CN112133631B - 改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法和刻蚀设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法和刻蚀设备，包括提供衬底，在衬底上依次形成栅极材料层和硬掩模层；以第一工艺参数进行BT刻蚀，并进行OCD测量获得第一测量角度；进行ME刻蚀，其中根据第一测量角度调整ME刻蚀的工艺参数，并在ME刻蚀后进行OCD测量获得第二测量角度；进行SL刻蚀形成栅极，其中根据第二测量角度调整SL刻蚀的工艺参数，并在SL刻蚀后进行OCD测量获得第三测量角度；然后将上述每个测试步骤的工艺参数和测量角度反馈至下一栅极刻蚀。本发明在栅极刻蚀工艺的每个步骤之后进行OCD测量，并根据OCD测量的角度调整下一刻蚀步骤的工艺参数，提高了栅极刻蚀形貌的稳定性。

Description

改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法和刻蚀设备
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法和刻蚀设备。
背景技术
随着半导体制造技术的飞速发展以及线宽(Critical Dimension，CD)的不断缩小，半导体制造设备的性能要求日益提高，晶圆间的一致性和刻蚀的稳定性均有了更严格的评价标准。尤其是涉及到关键性的栅极刻蚀工艺时，栅极形貌的稳定性会直接影响晶圆接受测试(Wafer Acceptance Test，WAT)的稳定性。
现有的栅极刻蚀工艺中，OCD角度(Optical CD angle)的测量步骤通常在完成多晶硅栅极的所有刻蚀步骤之后进行，对刻蚀设备的稳定性和工艺窗口的要求很高。随着线宽的不断缩小，现有的栅极刻蚀工艺无法满足更高的工艺要求。以55nm的栅极刻蚀工艺为例，影响栅极形貌主要的刻蚀步骤为初刻蚀(Break Through，BT)、主刻蚀(Main Etch，ME)和软刻蚀(Soft Landing，SL)，若在所述刻蚀步骤全部结束后再进行OCD角度测量，则无法在刻蚀过程中控制栅极的形貌，导致栅极形貌的稳定性降低，无法满足工艺要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法和刻蚀设备，在栅极刻蚀工艺的每个步骤之后进行OCD测量，并根据OCD测量的角度调整下一刻蚀步骤的工艺参数，以提高栅极刻蚀形貌的稳定性。
为了达到上述目的，本发明提供了一种改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法和刻蚀设备，所述改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法包括：
提供衬底，在所述衬底上依次形成栅极材料层和硬掩模层；
进行BT刻蚀，以第一工艺参数刻蚀所述硬掩模层和所述栅极材料层，并在BT刻蚀后进行第一次OCD测量，获得第一测量角度；
进行ME刻蚀，根据所述第一测量角度调整ME刻蚀的工艺参数至第二工艺参数，继续刻蚀所述栅极材料层，在ME刻蚀后进行第二次OCD测量，获得第二测量角度；
进行SL刻蚀，根据所述第二测量角度调整SL刻蚀的工艺参数至第三工艺参数，继续刻蚀所述栅极材料层以形成栅极，在SL刻蚀后进行第三次OCD测量，获得第三测量角度；
将所述第一测量角度、所述第二测量角度、所述第三测量角度、第一工艺参数、第二工艺参数及第三工艺参数反馈至下一栅极刻蚀。
可选的，所述OCD测量步骤包括：测量刻蚀深度以及刻蚀角度，所述刻蚀角度为被刻蚀的侧壁或刻蚀形成的侧壁与水平面的夹角。
可选的，所述工艺参数反馈步骤包括：根据刻蚀角度调整刻蚀工艺参数的过程包括：将所述刻蚀深度和所述刻蚀角度与设定的目标深度和目标角度进行对比，计算并反馈后续刻蚀步骤或下一次栅极刻蚀工艺中需要调整的工艺参数。
可选的，所述工艺参数包括氧气流量、工艺温度或工艺压力的一种或几种。
可选的，所述氧气流量的设定值计算公式为：
Figure BDA0002701577980000021
Figure BDA0002701577980000022
其中，Xm+1为下一个刻蚀步骤中需要的氧气流量；a为氧气流量变化对刻蚀角度的影响因子；A0为刻蚀角度的目标值，所述目标值由设计需求确定；Am为第m个刻蚀步骤中OCD测量结果中刻蚀角度；
Figure BDA0002701577980000023
为前m个刻蚀步骤中OCD测量结果中刻蚀角度的加权平均值，m为整数且m≥2；b为加权平均系数。
可选的，所述影响因子a的计算公式为：
Figure BDA0002701577980000024
其中，ΔX为氧气流量的变化值；ΔA为刻蚀角度的变化值。
可选的，所述加权平均系数b的取值为0.5。
可选的，计算若干次所述栅极刻蚀工艺完成后反馈的所述工艺参数的加权平均值，并将所述栅极工艺参数的加权平均值反馈至下一次所述刻蚀工艺。
可选的，所述BT刻蚀、所述ME刻蚀和所述SL刻蚀均采用干法刻蚀。
可选的，所述衬底和所述栅极材料层之间还形成有氧化层。
相应的，本发明还提供一种刻蚀设备，用于栅极刻蚀工艺，所述刻蚀设备包括刻蚀工艺腔和设置在所述刻蚀工艺腔一侧的OCD量测模块，所述OCD量测模块与所述刻蚀工艺腔连通且所述OCD量测模块与所述刻蚀工艺腔之间设置有隔离阀。
可选的，进行OCD测量步骤时，打开所述隔离阀，所述OCD量测模块中的机械手将所述刻蚀工艺腔中的晶圆转移至OCD量测模块，以进行OCD测量；OCD测量步骤完成后，所述机械手将所述晶圆送回所述刻蚀工艺腔，并关闭所述隔离阀。
可选的，所述工艺参数反馈步骤通过APC反馈系统和PFT设备计算并调整所述刻蚀设备需要调整的工艺参数及需要调整的量。
综上所述，本发明提供一种改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法和刻蚀设备。所述改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法包括：提供衬底，在衬底上依次形成栅极材料层和硬掩模层；以第一工艺参数进行BT刻蚀，并进行OCD测量获得第一测量角度；进行ME刻蚀，其中根据第一测量角度调整ME刻蚀的工艺参数，并在ME刻蚀后进行OCD测量获得第二测量角度；进行SL刻蚀形成栅极，其中根据第二测量角度调整SL刻蚀的工艺参数，并在SL刻蚀后进行OCD测量获得第三测量角度；然后将上述每个测试步骤的工艺参数和测量角度反馈至下一栅极刻蚀。本发明提供的所述改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法在栅极刻蚀工艺的每个步骤之后进行OCD测量，并根据OCD测量的角度调整下一刻蚀步骤的工艺参数，以提高栅极刻蚀形貌的稳定性，满足严苛的工艺需求。进一步，本发明提供的刻蚀设备，通过在刻蚀工艺腔一侧设置OCD量测模块，满足栅极刻蚀工艺过程中OCD测量的需求，进而实现在栅极刻蚀过程中不断监控栅极的刻蚀形貌，进一步保证了栅极刻蚀形貌的稳定性。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法的流程图；
图2-图5为本发明一实施例提供的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法中各个步骤对应的结构示意图；
图6-图8为本实施例中所述改善栅极形貌稳定性的方法的效果示意图；
图9为本发明一实施例提供的刻蚀设备的结构示意图；
其中，附图标记如下：
100-衬底；200-氧化层；300-栅极材料层；301-栅极；400-硬掩模层；
1-刻蚀设备；11-刻蚀工艺腔；111-隔离阀；12-OCD量测模块；13-真空传输模块。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图1为本发明一实施例提供的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法的流程图。参阅图1，本实施例提供的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法包括：
步骤S01：提供衬底，在所述衬底上依次形成栅极材料层和硬掩模层；
步骤S02：进行BT刻蚀，以第一工艺参数刻蚀所述硬掩模层和所述栅极材料层，并在BT刻蚀后进行第一次OCD测量，获得第一测量角度；
步骤S03：进行ME刻蚀，根据所述第一测量角度调整ME刻蚀的工艺参数至第二工艺参数，继续刻蚀所述栅极材料层，在ME刻蚀后进行第二次OCD测量，获得第二测量角度；
步骤S04：进行SL刻蚀，根据所述第二测量角度调整SL刻蚀的工艺参数至第三工艺参数，继续刻蚀所述栅极材料层以形成栅极，在SL刻蚀后进行第三次OCD测量，获得第三测量角度；
步骤S05：将所述第一测量角度、所述第二测量角度、所述第三测量角度、第一工艺参数、第二工艺参数及第三工艺参数反馈至下一栅极刻蚀。
图2-图5为本发明一实施例提供改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法中各个步骤对应的结构示意图，下面结合图1及图2-图5详细介绍本实施例提供的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法。
首先，参阅图2，执行步骤S01，提供衬底100，在所述衬底100上依次形成栅极材料层300和硬掩模层400。本实施例中，所述衬底100和所述栅极材料层300之间还形成有氧化层200。
接着，参阅图3，执行步骤S02，进行BT刻蚀，以第一工艺参数刻蚀所述硬掩模层400和所述栅极材料层300，并在BT刻蚀后进行第一次OCD测量，获得第一测量角度A1。具体的，所述OCD测量的过程包括：测量BT刻蚀过程的BT刻蚀深度D1(即图3中D1所表示的深度)以及第一测量角度A1(即图3中A1所表示的角度)，所述第一测量角度A1为被刻蚀的侧壁或刻蚀形成的侧壁与水平面的夹角(参阅图3)。在本发明的其他实施例中，所述OCD测量过程中的测量参数可以根据实际需要进行调整，本发明对此不作限制。
参阅图4，执行步骤S03，进行ME刻蚀，根据所述第一测量角度A1调整ME刻蚀的工艺参数至第二工艺参数，继续刻蚀所述栅极材料层300，在ME刻蚀后进行第二次OCD测量，获得第二测量角度A2。具体的，计算所述第一测量角度A1与目标刻蚀角度A0的角度差值以及BT刻蚀深度D1和目标刻蚀深度D0的深度差值，根据所述角度差值和深度差值计算第二工艺参数，并反馈计算结果，调整下一刻蚀步骤(即ME刻蚀)的工艺参数。完成ME刻蚀后，进行第二次OCD测量得到ME刻蚀深度D2(即图4中D2所表示的深度)以及第二测量角度A2(即图4中A2所表示的角度)。
参阅图5，执行步骤S04，进行SL刻蚀，根据所述第二测量角度A2调整SL刻蚀的工艺参数至第三工艺参数，继续刻蚀所述栅极材料层300以形成栅极301，在SL刻蚀后进行第三次OCD测量，获得第三测量角度A3。具体的，计算所述第二测量角度A2与所述目标刻蚀角度A0的角度差值以及ME刻蚀深度D2和所述目标刻蚀深度D0的深度差值，根据所述角度差值和深度差值计算下一刻蚀步骤需要调整的工艺参数以及需要调整的量，并反馈计算结果，调整下一刻蚀步骤(即SL刻蚀)的工艺参数。完成SL刻蚀后，进行第三次OCD测量得到SL刻蚀深度D3(即图5中D3所表示的深度)以及第三测量角度A3(即图5中A3所表示的角度)。
执行步骤S05，将所述第一测量角度A1、所述第二测量角度A2、所述第三测量角度A3、第一工艺参数、第二工艺参数及第三工艺参数反馈至下一栅极刻蚀。可选的，所述工艺参数包括氧气流量、工艺温度和工艺压力的一种或几种。需要说明的是，通常情况下刻蚀工艺中每个刻蚀步骤对应的工艺参数(即BT刻蚀中的所述第一工艺参数、ME刻蚀中的所述第二工艺参数和所述SL刻蚀中的所述第三工艺参数)可以表示不同刻蚀步骤中的一个或几个具体的工艺参数(例如氧气流量、工艺温度和工艺压力)的数值，也可以表示不同刻蚀步骤对应的所有工艺参数及其具体的数值。本实施例中，所述BT刻蚀、所述ME刻蚀和所述SL刻蚀均采用干法刻蚀，所述干法刻蚀的过程中需要氧气进行催化，因此。本实施例中调整的工艺参数为氧气流量。具体的，下一次栅极刻蚀工艺(或下一个刻蚀步骤)中，氧气流量的设定值可以根据以下公式进行计算：
Figure BDA0002701577980000061
Figure BDA0002701577980000062
其中，Xm+1为下一次栅极刻蚀工艺(或下一个刻蚀步骤)中需要的氧气流量；a为氧气流量变化对刻蚀角度的影响因子；A0为刻蚀角度的目标值(即所述步骤S02-S04中的目标角度A0)，所述目标值由设计需求确定；Am为第m次栅极刻蚀工艺(或第m个刻蚀步骤)中OCD测量结果中刻蚀角度(即所述步骤S02-S04中的测量得到的刻蚀角度A1、A2和A3)；
Figure BDA0002701577980000063
为前m次栅极刻蚀工艺(或前m个刻蚀步骤)中OCD测量结果中刻蚀角度的加权平均值，m为整数且m≥2；b为加权平均系数，本实施例中，所述加权平均系数b为0.5。
可选的，所述影响因子a可以通过对不同的半导体器件进行多次实验后计算出来，所述影响因子a的计算公式为：
Figure BDA0002701577980000064
其中，ΔX为氧气流量的变化值；ΔA为刻蚀角度的变化值。
需要说明的是，所述刻蚀深度或其他测量参数也会对工艺参数的计算产生影响，由于具体的计算方法设定在先进制程控制程序(Advanced Process Control，APC)中，且不是本发明的重点，因此不作详细介绍。
图6-图8为本实施例所述的改善栅极形貌稳定性的方法的效果示意图。其中，图6为现有技术中栅极刻蚀工艺形成的栅极形貌示意图；图7为在BT刻蚀后增加OCD测量和工艺参数反馈步骤后最终形成的栅极形貌示意图；图8为在BT刻蚀和ME刻蚀步骤后均增加OCD测量和工艺参数反馈步骤后最终形成的栅极形貌示意图。对比图6-图8可知，图6所示的栅极结构有较明显的弯曲现象，图7与图8所示的栅极结构中弯曲现象有明显的改善，且图8的栅极结构形貌中几乎没有弯曲现象。本实施例提供的改善形貌稳定性的方法能较好的控制刻蚀工艺后半导体结果的形貌，提高刻蚀形貌的稳定性。
此外，本发明提供的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法还可以用于其他半导体结构的刻蚀工艺中，在任意两个刻蚀步骤之间增加OCD测量步骤和工艺参数反馈步骤，实时监控并调整所述刻蚀工艺的形成的半导体结构的形貌，以改善半导体结构刻蚀形貌的稳定性。
相应的，本实施例还提供一种刻蚀设备，采用所述改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法进行刻蚀。参阅图9，所述刻蚀设备1包括刻蚀工艺腔11和设置在所述刻蚀工艺腔一侧的OCD量测模块12，所述OCD量测模块12与所述刻蚀工艺腔11连通且所述OCD量测模块12与所述刻蚀工艺腔11之间设置有隔离阀111。所述刻蚀设备还包括真空传输模块13。
在所述刻蚀设备1中进行OCD测量时，首先打开所述隔离阀111，所述OCD量测模块12中的机械手(图中未示出)将所述刻蚀工艺腔11中的晶圆(图中未示出)转移至OCD量测模块12，以进行OCD测量；OCD测量完成后，所述机械手将所述晶圆送回所述刻蚀工艺腔11，并关闭所述隔离阀111。此外，所述工艺参数反馈步骤通过APC反馈系统和工艺参数自动调节设备(Process Fine Tune，PFT)计算并调整所述刻蚀设备1需要调整的工艺参数及需要调整的量，以改善刻蚀形貌的稳定性和晶圆间的一致性。
综上，本发明提供一种改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法和刻蚀设备。所述改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法包括：提供衬底，在衬底上依次形成栅极材料层和硬掩模层；以第一工艺参数进行BT刻蚀，并进行OCD测量获得第一测量角度；进行ME刻蚀，其中根据第一测量角度调整ME刻蚀的工艺参数，并在ME刻蚀后进行OCD测量获得第二测量角度；进行SL刻蚀形成栅极，其中根据第二测量角度调整SL刻蚀的工艺参数，并在SL刻蚀后进行OCD测量获得第三测量角度；然后将上述每个测试步骤的工艺参数和测量角度反馈至下一栅极刻蚀。本发明提供的所述改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法在栅极刻蚀工艺的每个步骤之后进行OCD测量，并根据OCD测量的角度调整下一刻蚀步骤的工艺参数，以提高栅极刻蚀形貌的稳定性，满足严苛的工艺需求。进一步，本发明提供的刻蚀设备，通过在刻蚀工艺腔一侧设置OCD量测模块，满足栅极刻蚀工艺过程中OCD测量的需求，进而实现在栅极刻蚀过程中不断监控栅极的刻蚀形貌，进一步保证了栅极刻蚀形貌的稳定性。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法，其特征在于，包括：
提供衬底，在所述衬底上依次形成栅极材料层和硬掩模层；
进行初刻蚀，以第一工艺参数刻蚀所述硬掩模层和所述栅极材料层，并在初刻蚀后进行第一次光学线宽测量，获得第一测量角度；
进行主刻蚀，根据所述第一测量角度调整主刻蚀的工艺参数至第二工艺参数，继续刻蚀所述栅极材料层，在主刻蚀后进行第二次光学线宽测量，获得第二测量角度；
进行软刻蚀，根据所述第二测量角度调整软刻蚀的工艺参数至第三工艺参数，继续刻蚀所述栅极材料层以形成栅极，在软刻蚀后进行第三次光学线宽测量，获得第三测量角度；
将所述第一测量角度、所述第二测量角度、所述第三测量角度、第一工艺参数、第二工艺参数及第三工艺参数反馈至下一栅极刻蚀。
2.如权利要求1所述的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法，其特征在于，所述光学线宽测量步骤包括：测量刻蚀深度以及刻蚀角度，所述刻蚀角度为被刻蚀的侧壁或刻蚀形成的侧壁的内侧与水平面的夹角。
3.如权利要求2所述的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法，其特征在于，根据刻蚀角度调整刻蚀工艺参数的过程包括：将所述刻蚀深度和所述刻蚀角度与设定的目标深度和目标角度进行对比，计算并反馈后续刻蚀步骤或下一次栅极刻蚀工艺中需要调整的工艺参数。
4.如权利要求2所述的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法，其特征在于，所述工艺参数包括氧气流量、工艺温度或工艺压力的一种或几种。
5.如权利要求4所述的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法，其特征在于，所述氧气流量的设定值计算公式为：
Figure 614987DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure 673072DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 265859DEST_PATH_IMAGE006
为下一个刻蚀步骤中需要的氧气流量；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为氧气流量变化对刻蚀角度的影 响因子；A0为刻蚀角度的目标值，所述目标值由设计需求确定；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为第m个刻蚀步骤中光学 线宽测量结果中的刻蚀角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为前m个刻蚀步骤中光学线宽测量结果中刻蚀角度的加 权平均值，m为整数且m≥2；b为加权平均系数。
6.如权利要求5所述的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法，其特征在于，所述影响因子
Figure DEST_PATH_IMAGE013
的计算公式为：
Figure 756008DEST_PATH_IMAGE015
；
其中，
Figure 632698DEST_PATH_IMAGE017
为氧气流量的变化值；
Figure 64947DEST_PATH_IMAGE019
为刻蚀角度的变化值。
7.如权利要求5所述的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法，其特征在于，所述加权平均系数b的取值为0.5。
8.如权利要求1所述的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法，其特征在于，计算若干次所述栅极刻蚀工艺完成后反馈的所述工艺参数的加权平均值，并将所述栅极工艺参数的加权平均值反馈至下一次所述刻蚀工艺。
9.如权利要求1所述的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法，其特征在于，所述初刻蚀、所述主刻蚀和所述软刻蚀均采用干法刻蚀。
10.如权利要求1所述的改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法，其特征在于，所述衬底和所述栅极材料层之间还形成有氧化层。
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