CN1882883B - 用于表征光刻技术对晶片的影响的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在制造半导体的过程中，通常需要表征线宽和线宽形状对成品率的影响。在一个实例实施例中，存在一种用于横跨衬底随机化曝光条件的方法(200)。该方法包括产生一随机数列表(210)。将随机数映射给曝光域(220)，形成随机数和相应曝光域的列表。根据随机数对该随机数和相应曝光域的列表分类(230)。为根据随机数分类的列表内的每个曝光域分配曝光剂量(240)。根据曝光域对列表分类(250)。

Description

用于表征光刻技术对晶片的影响的系统和方法
本发明涉及半导体工艺。更具体的，本发明涉及确定在寻求改善光刻工艺性能的过程中的工艺改变的影响。
电子工业仍旧依赖于半导体工艺的发展以在更紧密的区域内实现更高功能的器件。对于许多应用来说，实现更高功能的器件需要将大量电子器件集成到单个硅晶片内。随着硅晶片的每给定面积的电子器件数目的增加，制造工艺变得更难。
已经按多种要求制造出具有多种应用的很多种半导体器件。这种硅基半导体器件通常包括例如p-沟道MOS(PMOS)、n-沟道MOS(NMOS)和互补MOS(CMOS)晶体管的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，双极晶体管，BiCMOS晶体管。上述MOSFET器件在导电栅极和类硅(silicon-like)衬底之间包括绝缘材料；因此，这些器件通常被称为IGFET(绝缘栅FET)。
这些半导体器件的每一个通常包括在其上形成多个有源器件的半导体衬底。给定有源器件的特定结构可在器件类型之间改变。例如，在MOS晶体管内，有源器件通常包括源区和漏区以及调节源区和漏区之间的电流的栅电极。
在制造上述器件的过程中一个重要的步骤是使用光刻和刻蚀工艺形成器件或器件的部分。在光刻中，晶片衬底被涂上称为光致抗蚀剂的光敏材料。接着，晶片被曝光；照在晶片上的光穿过掩模板。该掩模板限定所希望的将要印制在衬底上的特征。曝光之后，显影涂有抗蚀剂的晶片衬底。被限定在掩模上的所希望的特征保留在涂有光致抗蚀剂的衬底上。未曝光区域的抗蚀剂用显影剂洗掉。具有限定的所希望的特征的晶片经受刻蚀。依赖于生产过程，刻蚀可以是其中使用液体化学品去除晶片材料的湿法腐蚀或者是其中晶片材料经受射频(RF)感应等离子体的干法刻蚀。
通常所希望的特征具有特定区域，在该特定区域中最后被印制并被刻蚀的区域必须随时间被精确再现。这些被称为关键尺寸(CD)。当器件几何尺寸接近亚微米范围时，晶片制造变得更依赖于在正常工艺变化范围内保持一致的CD。在光掩模上被设计并被复制的有源器件尺寸和在晶片衬底上实际呈现的那些必须是可重复的和可控制的。在许多情况下，工艺试图保持最后CD等于掩蔽CD。然而，工艺中的不足或技术的改变(其可在给定制造工艺中实现，如果该工艺是“被调节的”)通常会不可避免地呈现偏离掩蔽CD的最后CD。
为改善印制质量，通常需要表征线宽和线宽形状对成品率的影响。一般，在多个条件下在一个或多个关键层处曝光晶片，其后为成品率探测这些晶片。例如，通常通过在不同剂量下曝光晶片以产生多个线尺寸来量化栅极宽度对成品率的影响。一般，在不同曝光或者焦距值下曝光每个晶片。由于硅和加工成本是昂贵的，因此希望在晶片上得到相同的信息；即，使用一系列剂量或焦距曝光晶片。
Ausschnitt等人的U.S.专利5,757,507通常涉及需要光刻技术的制造工艺，更具体的涉及监控在用于微电子制造中使用的光刻技术和刻蚀工艺过程中的偏离和重叠误差，这对更多具有在小于0.5μm数量级的尺寸的监控图案特征方面是尤其有用的。
Leroux等人的U.S.专利5,962,173通常涉及制造集成电路的领域，更具体的涉及在制造这些具有极其窄的线元件例如栅极线的电路的过程中保持精确度。
Leroux等人的U.S.专利5,902,703通常涉及制造集成电路的领域，更具体的涉及在制造这些具有相对窄的线元件例如栅极线的电路的过程中保持精确度。该发明的目的还在于检验步进器镜头制造质量。
Ziger等人的U.S.专利5,976,741通常涉及确定制造集成电路领域内的照明曝光剂量和其它工艺参数的方法。更具体的，该发明涉及在分步重复系统(step and repeat system)内加工半导体晶片的方法。
Ziger等人的U.S.专利6,301,008 B1涉及半导体器件及其制造，更具体的，涉及用于研制相对窄线宽的元件例如栅极线同时在其制造过程中保持精确度的装置和工艺。
Bowes的U.S.专利申请US 2002/0182516 A1通常涉及半导体制造工艺的度量衡。更具体的，该发明是用于在加工半导体晶片的过程中相对于半导体晶片同时对器件特征进行关键尺寸(CD)测量和对掩模重叠进行对准测量的针梳刻线(needle comb reticle)图案。在此引入该参考文献和前面提到的那些参考文献的全文作为参考。
在一个实例工艺中，通过将一系列曝光剂量(或焦距)对晶片衬底上的不同列或行的管芯曝光来得到数据。在该实例工艺中，管芯在多种曝光剂量下被印制。每列管芯可在特定曝光剂量下曝光。随着使用者步进穿过晶片，曝光剂量会增加。然而，存在多个挑战要解决。第一，不相关的横跨晶片的成品率损失会与已曝光阵列混淆。第二，更难以捉摸的挑战一般是曝光域包括多个管芯(如位于用于晶片步进器的掩模内)。就包括很小的管芯的曝光域来说，曝光和分类图(sortmaps)之间的关系会容易偏移，这会导致关于成品率与关键线宽的关系的错误假设。分类图是横跨晶片衬底逐个管芯绘制的，该晶片衬底具有对已完成的具有有源器件的晶片进行了电测量(例如“晶片分类”)的有源器件。分类图是在晶片上测试的管芯的电测试结果，这些管芯可包括电测试图案和电路或者可以是具有终端用户用途的器件，例如存储器件、微处理器、微控制器、放大器、专用集成电路(ASIC)等。此外，上述器件可以是用多种晶片制造工艺制造的数字器件或模拟器件，例如CMOS、BiCMOS、Bipolar等。衬底可以是硅、砷化镓(GaAs)或其它适用于在其上制造微电子电路的衬底。
随着时间的过去，具有特定实例产品的给定晶片衬底将显示出在其制造过程中接收的加工晶片衬底的分类图特性。随着每一晶片的芯片数目的增加，分类图和步进器图之间的关系变得更难解。另外，步进器图会有意沿水平和垂直方向的任何一个方向或者两个方向偏移，这会进一步复杂化两图的关系。因而，需要一种方法来解决晶片级曝光表征的以下两个挑战，即混淆成品率和系统缺陷以及将曝光域和成品率图对准。
在实例实施例中，存在一种用于制造具有衬底的晶片的方法。该方法包括为对衬底的曝光域随机分配数字。使用该随机分配数字将曝光参数分配给各个曝光域。根据分配的曝光参数加工晶片。
在另一实例实施例中，存在一种用于横跨衬底随机化曝光条件的方法，该方法包括产生一随机数列表。将随机数映射给曝光域。随机数和相应曝光域的列表形成并根据随机数被分类。将曝光剂量分配给根据随机数分类的列表内的每个曝光域并根据曝光域对列表分类。该实施例的特征在于曝光域可在分配的曝光剂量下被印制。
在另一实例实施例中，存在一种用于表征光刻技术对晶片的影响的方法。该方法包括确定将要研究的影响和确定将要印制的多个曝光域。选择至少一个参考管芯位置。执行随机化程序。参考管芯在曝光下被印制以使该参考管芯变明显。每个曝光域在分配的曝光剂量下被印制。对晶片进行电测量并且将电测量与线宽联系起来。
在另一实例实施例中，一种系统表征光刻技术对晶片的影响。该系统包括用于产生一随机数列表的装置、用于将随机数映射给曝光域、形成随机数和相应曝光域的列表的装置。存在用于根据随机数对随机数和曝光域的列表分类的装置以及用于根据曝光域对列表分类的装置。对列分类之后，存在用于在分配的剂量下印制曝光域的装置。该实施例的特征进一步包括用于选择至少一个参考管芯位置的装置和用于在曝光下印制参考管芯以使该参考管芯变明显的装置。
本发明的上述概述并不旨在代表本发明的每个公开的实施例或每个方面。在以下的图中和详细描述中将提供其它特征和实例实施例。
结合附图考虑以下本发明的多个实施例的详细描述会对本发明更完整地理解，其中：
图1概述了涉及根据本发明的实施例的印制曝光剂量的步骤；
图2A说明了根据本发明的实施例的曝光衬底的实例线宽图以表征多晶硅栅宽对成品率的影响。
图2B在根据本发明的实例工艺中，描述了多晶硅CD的电测量与联机(inline)扫描电子显微镜(SEM)CD测量之间的关系；
图2C为实例工艺，描述了作为多晶硅线宽的函数的阈值电压(Vt)衰减(roll off)曲线；
图2D为实例工艺，示出对于五种不同多晶硅光刻工艺的作为线宽的函数的相对成品率；以及
图3概述了根据本发明的实施例的涉及在如图2A-2D所描述的实例工艺中得到数据的步骤。
已经发现本发明在解决用户在进行晶片级曝光表征的过程中会遇到的两个挑战方面是有用的，这两个挑战即混淆成品率和系统缺陷，其中用户不能分辨和关联特定系统的逐晶片的成品率变化以及将曝光域和成品率图的对准，其中用户可将特定曝光域与成品率联系起来。成品率应是成功通过电测试的产品或测试管芯的数目。通常成品率可以表示为好管芯对测试管芯数目的百分比。
为将混淆成品率和系统的横跨晶片的缺陷的可能性减到最小，根据本发明的实施例的方法是横跨晶片随机化曝光条件。参考图1。一个实例方法是产生一随机数列表210。将随机数分配给每个曝光域220。根据随机数对曝光域/随机数的列表分类230。将曝光剂量分配给该根据随机数分类的列表240。根据曝光域对该列表再次分类250。每个曝光域在分配的剂量下被印制260。
在根据本发明的另一实例实施例中，21个步进器曝光(shot)的组具有分配给每个曝光的随机数。随机数可以用多个众所周知的方法产生。它们可通过使用随机数表手动产生或者在包括计算机或计算设备的数据处理系统中产生。可利用软件程序来产生需要的随机数列表。这种程序可存在于独立计算机上或者通过客户/服务器计算机的网络。参考用于21个曝光域的情况的表1。根据随机数对表1列表分类。
参考表2。参考表2。所希望的是具有相同曝光条件(例如相同剂量、焦点等)的三次复制的七种级别的曝光剂量。将该七种曝光剂量分配给3个组内的21个曝光。
接着，根据步进器曝光对表2的列表分类以提供根据剂量分配所随机化的曝光。参考表3。当然，如果这些域系统地不同，那么它们会被从随机化列表中除去。例如，一些域只是部分地位于晶片上并且由于焦点影响因此会与内部域不同而系统地产生。
表1
分配给步进器曝光号的随机数
  随机#   曝光号
  10.94668156   1
  39.92199435   2
  28.49234129   3
  39.97451674   4
  47.11274191   5
  80.0428629   6
  95.03925704   7
  6.037389413   8
  15.3710325   9
  14.3341212   10
  82.40351336   11
  1.676129805   12
  36.07767456   13
  44.41655076   14
  96.53699358   15
  10.86162017   16
  59.76862135   17
  8.762993949   18
  22.08926137   19
  82.49627786   20
  17.07756739   21
表2
根据随机数的分类及附属的剂量
  随机#   曝光号   剂量
  1.676129805   12   剂量1
  6.037389413   8   剂量1
  8.762993949   18   剂量1
  10.86162017   16   剂量2
  10.94668156   1   剂量2
  14.3341212   10   剂量2
  15.3710325   9   剂量3
  17.07756739   21   剂量3
  22.08926137   19   剂量3
  28.49234129   3   剂量4
  36.07767456   13   剂量4
  39.92199435   2   剂量4
  39.97451674   4   剂量5
  44.41655076   14   剂量5
  47.11274191   5   剂量5
  59.76862135   17   剂量6
  80.0428629   6   剂量6
  82.40351336   11   剂量6
  82.49627786   20   剂量7
  95.03925704   7   剂量7
  96.53699358   15   剂量7
表3
根据曝光号的随机化结果
  随机#   曝光号  剂量
  10.94668156   1  剂量2
  39.92199435   2  剂量4
  28.49234129   3  剂量4
  39.97451674   4  剂量5
  47.11274191   5  剂量5
  80.0428629   6  剂量6
  95.03925704   7  剂量7
  6.037389413   8  剂量1
  15.3710325   9  剂量3
  14.3341212   10  剂量2
  82.40351336   11  剂量6
  1.676129805   12  剂量1
  36.07767456   13  剂量4
  44.41655076   14  剂量5
  96.53699358   15  剂量7
  10.86162017   16  剂量2
  59.76862135   17  剂量6
  8.762993949   18  剂量1
  22.08926137   19  剂量3
  82.49627786   20  剂量7
  17.07756739   21  剂量3
在根据本发明的另一实施例中，将步进器图与晶片分类或参数测试(p测试)图对准的挑战可通过有意提供一与其它很不相同的偏离中心的步进器域来解决，采用这种方式晶片分类图或p测试图会由此清晰地确定相关性。参数测试可包括在器件制造过程中在多个阶段的器件的典型元件的测试。这些测试可包括晶体管、电阻器、二极管、接触和转接链路(contact and via chains)等，但不限于此。简单电路，例如环形振荡器、存储模块等可用晶体管和其它典型元件制造。
例如，在潜在地关键多晶硅层处，一个域可被严重曝光过度从而引起该域内的所有管芯显示出异常的漏电流。另一可能性应是不曝光一个域将导致严重问题的一个域。例如，在金属化步骤处，所述域内的所有管芯由于短路应是无功能的。在分类之后，将显示出异常失效的芯片分配给基于步进器图的步进器域。只要参考标记管芯偏离中心，那么就可确定对方位差别的修正。参考图2A。晶片图300示出旨在表征线宽对成品率的影响的横跨晶片测试的线宽的实例。注意参考管芯310比下一个最小线宽小大约0.10μm，尺寸为约0.279μm。
在根据本发明的实施例的实例工艺中，所希望的是依赖于在多晶硅栅极层处的用于0.35μm双多层(poly layer)非易失性存储器工艺的5种不同抗蚀剂涂敷程序的参数和成品率来表征线宽。为在25片200mm晶片的一批内完成上述内容，用每个抗蚀剂工艺涂敷五个晶片，其后用7种曝光剂量的相同随机化图案曝光每个晶片。一个曝光域被故意曝光过度以便用作标记以将联机测试与参数和成品率数据联系起来。注意在没有该工艺的情况下，将单个小管芯与步进器域位置明确地联系起来是重要的。参考管芯310显示出很强的漏电流，这可明确地允许将分类图与横跨该晶片的线宽联系起来。在多晶硅层处测量所有晶片上的所有部位处的线宽。
图2B示出电测量和联机SEM测量之间的关系。图320是描述SEM多CD测量对这种SEM测量如何电学表现的偏移的曲线325。零偏移意味着物理多CD测量与电多CD测量完全关联。
与多晶硅CD相关的另一参数是阈值电压衰减。参考图2C。图330描述了多晶硅CD与阈值电压衰减的关系曲线335。
由于每个曝光域包括多个芯片(在该情况下为20)，因此使用该技术的成品率分析是一个挑战。严重曝光过度的域引起该域内期望的所有管芯的漏泄损耗。这允许联机线宽和成品率图完全相互关联。因此，晶片内的每个芯片可接着与曝光域和联机多CD测量明确相关。成品率作为平均线宽的函数可由在每种剂量下好芯片对曝光芯片的比率计算出。图2D示出用于5种不同多涂敷工艺的作为线宽的函数的相对成品率。图340描述了成品百分比与多CD的关系曲线345。五种实例抗蚀剂工艺350被绘制。注意每条曲线345的每个数据点是700～1000个管芯的平均数。应当强调的是图2B-2D所示的数据是由仅仅25个晶片得到的以及线宽对5种独特的抗蚀剂工艺的参数性能和成品率的依赖关系在该一批内被完全表征。
在根据本发明特征的其它工艺中，可应用使用随机化曝光条件表征多个级别的对准的影响。例如，可在联合实验中对多晶硅和金属化进行研究。这些表征可说明用于进行和分析横跨单个晶片的光刻实验的基于统计学的框架。
参考图3。在根据本发明的实例实施例中，用户可随后进行工艺400以制造特征化晶片，如图2A的实例所示。用户按照他或她的经验在给定晶片制造工艺中会遇到在复杂的现代亚微米工艺中在特定步骤的晶片损失和伴随的成本增加。如前面所提到的，在实例CMOS工艺的多晶硅层中，工艺在印制特征的区域内会经受挑战。用户确定将要研究的影响410。将要印制的管芯部位的数目必须被确定420。通常，将要印制的部位的数目已经由已处于线内的生产管芯限定。为了能够将线宽和电测试联系起来，选择一个或多个参考管芯位置430。执行随机化程序440。例如，用户可随后进行图1所概述的随机化程序205。执行完随机化程序440，用户可选择在曝光下印制(多个)参考管芯以使它们变明显450(即通过电测试是可检测的)。在印制(多个)参考管芯之后，每个曝光域在分配的剂量下被印制460。例如，如关于图2A所讨论的多晶硅漏泄与漏电流强烈相关。通常在偏离中心的位置印制一个或多个参考管芯。这些参考管芯可被印制在晶片的四个象限内。特定的成品率限制问题(yield limiting issue)和工艺通常会指导用户关于参考管芯的适当的数目和位置。
这种使用单个晶片解决一次表征一个晶片的挑战的方法在于它对逐晶片的影响不敏感。例如，如果无关的缺陷问题影响了在特定剂量下曝光的单个晶片，那么成品率损失会被错误地归因于印制在该特定晶片上的线宽。同样，通过随机化，减小了横跨晶片的系统性影响对成品率的影响。最后，该方法比标准的一次表征一个晶片的方法使用的晶片少。
本发明可被并入作为晶片步进设备的附加特征。多个厂商，例如CANON，ASML和NIKON制造这种设备。这种设备通常是计算机控制的并且用户可编制用于生产、测试和表征的复杂程序。
在根据本发明的实例实施例中，晶片步进器可具有程序以在给定工艺期间表征晶片衬底。例如，可在计算机内编制特定程序从而控制步进器。表征程序可存在于程序存储器，光、磁存储内，或可存在于作为内部内联网或互联网的一部分的客户/服务器配置内。作为联机监控系统的一部分，可设计用于测试的25的组之中的样品衬底。用户进入计算机内以控制他或她想要研究的晶片步进器影响。计算机产生一将要印制的用于给定掩模和晶片组合的管芯部位的列表。计算机选择参考管芯位置。计算机执行随机化程序。完成选择管芯位置的随机化和选择参考管芯位置后，计算机命令晶片步进器在分配的曝光参数下印制管芯。
虽然已经参考几个特定实例实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应认识到在不脱离本发明的精神和范围的情况下可在本发明内进行在下面的权利要求中列出的多种变化。

Claims (15)

1.一种用于制造具有衬底的晶片的方法(200)，包括：为衬底的曝光域随机分配数字(210，220)；使用随机分配数字(230，240)为各个曝光域中的每一个分配多个级别的曝光参数之一(250)；根据分配的曝光参数加工晶片(260)；选择至少一个参考管芯位置；和在曝光下印制参考管芯以使该参考管芯变明显。
2.如权利要求1的方法，其中分配的曝光参数包括以下的至少一种：光学邻近校正(OPC)，特征尺寸，曝光剂量。
3.一种用于横跨衬底随机化曝光条件的方法(200)，包括：产生一随机数列表(210)；将随机数映射给曝光域(220)，形成随机数和相应曝光域的列表；根据随机数对该随机数和曝光域的列表分类(230)；将多个级别的曝光剂量之一分配给根据随机数分类的列表内的每个曝光域(240)；根据曝光域对列表分类(250)；选择至少一个参考管芯位置；和在曝光下印制参考管芯以使该参考管芯变明显。
4.如权利要求3的方法，进一步包括：在分配的曝光剂量下印制曝光域(260)。
5.一种用于表征光刻技术对晶片的影响的方法(410)，该方法包括：确定要研究的影响(410)；确定要印制的多个曝光域(420)；选择至少一个参考管芯位置(430)；为所述多个曝光域随机分配数字(210，220)；使用随机分配数字(230，240)为所述多个曝光域中的每一个分配多个级别的曝光参数之一(250)；在曝光下印制参考管芯以使该参考管芯变明显(450)；以及在分配的曝光剂量下印制每个曝光域(460)。
6.如权利要求5的方法，进一步包括，对晶片进行电测量；以及将电测量与线宽联系起来。
7.如权利要求5的方法，其中参考管芯位置是偏离中心的。
8.如权利要求5的方法，其中选择的参考管芯位置位于晶片上的四个象限内。
9.如权利要求5的方法，其中执行随机化程序包括，产生一随机数列表；将随机数映射给曝光域，形成随机数和相应曝光域的列表；根据随机数对该随机数和曝光域的列表分类；将曝光剂量分配给根据随机数分类的列表内的每个曝光域；以及根据曝光域对列表分类。
10.一种用于制造具有衬底的晶片的系统，包括：用于为衬底的曝光域随机分配数字的装置；用于使用随机分配数字来为各个曝光域中的每一个分配多个级别的曝光参数之一的装置；用于根据分配的曝光参数加工晶片的装置；用于选择至少一个参考管芯位置的装置；和用于在曝光下印制参考管芯以使该参考管芯变明显的装置。
11.一种用于表征光刻技术对晶片的影响的系统，包括：用于产生一随机数列表的装置；用于将随机数映射给曝光域，形成随机数和相应曝光域的列表的装置；用于根据随机数对该随机数和曝光域的列表分类的装置；用于将多个级别的曝光剂量之一分配给根据随机数分类的列内的每个曝光域的装置；用于根据曝光域对列表分类的装置；用于在分配的剂量下印制曝光域的装置；用于选择至少一个参考管芯位置的装置；和用于在曝光下印制参考管芯以使该参考管芯变明显的装置。
12.一种制造电子器件的方法，包括用预定剂量曝光光敏层的步骤，其中采用根据权利要求1的方法来确定预定剂量。
13.一种制造电子器件的方法，包括将光致抗蚀剂涂在衬底上(200)；用预定剂量曝光光致抗蚀剂，所述剂量采用一种方法预先确定，该方法包括为衬底的曝光域随机分配数字(210，220)；使用随机分配数字(230，240)为各个曝光域中的每一个分配多个级别的曝光参数之一(250)；根据分配的曝光参数曝光衬底上的光致抗蚀剂(260)；选择至少一个参考管芯位置；和在曝光下印制参考管芯以使该参考管芯变明显。
14.如权利要求13的方法，其中分配的曝光参数包括以下的至少一种：光学邻近校正(OPC)，特征尺寸，曝光剂量。
15.一种制造电子器件的方法，包括：将光致抗蚀剂涂在晶片上形成光敏层；用预定剂量曝光光致抗蚀剂，所述剂量采用一种方法预先确定，该方法包括表征光刻技术对晶片的光敏层的影响(410)，该表征包括：确定要研究的影响(410)；确定要印制的多个曝光域(420)；选择至少一个参考管芯位置(430)；为所述多个曝光域随机分配数字(210，220)；使用随机分配数字(230，240)为所述多个曝光域中的每一个分配多个级别的曝光参数之一(250)；在曝光下印制光敏层上的参考管芯以使该参考管芯变明显(450)；以及在分配的曝光剂量下印制光敏层上的每个曝光域(460)。
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