测结构的ADI CD及截面图像，如图4所示；
步骤S13，对晶圆进行刻蚀工艺；
步骤S14，获取刻蚀后的晶圆上的待测结构的AEI CD及截面图像，如图5所示；
步骤S15，根据所述ADI CD及截面图像和所述AEI CD及截面图像，建立FEM条件下光刻图形参数与刻蚀图形参数对应关系的数据库；
所述步骤S2具体包括如下子步骤：
步骤S21，确定曝光能量和焦距，对待处理晶圆进行光刻工艺；
步骤S22，获取光刻后的待处理晶圆的ADI CD及截面图像；
步骤S23，在所述数据库中搜索与光刻工艺的曝光能量和焦距最接近的FEM条件下的光刻图形参数和刻蚀图形参数；
步骤S24，根据步骤S22获取的待处理晶圆的ADI CD与步骤S23确定的光刻图形参数和刻蚀图形参数预测待处理晶圆的AEI CD；
步骤S25，如果预测的待处理晶圆的AEI CD与AEI CD目标值偏差大于设定偏差阈值，则判定光刻工艺制程异常，否则判定光刻工艺制程正常。
在步骤S11中，待测结构的形成步骤如下：
步骤S111，固定曝光能量不变，设定曝光机台中焦距为不同的数值，进行光刻工艺，得到某曝光能量下不同焦距条件形成的待测结构；
步骤S112，变化曝光能量，仍然采用前面设定的曝光机台的不同焦距，进行光刻工艺，得到变化后的曝光能量下不同焦距条件形成的待测结构；
步骤S113，重复步骤S112，得到不同的曝光能量-焦距条件下形成的待测结构。
所述待测结构可以为一维方向的图形结构，即图形结构中的图案沿一个方向排列，例如线条、沟槽，也可以为两维方向的图形结构，例如T型结构图案或U型结构图案等。而且，待测结构可以只包含一维方向的图形结构，也可以只包含两维方向的图形结构，还可以同时包含一维方向的图形结构和两维方向的图形结构。
在上述方法中，通过电子显微镜获取待测结构的截面图像。
对于待测结构中的一维方向图案采集SEM图像，该SEM图像通常为待测结构的局部图像，包含一定长度的几条线条图形，如可以为3-6条，对于待测结构为一维方向的图形结构，获得的SEM图像中包含该一维方向的图案，对于待测结构为两维方向的图形结构，在SEM图像中需要仅保留其中一个维度方向的图案，可以通过对原始的SEM图像进行剪切，来获得具有一维方向图案的SEM图像，该SEM图像为一维方向所在平面内的图像，为待测结构的俯视图。
本实施例的方法先利用FEM ADI结果和FEM AEI结果的对应关系建立数据库，然后在正常的光刻刻蚀工艺中利用量测的ADI CD以及数据库预测AEI CD，这样不需要对刻蚀工艺后的AEI CD进行实时在线测量，可以大幅减少实时检测的数据量，加快制程进度，而且可以在刻蚀工艺进行之前提前预测制程是否正常。
实施例二
在实施例一的基础上，本实施例对制程作出预测之后进一步进行自动控制。
具体地，本实施例的步骤S2具体包括如下子步骤：
步骤S21，确定曝光能量和焦距，对待处理晶圆进行光刻工艺；
步骤S22，获取光刻后的待处理晶圆的ADI CD及截面图像；
步骤S23，在所述数据库中搜索与光刻工艺的曝光能量和焦距最接近的FEM条件下的光刻图形参数和刻蚀图形参数；
步骤S24，根据步骤S22获取的待处理晶圆的ADI CD与步骤S23确定的光刻图形参数和刻蚀图形参数预测待处理晶圆的AEI CD；
步骤S25，如果预测的待处理晶圆的AEI CD与AEI CD目标值偏差大于设定偏差阈值，则判定光刻工艺制程异常，并进入步骤S26，否则判定光刻工艺制程正常，进入步骤S27；
步骤S26，调整曝光能量和/或焦距，再次进行光刻工艺，返回步骤S22；
步骤S27，对待处理晶圆进行刻蚀工艺以及AEI。
本实施例的方法不但可以在刻蚀工艺进行之前提前预测制程是否正常，而且可以根据预测结果对发生异常的制程和产品进行及早修正，从而提高生产效率。
实施例三
在实施例一和实施例二的基础上，本实施例在步骤S2中对AEI是否发生缺陷进行预测做进一步说明。
具体地，本实施例的步骤S2具体包括如下子步骤：
步骤S21，确定曝光能量和焦距，对待处理晶圆进行光刻工艺；
步骤S22，获取光刻后的待处理晶圆的ADI CD及截面图像；
步骤S23，在所述数据库中搜索与光刻工艺的曝光能量和焦距最接近的FEM条件下的光刻图形参数和刻蚀图形参数；
步骤S24，根据步骤S22获取的待处理晶圆的ADI CD及截面图像与步骤S23确定的光刻图形参数和刻蚀图形参数预测待处理晶圆的AEI CD及截面图像；
步骤S25，如果预测的待处理晶圆的AEI CD与AEI CD目标值偏差大于设定偏差阈值或者预测的待处理晶圆的AEI截面图像与数据库中的AEI截面图像的图像匹配度小于设定匹配度阈值，则判定光刻工艺制程异常，否则判定光刻工艺制程正常。
需要说明的是，在不冲突的情况下，上述实施例及实施例中的特征可以相互组合。除另有定义，否则上述所使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的技术人员通常理解含义相同的意思。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，本发明并不局限于上述实施方式。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员做出的等效置换和改进，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。

Claims (6)

1.一种侦测光刻工艺制程异常的方法，其特征在于，包括：
步骤S1，建立光刻图形参数与刻蚀图形参数对应关系的数据库；
步骤S2，利用光刻工艺的ADI CD图形表征预测AEI CD；
其中，所述步骤S1具体包括如下子步骤：
步骤S11，提供一晶圆，所述晶圆具有通过光刻焦距-曝光能量矩阵的多个曝光能量-焦距条件形成的待测结构；
步骤S12，获取所述待测结构的ADI CD及截面图像；
步骤S13，对晶圆进行刻蚀工艺；
步骤S14，获取刻蚀后的晶圆上的待测结构的AEI CD及截面图像；
步骤S15，根据所述ADI CD及截面图像和所述AEI CD及截面图像，建立曝光能量-焦距条件下光刻图形参数与刻蚀图形参数对应关系的数据库；
所述步骤S2具体包括如下子步骤：
步骤S21，确定曝光能量和焦距，对待处理晶圆进行光刻工艺；
步骤S22，获取光刻后的待处理晶圆的ADI CD及截面图像；
步骤S23，在所述数据库中搜索与步骤S21的光刻工艺的曝光能量和焦距最接近的曝光能量-焦距条件下的光刻图形参数和刻蚀图形参数；
步骤S24，根据步骤S22获取的待处理晶圆的ADI CD与步骤S23确定的光刻图形参数和刻蚀图形参数预测待处理晶圆的AEI CD；
步骤S25，如果预测的待处理晶圆的AEI CD与AEI CD目标值偏差大于设定偏差阈值，则判定光刻工艺制程异常，否则判定光刻工艺制程正常。
2.根据权利要求1所述的侦测光刻工艺制程异常的方法，其特征在于，当光刻工艺被判定制程异常时，调整曝光能量和/或焦距，再次进行光刻工艺，进入步骤S22。
3.根据权利要求1所述的侦测光刻工艺制程异常的方法，其特征在于，当光刻工艺被判定制程正常时，对待处理晶圆进行刻蚀工艺以及AEI。
4.根据权利要求1所述的侦测光刻工艺制程异常的方法，其特征在于，所述待测结构为一维方向的图形结构或两维方向的图形结构。
5.根据权利要求1所述的侦测光刻工艺制程异常的方法，其特征在于，在步骤S24中，根据步骤S22获取的待处理晶圆的ADI截面图像与步骤S23确定的光刻图形参数和刻蚀图形参数预测待处理晶圆的AEI截面图像。
6.根据权利要求5所述的侦测光刻工艺制程异常的方法，其特征在于，在步骤S25中，对预测的AEI截面图像与数据库中的AEI截面图像进行图像匹配度分析，如果得到的图像匹配度小于设定匹配度阈值，则判定光刻工艺制程异常，否则判定光刻工艺制程正常。
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