TWI809913B

TWI809913B - 臨界尺寸的測量方法

Info

Publication number: TWI809913B
Application number: TW111120672A
Authority: TW
Inventors: 林家仲
Original assignee: 南亞科技股份有限公司
Priority date: 2022-01-26
Filing date: 2022-06-02
Publication date: 2023-07-21
Also published as: TWI803337B; TW202331868A; TW202331409A

Abstract

本揭露提供一種臨界尺寸的測量方法。該臨界尺寸的測量方法包括：提供一基底；形成一光阻層在該基底上；監測從該光阻層所產生的一揮發性副產物以獲得該揮發性副產物的一第一數量；將該光阻層暴露在一輻射源；加熱該光阻層；監測從該光阻層所產生的該揮發性副產物以獲得該揮發性副產物的一第二數量；根據該揮發性副產物的該第一數量與該揮發性副產物的該第二數量之差取得該臨界尺寸。

Description

臨界尺寸的測量方法

本申請案主張美國第17/584,585及17/584,889號專利申請案之優先權(即最早優先權日為「2022年1月26日」)，其內容以全文引用之方式併入本文中。

本揭露關於一種臨界尺寸的測量方法。特別是有關於一種臨界尺寸的非破壞性測量方法。

半導體元件使用在不同的電子應用，例如個人電腦、手機、數位相機，或其他電子設備。半導體元件的尺寸逐漸地變小，以符合計算能力所逐漸增加的需求。然而，在尺寸變小的製程期間，增加不同的問題，且如此的問題在數量與複雜度上持續增加。因此，仍然持續著在達到改善品質、良率、效能與可靠度以及降低複雜度方面的挑戰。

上文之「先前技術」說明僅提供背景技術，並未承認上文之「先前技術」說明揭示本揭露之標的，不構成本揭露之先前技術，且上文之「先前技術」之任何說明均不應作為本案之任一部分。

本揭露之一實施例提供一種臨界尺寸的測量方法，包括提供一基底；形成一光阻層在該基底上；監測從該光阻層所產生的一揮發性副產物以獲得該揮發性副產物的一第一數量；將該光阻層暴露到一輻射源；監測從該光阻層所產生的該揮發性副產物以獲得該揮發性副產物的一第二數量；以及依據該揮發性副產物的該第一數量與該揮發性副產物的該第二數量之間的差而取得一臨界尺寸。

本揭露之另一實施例提供一種臨界尺寸的測量方法，包括提供一基底；形成一光阻層在該基底上；將該光阻層暴露在一輻射源；加熱該光阻層；從形成該光阻層在該基底上的一第一時間點連續監測從該光阻層所產生的一揮發性副產物到加熱該光阻層之後的一第二時間點，以獲得該揮發性副產物的一濃度曲線；以及依據該第一時間點與該第二時間點之間的該濃度曲線的積分而取得一臨界尺寸。

本揭露之另一實施例提供一種臨界尺寸的測量方法，包括提供一基底；形成一光阻層在該基底上，其中該光阻層包括一溶劑、一未活化的聚合物樹脂、一光酸產生劑以及感光劑產生劑；將該光阻劑暴露在一第一波長的一輻射源；將該光阻劑暴露在一第二波長的一輻射源，該第二波長不同於該第一波長；加熱該光阻層；從在形成該光阻層在該基底上之後的一第一時間點連續監測從該光阻層所產生的一揮發性副產物到在加熱該光阻層之後的一第二時間點，以獲得該揮發性副產物的一濃度曲線；以及依據在該第一時間點與該第二時間點之間的該濃度曲線的積分而取得一臨界尺寸。該感光劑產生劑對該第二波長敏感，而該光酸產生劑並不對該第二波長敏感。

由於本揭露該臨界尺寸的測量方法的設計，可測量實際圖案的臨界尺寸而沒有藉由監測從該光阻層所產生之該揮發性副產物的任何損傷。再者，無須用於計量(metrology)的虛擬標記(dummy mark)。可節省以前被用於計量的虛擬標記佔據的那些區域。因此，可為多個功能電路提供更多的實際空間，以使成本可以降低。

上文已相當廣泛地概述本揭露之技術特徵及優點，俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵及優點將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可相當容易地利用下文揭示之概念與特定實施例可作為修改或設計其它結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，這類等效建構無法脫離後附之申請專利範圍所界定之本揭露的精神和範圍。

1A:半導體元件

1B:半導體元件

10:測量方法

101:基底

103:下層

201:光阻層

203:作用區域

300:曝光製程

310:第一曝光製程

320:第二曝光製程

501:遮罩

PAP:光酸濃度分佈

PSP:感光劑濃度分佈

S11:步驟

S13:步驟

S15:步驟

S17:步驟

S19:步驟

S21:步驟

S23:步驟

Tg:玻璃轉化溫度

Z:方向

當與附圖一起閱讀時，從以下詳細描述中可以最好地理解本揭露的各方面。應當理解，根據業界的標準慣例，各種特徵並非按比例繪製。事實上，為了清楚討論，可以任意增加或減少各種特徵的尺寸。

圖1是流程示意圖，例示本揭露一實施例之半導體元件之臨界尺寸的測量方法。

圖2到圖5是剖視示意圖，例示本揭露一實施例之測量半導體元件之臨界尺寸的部分流程。

圖6是濃度分佈示意圖，例示本揭露一實施例之圖5中例示的光酸濃度分佈。

圖7是剖視示意圖，例示本揭露一實施例之測量半導體元件之臨界尺寸的部分流程。

圖8是濃度分佈示意圖，例示本揭露一實施例之圖7中例示的光酸濃度分佈。

圖9是曲線示意圖，例示本揭露一實施例從藉由一氣體分析器所測量之光阻層所產生的揮發性副產物的濃度曲線。

圖10是剖視示意圖，例示本揭露一實施例之測量半導體元件之臨界尺寸的部分流程。

圖11是剖視示意圖，例示本揭露另一實施例之測量半導體元件之臨界尺寸的部分流程。

圖12是濃度分佈示意圖，例示本揭露另一實施例在圖11中之一例示光酸濃度分佈以及一例示感光劑(photosensitizer)濃度分佈。

圖13是剖視示意圖，例示本揭露另一實施例之測量半導體元件之臨界尺寸的部分流程。

圖14是濃度分佈示意圖，例示本揭露另一實施例在圖13中之一例示光酸濃度分佈以及一例示感光劑濃度分佈。

圖15及圖16是剖視示意圖，例示本揭露另一實施例之測量半導體元件之臨界尺寸的部分流程。

以下描述了組件和配置的具體範例，以簡化本揭露之實施例。當然，這些實施例僅用以例示，並非意圖限制本揭露之範圍。舉例而言，在敘述中第一部件形成於第二部件之上，可能包含形成第一和第二部件直接接觸的實施例，也可能包含額外的部件形成於第一和第二部件之間，使得第一和第二部件不會直接接觸的實施例。另外，本揭露之實施例可能在許多範例中重複參照標號及/或字母。這些重複的目的是為了簡化和清楚，除非內文中特別說明，其本身並非代表各種實施例及/或所討論的配置之間有特定的關係。

此外，為易於說明，本文中可能使用例如「之下(beneath)」、「下面(below)」、「下部的(lower)」、「上方(above)」、「上部的(upper)」等空間相對關係用語來闡述圖中所示的一個元件或特徵與另一(其他)元件或特徵的關係。所述空間相對關係用語旨在除圖中所繪示的取向外亦囊括元件在使用或操作中的不同取向。所述裝置可具有其他取向(旋轉90度或處於其他取向)且本文中所用的空間相對關係描述語可同樣相應地進行解釋。

應當理解，當形成一個部件在另一個部件之上(on)、與另一個部件相連(connected to)、及/或與另一個部件耦合(coupled to)，其可能包含形成這些部件直接接觸的實施例，並且也可能包含形成額外的部件介於這些部件之間，使得這些部件不會直接接觸的實施例。

應當理解，儘管這裡可以使用術語第一，第二，第三等來描述各種元件、部件、區域、層或區段(sections)，但是這些元件、部件、區域、層或區段不受這些術語的限制。相反，這些術語僅用於將一個元件、組件、區域、層或區段與另一個區域、層或區段所區分開。因此，在不脫離本發明進步性構思的教導的情況下，下列所討論的第一元件、組件、區域、層或區段可以被稱為第二元件、組件、區域、層或區段。

除非內容中另有所指，否則當代表定向(orientation)、布局(layout)、位置(location)、形狀(shapes)、尺寸(sizes)、數量(amounts)，或其他量測(measures)時，則如在本文中所使用的例如「同樣的(same)」、「相等的(equal)」、「平坦的(planar)」，或是「共面的(coplanar)」等術語(terms)並非必要意指一精確地完全相同的定向、布局、位置、形狀、尺寸、數量，或其他量測，但其意指在可接受的差異內，包含差不多完全相同的定向、布局、位置、形狀、尺寸、數量，或其他量測，而舉例來說，所述可接受的差異可因為製造流程(manufacturing processes)而發生。術語「大致地(substantially)」可被使用在本文中，以表現出此意思。舉例來說，如大致地相同的(substantially the same)、大致地相等的(substantially equal)，或是大致地平坦的(substantially planar)，為精確地相同的、相等的，或是平坦的，或者是其可為在可接受的差異內的相同的、相等的，或是平坦的，而舉例來說，所述可接受的差異可因為製造流程而發生。

在本揭露中，一半導體元件通常意指可藉由利用半導體特性(semiconductor characteristics)運行的一元件，而一光電元件(electro-optic device)、一發光顯示元件(light-emitting display device)、一半導體線路(semiconductor circuit)以及一電子元件(electronic device)，均包括在半導體元件的範疇中。

應當理解，在本揭露的描述中，上方(above)(或之上(up))對應Z方向箭頭的該方向，而下方(below)(或之下(down))對應Z方向箭頭的相對方向。

應當理解，「正在形成(forming)」、「已經形成(formed)」以及「形成(form)」的術語，可表示並包括任何產生(creating)、構建(building)、圖案化(patterning)、植入(implanting)或沉積(depositing)一元件(element)、一摻雜物(dopant)或一材料的方法。形成方法的例子可包括原子層沉積(atomic layer deposition)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition)、物理氣相沉積(physical vapor deposition)、噴濺(sputtering)、旋轉塗佈(spin coating)、擴散(diffusing)、沉積 (depositing)、生長(growing)、植入(implantation)、微影(photolithography)、乾蝕刻以及濕蝕刻，但並不以此為限。

應當理解，在本揭露的描述中，文中所提到的功能或步驟可發生不同於各圖式中之順序。舉例來說，連續顯示的兩個圖式實際上可以大致同時執行，或者是有時可以相反順序執行，其取決於所包含的功能或步驟。

圖1是流程示意圖，例示本揭露一實施例之半導體元件1A之臨界尺寸的測量方法10。圖2到圖5是剖視示意圖，例示本揭露一實施例之測量半導體元件1A之臨界尺寸的部分流程。圖6是濃度分佈示意圖，例示本揭露一實施例之圖5中例示的光酸濃度分佈。

請參考圖1及圖2，在步驟S11，可提供一基底101，且一下層103可形成在基底101上。

請參考圖2，在一些實施例中，基底101可為一塊狀半導體基底，其完全由至少一半導體材料所組成；該塊狀半導體基底並未包含任何介電質、隔離層或是導電特徵。舉例來說，該塊狀半導體基底可包含一元素半導體、一化合物半導體或是其組合，而元素半導體例如矽或鍺，化合物半導體例如矽鍺、碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦、銻化銦，或其他III-V族化合物半導體或是II-VI族化合物半導體。

在一些實施例中，基底101可包括一絕緣體上覆半導體結構，其從下到上由一處置(handle)基底、一絕緣體層以及一最上面半導體材料層所組成。該處置基底與該最上面半導體材料層可包含與前述塊狀半導體基底相同的一材料。絕緣體層可為一結晶或非結晶介電材料，例如一氧化物及/或氮化物。舉例來說，絕緣體層可為一介電氧化物，例如氧化矽。舉另一個例子，絕緣體層可為一介電氮化物，例如氮化矽或氮化硼。再舉另一個例子，絕緣體層可為一介電氧化物與一介電氮化物的一堆疊，例如以任何順序之氧化矽與氮化矽或氮化硼的一堆疊。絕緣體層可具有一厚度，介於大約10nm到大約200nm之間。

在一些實施例中，交叉使用的術語「基底(substrate)」以及「晶圓(wafer)」，均表示在一表面或是一表面的部分上進行一製程。所屬領域技術中具有通常知識者還將理解為，除非上下文另有明確說明，否則提及該基底亦可以僅指該基底的一部分。此外，提及沉積在該基底上可以指一裸基底(bare substrate)和其上沉積或形成有一個或多個薄膜或特徵的一基底。

在一些實施例中，複數個裝置元件(為了清楚起見並未圖示)可形成在該塊體半導體基底或是該最上面半導體材料層上。該複數個裝置元件的一些部分可形成在該塊狀半導體基底或是該最上面半導體材料層中。該複數個裝置元件可為電晶體，例如互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor)電晶體、金屬氧化物半導體場效電晶體、鰭式場效電晶體、類似物或其組合。

請參考圖2，下層103可形成在基底101上。下層103可為被圖案化的一毯覆層(blanket layer)。舉例來說，下層103可為一介電層、一阻障層、一黏著層或是一蝕刻終止層。舉例來說，介電層可包含氧化矽、硼磷矽酸鹽玻璃、未摻雜矽酸鹽玻璃、氟化矽酸鹽玻璃、低介電常數的介電材料、類似物或其組合。低介電常數的介電材料可具有一介電常數，該介電常數小於3.0或甚至小於2.5。在一些實施例中，低介電常數的介電材料可具有一介電常數，該介電常數小於2.0。該等導電特徵可電性耦接到該等裝置元件。

在一些實施例中，下層103可包括多個導電特徵(為了清楚起見圖未示)。該等導電特徵可包括多個互連層以及多個導電通孔。該等導電特徵可電性耦接到該等裝置元件。在一些實施例中，舉例來說，該等導電特徵可包含鎢、鈷、鋯、鉭、鈦、鋁、釕、銅、金屬碳化物(例如碳化鉭、碳化鈦、碳化碳鎂)、金屬氮化物(例如氮化鈦)、過渡金屬鋁化物或其組合。

在一些實施例中，該等裝置元件與該等導電特徵可一起配置成在第一基底101中的多個功能單元。在本揭露的描述中，一功能單元通常表示通常是指功能相關聯的電路，其出於功能目的已劃分為不同的單獨單元(distinct unit)。在一些實施例中，該等功能單元通常可為高度複雜電路，例如處理器核心、記憶體控制器或是加速器單元。在一些其他實施例中，一功能單元得複雜度以及功能性可更複雜或是更不複雜。

請參考圖1及圖3，在步驟S13，一光阻層201可形成在下層103上。

請參考圖3，舉例來說，光阻層201可為一上塗佈阻障層、一上塗佈抗反射層、一下抗反射層、一成像層(光阻)或是用於終止蝕刻的一犧牲及阻障層(硬遮罩)。在一些實施例中，光阻層201可包括一溶劑(solvent)、一未活化的聚合物樹脂(nonactivated polymer resin)以及一光酸產生劑(photoacid generator，PGA)。在一些實施例中，光阻層201還可包括一交聯劑(crosslinking agent)、染料(dye)或是其他添加劑(additive)。

在一些實施例中，光阻層201的製作技術可包含一旋轉塗佈製程。詳而言之，在該旋轉塗佈期間，當如圖2所描述的該中間半導體元件快速旋轉時，在一溶劑載體內的一光阻混合物可分配到下層103的表面上。該中間半導體元件旋轉，直到大致移除該溶劑載體為止，且可使該光阻混合物乾燥成在下層103之整個表面上的均勻厚度之一薄膜。該光阻混合物可包括光酸聚合物樹脂以及光酸產生劑。在一些實施例中，該光阻混合物還可包括交聯劑、染料及/或其他添加劑。在一些實施例中，舉例來說，溶劑載體可包括丙二醇單甲醚乙酸酯(propylene glycol monomethyl ether acetate)、水或揮發性含胺化合物(volatile amine-containing compound)。

未活化的聚合物樹脂與光酸產生劑可一起配置成一化學放大光阻系統。通常，光酸產生劑可暴露到一輻射源，並轉換成一光酸。然後光酸激發包含未活化的聚合物樹脂的一活化反應。

在一正化學放大光阻系統的例子中，光酸催化未活化聚合物樹脂上的保護基團的去保護，增加樹脂的極性，也因此增加其在水性基質(aqueous base)中的溶解度(solubility)。因此，一正化學放大光阻的活化反應將非極性、不可溶性聚合物樹脂轉化為極性、可溶性聚合物樹脂。

在一負化學放大光阻系統的例子中，光酸與一交聯劑進行反應以激發相鄰聚合物鏈(polymer chains)之間的交聯。因此，一負化學放大光阻系統的活化反應將一單鏈、可溶性的聚合物樹脂轉換成一交聯、不可溶性的聚合物樹脂。

應當理解，揮發性副產物可產生(或釋放)在正化學放大光阻系統以及負化學放大光阻系統中。在一些實施例中，舉例來說，揮發性副產物可包括丙二醇單甲醚乙酸酯、水、二氧化碳、醇類(alcohols)、揮發性含胺化合物、烴類(hydrocarbons)、醛類(aldehydes)、乙烯醚(vinyl ethers)及/或硫化物(sulfides)。

請參考圖1及圖4，在步驟S15，可執行一軟烘烤製程。

請參考圖4，在軟烘烤製程期間，如圖3所描述的中間半導體元件可加熱到接近未活化聚合物樹脂的玻璃轉化溫度(glass-transition temperature)Tg，以便將額外餘留的溶劑載體從光阻層201移除。彎曲的箭頭顯示餘留的溶劑載體被移除。舉例來說，額外的餘留溶劑載體可包括丙二醇單甲醚乙酸酯、水或揮發性含胺化合物。

請參考圖1及圖4，在步驟S17，可監測從光阻層201所產生的一揮發性副產物。

請參考圖4，在軟烘烤製程之後，舉例來說，可藉由一氣體分析器而監測化學放大光阻系統之揮發性副產物的濃度。監測揮發性副產物的此時間點可表示成揮發性副產物的第一監測(如圖9所示)。

在一些實施例中，舉例來說，氣體分析器可為一殘餘氣體分析器(RGA)，其類似於使用在氣體種類及其濃度檢測之真空技術中的裝置。殘餘氣體分析器的檢測器可為任何類型的質譜儀分析(mass spectrometer)，例如四極質譜儀(quadrupole mass spectrometer)。通常，殘餘氣體分析器可藉由離子化在每個取樣體積中的一部分氣體分子，按質量分離該等離子，以分析從光阻層201(例如揮發性副產物)釋放(或是產生)而進入在製程腔室內側之大氣中該等氣體。殘餘氣體分析器可依賴一質量取樣技術，該技術僅監測一或多個使用者所選擇的高峰值，該高峰值具有從光阻層201釋放該等氣體的特徵。由殘餘氣體分析器所測量之離子電流的大小可用於確定從光阻層201所釋放的相對應之該等氣體的濃度(或分壓)。

在本實施例中，監測二氧化碳。應當理解，在暴露到該輻射源之後，二氧化碳示化學放大光阻系統的副產物。換言之，理論上，在揮發性副產物的該第一監控期間，可能沒有檢測到二氧化碳的訊號。在揮發性副產物的該第一監控期間所獲得的訊號可當作一基準線。

請參考圖1、圖5及圖6，在步驟S19，可使用一遮罩501而執行一曝光製程300。

請參考圖5，遮罩501可對準圖4所描述的中間半導體元件。遮罩501可包括一圖案，該圖案是被轉移到光阻層201上。在遮罩201與中間半導體元件的對準之後，可使用一輻射源執行曝光製程300。舉例來說，輻射源可為紫外線輻射、深紫外線輻射(通常為193nm與248nm)或是極紫外線輻射(通常為13.5nm)。曝光製程300可能需要使用複雜的顯影設備(例如氟化氬浸潤式微影(ArF immersion lithography))以及精確的遮罩技術，以便確保僅將輻射精確施加到光阻層201的打算被曝光的那些部分。

請參考圖5及圖6，在曝光製程300期間，光酸可從在光阻層201之曝光部分中的光酸產生劑所產生，以形成光酸濃度分佈PAP，其在圖6中顯示放大圖。產生光酸之例示的反應如方程式(1)所示。

在曝光到紫外線(UV)輻射之後，光酸產生劑(鋶陽離子 (sulfonium cation))可分解並提供一質子(proton)(光酸)，該質子可激發包含未活化的聚合物樹脂之活化反應。活化反應的細節將於後敘述。在一些實施例中，多個氣體(例如揮發性副產物)可在曝光製程300期間從光阻層201產生。舉例來說，在曝光製程300期間從光阻層201所產生的該等氣體可包括丙二醇單甲醚乙酸酯、水、二氧化碳、醇類、烴類及/或硫化物。

圖7是剖視示意圖，例示本揭露一實施例之測量半導體元件1A之臨界尺寸的部分流程。圖8是濃度分佈示意圖，例示本揭露一實施例之圖7中例示的光酸濃度分佈。圖9是曲線示意圖，例示本揭露一實施例從藉由一氣體分析器所測量之光阻層201所產生的揮發性副產物的濃度曲線。

請參考圖1及圖7到圖9，在步驟S21，可執行一曝光後烘烤製程，可監測從光阻層201所產生的揮發性副產物，且可依據該等監測結果而確定該臨界尺寸。

請參考圖7及圖8，在曝光製程300之後，可立刻執行曝光後烘烤(PEB)製程。在曝光後烘烤製程期間，圖5所描述的中間半導體元件可經受未活化的聚合物樹脂的玻離轉化溫度Tg量級上的一溫度。在曝光後烘烤製程期間施加到光阻層201的熱能可造成光酸擴散到光阻層201內，以形成如圖8之放大圖所示的光酸濃度分佈PAP。光酸的擴散可完全活化曝光到輻射源之該等區域中的未活化的樹脂，且亦可抑制在光阻層201之該等曝光區域的各邊緣處的任何駐波效應(standing wave effect)。例示的光酸活化反應如方程式(2)到方程式(4)所示。光阻層201受到光酸活化反應的作用區域203將於後續製程中移除。

在方程式(2)中，光酸可造成未活化的聚合物樹脂(不可溶性)轉化成一含有極性羥基的可溶性產物。不穩定的離去基團可能會自發分解，並可產生如方程式(3)和方程式(4)所示的副產物，例如二氧化碳、異丁烯以及質子。該離去基團之分解所產生的質子可進一步催化未活化的聚合物樹脂之轉化。在一些其他實施例中，其他副產物亦可在曝光後烘烤製程期間製造，例如丙二醇單甲醚乙酸酯、水、二氧化碳、醇類、揮發性含胺化合物、烴類、醛類及/或乙烯醚(vinyl ether)。

請參考圖9，反應副產物的濃度(例如在例示反應的二氧化碳)可作為一時間的函數進行監測以確定曝光後烘烤製程的終點。舉例來說，當活化反應達到一製程終點時，副產物的準位可能下降，能夠使曝光後烘烤製程的終點被檢測。換言之，曝光後烘烤製程的製程持續時間基於化學變化，該等化學變化的發生以取代一固定的製程時間。舉另一個例子，曝光後烘烤製程的終點可藉由濃度的變化率(例如濃度曲線的斜率或是濃度曲線的一階導數)、二階變化率(例如濃度曲線的二階導數)或是其組合而進行確定。當達到曝光後烘烤製程的終點時用於監測揮發性副產物的時間點可表示成揮發性副產物的第二監測。

在一些實施例中，在揮發性副產物的該第一監測處與該第二監測處所測量的濃度之間的差，可用於在將於後描述的顯影製程之後取得圖案化光阻層201的臨界尺寸。

在一些實施例中，在曝光後烘烤製程之後，可執行一冷卻製程以冷卻如圖7所描述的中間半導體元件。在冷卻製程之後，可監測揮發性副產物。在冷卻製程之後監測揮發性副產物的時間點可表示成揮發性副產物的第三監測。

在一些實施例中，揮發性副產物可從揮發性副產物的該第一監測連續監測到揮發性副產物的該第三監測。在顯影製程之後，濃度曲線從揮發性副產物的該第一監測到揮發性副產物的該第三監測之積分可用於取得圖案化光阻層201的臨界尺寸。

在一些實施例中，取決於所使用的化學放大光阻系統，聚合物樹脂的活化主要可在曝光製程300或是曝光後烘烤製程期間發生。多個化學放大光阻為高活化能系統，而該等化學放大光阻例如在例示活化反應中所描述之聚合物樹脂所保護的T-Boc。這意指即使在曝光製程300期間由光酸產生劑產生光酸(H⁺)之後，亦需要額外的熱能來啟動活化。熱能是由曝光後烘烤製程所提供。在此情形下，在曝光製程300之前(例如揮發性副產物的第一監測)以及曝光後烘烤製程之後(例如揮發性副產物的該第二或第三監測)可執行揮發性副產物的監測。

在一些實施例中，例如那些利用縮醛保護的其他化學放大光阻系統是低活化能系統。這意指一旦在曝光製程300期間由光酸產生劑而產生光酸(H⁺)，即使在沒有額外熱能的情況下亦會發生聚合物樹脂的顯著活化。在此情形下，在曝光製程300之前以及在曝光製程300之後可執行揮發性副產物的監測。

應當理解，圖9的濃度曲線是為了說明的目的所提供的，並不一定代表實際的一濃度曲線。一實際濃度曲線將依據光阻層201中所形成的特定圖案、所使用的特定類型的光阻以及光阻層201的厚度等而變化。

圖10是剖視示意圖，例示本揭露一實施例之測量半導體元件1A之臨界尺寸的部分流程。

請參考圖1及圖10，在步驟S23，可執行一顯影製程。

請參考圖10，在顯影製程期間，一水性基質(aqueous base)(鹼水溶液)可添加到曝光及烘烤的光阻層201中，並可溶解一部分樹脂。依據化學放大光阻系統是正性還是負性，活化或未活化的聚合物樹脂可以溶解在水性基質中並移除。

在前述處理之後，在光阻層201上精心創建的光阻圖案可用於選擇性地遮罩下層(例如下層103)的蝕刻，以形成極具精確的形狀與尺寸的多個半導體結構。

通常，臨界尺寸(CD)測量是藉由使用多個電子束之掃描型電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)所實現。然而，該等電子束將會損傷光阻，以使CD-SEM測量僅能在多個虛擬標記(dummy marks)上執行，而該等虛擬標記是特別以普遍的方式所設計且位在多個切割線(scribe lines)上。換言之，CD-SEM無法測量在一功能單元內之一實際圖案的CD。此外，使用一化學放大光阻系統的氟化氬浸潤式(ArFi)微影則更容易受到該等電子束的影響。在初始測量期間，CD可能會顯著縮小，以產生很大的CD測量偏差。因此，難以確定實際的CD(在損傷之前)。

反之，藉由使用在揮發性副產物的該第一監測與該第二監測之間的濃度差或是藉由使用從揮發性副產物的該第一監測到揮發性副產物的該第三監測之濃度積分而確定圖案化光阻層201的CD，則可能對圖案是非破壞性的。意即，可測量實際圖案的CD。其亦可暗示無須用於測量的虛擬標記，以便節省用於計量的空間，並可以為多個功能電路提供更多空間。

此外，實際圖案的CD可藉由例如穿透式電子顯微鏡(TEM)的物理失效分析(PFA)來進行驗證。在驗證PFA之後，即可確定TEM資料與藉由監測揮發性副產物所確定的CD之間的相關性。在此情形下，藉由監測揮發性副產物所確定的CD可單獨當作CD測量的標準。因此，可提升CD測量的處理能力。

在一些實施例中，殘餘氣體分析器可足夠小到僅能收集在一特定區域內的揮發性氣體。該區域可為包含在一晶粒中之一實際圖案的區域、在一晶圓內之一單晶粒區域、在一晶圓內的一些晶粒或是整個晶圓。

在一些實施例中，在一微影追蹤系統中可執行旋轉塗佈製程、曝光製程300、曝光後烘烤製程以及顯影製程。殘餘氣體分析器可整合在微影追蹤系統的曝光後烘烤模組內。舉例來說，殘餘氣體分析器可沿著微影追蹤系統之排氣線(exhaust line)的任何地方進行安裝、耦接到微影追蹤系統的排氣管(exhaust pipe)。

圖11是剖視示意圖，例示本揭露另一實施例之測量半導體元件1B之臨界尺寸的部分流程。圖12是濃度分佈示意圖，例示本揭露另一實施例在圖11中之一例示光酸濃度分佈以及一例示感光劑(photosensitizer)濃度分佈。

請參考圖11，光阻層201可包括未活化聚合物樹脂、一光酸產生劑以及一感光劑產生劑。未活化聚合物樹脂、光酸產生劑以及感光劑產生劑一起配置成一感光(photo-sensitized)化學放大光阻系統，其需要兩步驟照明製程以產生光酸。

請參考圖11及圖12，在感光化學放大光阻系統中，可執行一第一曝光製程310。在第一曝光製程310期間，在一第一波長的一輻射源可經由一遮罩501而在光阻層201上進行曝光，以形成在光阻層201內側的多個曝光區域以及多個未曝光區域。在第一曝光製程310期間，感光劑(PS)是從在光阻層201之該等曝光區域中的感光劑產生劑所產生，以形成如圖12所放大的感光劑濃度分佈PSP。

取決於感光化學放大光阻系統的化學成分，在一些實施例中，光酸可在第一曝光製程310期間從在光阻層301之該等曝光區域內側的該等光酸產生劑所形成，以形成如圖12中所放大的光酸濃度分布PAP。在此情形下，在第一曝光製程310之前可執行(或開始)揮發性副產物的監測。

在其他實施例中，感光劑產生劑的輕度敏感範圍與光酸產生劑的輕度敏感範圍之間並無重疊，以使在第一曝光製程310期間沒有光酸產生。在此情形下，在第一曝光製程310之後可執行(或開始)揮發性副產物的監測。

在一些實施例中，電子束(eBeam)、KrF(氟化氪)或ArF(氟化氬)曝光以可用於第一曝光製程310。

圖13是剖視示意圖，例示本揭露另一實施例之測量半導體元件1B之臨界尺寸的部分流程。圖14是濃度分佈示意圖，例示本揭露另一實施例在圖13中之一例示光酸濃度分佈以及一例示感光劑濃度分佈。

請參考圖13及圖14，可對光阻層201執行一第二曝光製程320。在第二曝光製程320期間，在不同於第一波長之一第二波長的一輻射源可在光阻層201上進行曝光，而無須任何遮罩。換言之，第二曝光製程320為一全面性曝光製程(flood exposure process)。選擇感光化學放大光阻系統的化學成分，以使感光劑對第二曝光製程320中所使用的第二波長敏感，而其他光阻成分不敏感。因此，在第二波長的輻射源可造成在先前該等曝光(即未遮罩)區域中所產生的感光劑放大從其附近的光酸產生劑分子所產生的光酸，藉此形成在圖14中的光酸濃度分佈PAP。光酸濃度分佈PAP具有更高的峰值，因此具有更好的一對比度。

應當理解，即使包含全面性曝光(即第二曝光製程320)，不同於傳統的全面性曝光製程，在第一曝光製程310期間之該等未曝光(遮罩)區域中沒有產生光酸，因此沒有DC-偏壓，並保持高對比度。這是因為，在感光化學放大光阻系統中，光酸的產生與放大僅在感光劑存在的情況下才發生。

與圖12中的感光劑濃度分佈PSP相比，在第二曝光製程320之後，感光劑濃度分佈PSP可能會發生很小的變化，但在某些化學實施例中，可能會發生較大的變化。

在一些實施例中，第一波長可小於300nm，而第二波長可大於300nm或大約為365nm。

在一些實施例中，額外的加熱或烘烤製程可插入第一曝光製程310與第二曝光製程320之間，以以減輕第一曝光過程310的極紫外散粒雜訊效應(extreme ultraviolet shot noise effect)。舉例來說，一加熱製程可使用在第一曝光製程310與第二曝光製程320之間，以擴散感光劑並平滑受極紫外散粒雜訊效應所影響的感光劑濃度分佈PSP。

圖15及圖16是剖視示意圖，例示本揭露另一實施例之測量半導體元件1B之臨界尺寸的部分流程。

請參考圖15，一曝光後烘烤製程可以類似於圖7所描述的一程序所實現，且在文中不再重複其描述。曝光後烘烤製程還可以活化未活化聚合物樹脂的轉化。在此情形下，在曝光後烘烤製程或是冷卻製程之後，可執行(或終止)揮發性副產物的監測。

在一些實施例中，當利用感光化學放大光阻系統時，可省略曝光後烘烤製程。在此情形下，在第二曝光製程320之後，可執行(或終止)揮發性副產物的監測。

請參考圖16，顯影製程可以類似於如圖10所描述的一程序所實現，且在文中不再重複其描述。

由於本揭露該臨界尺寸的測量方法的設計，可測量實際圖案的臨界尺寸而沒有藉由監測從光阻層201所產生之該揮發性副產物的任何損傷。再者，無須用於計量(metrology)的虛擬標記(dummy mark)。可節省以前被用於計量的虛擬標記佔據的那些區域。因此，可為多個功能電路提供更多的實際空間，以使成本可以降低。

雖然已詳述本揭露及其優點，然而應理解可進行各種變化、取代與替代而不脫離申請專利範圍所定義之本揭露的精神與範圍。例如，可用不同的方法實施上述的許多製程，並且以其他製程或其組合替代上述的許多製程。

再者，本申請案的範圍並不受限於說明書中所述之製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法與步驟之特定實施例。該技藝之技術人士可自本揭露的揭示內容理解可根據本揭露而使用與本文所述之對應實施例具有相同功能或是達到實質上相同結果之現存或是未來發展之製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟。據此，此等製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟包含於本申請案之申請專利範圍內。

1A:半導體元件

101:基底

103:下層

201:光阻層

Z:方向

Claims

一種臨界尺寸的測量方法，包括：提供一基底；形成一光阻層在該基底上；監測從該光阻層所產生的一揮發性副產物以獲得該揮發性副產物的一第一數量；將該光阻層暴露到一輻射源；監測從該光阻層所產生的該揮發性副產物以獲得該揮發性副產物的一第二數量；以及依據該揮發性副產物的該第一數量與該揮發性副產物的該第二數量之間的差而取得一臨界尺寸。
如請求項1所述之臨界尺寸的測量方法，其中該光阻層包括一溶劑、一未活化的聚合物樹脂以及一光酸產生劑。
如請求項2所述之臨界尺寸的測量方法，其中該溶劑包括丙二醇單甲醚乙酸酯(propylene glycol monomethyl ether acetate)、水或一揮發性含胺化合物(volatile amine-containing compound)。
如請求項3所述之臨界尺寸的測量方法，其中該揮發性副產物包括二氧化碳、丙二醇單甲醚乙酸酯、水、醇類(alcohols)、揮發性含胺化合物、烴類(hydrocarbons)、醛類(aldehydes)、乙烯醚(vinyl ethers)及/或硫化物(sulfides)。
如請求項4所述之臨界尺寸的測量方法，還包括在形成該光阻層在該基底上與監測從該光阻層所產生的該揮發性副產物以獲得該揮發性副產物的該第一數量之間，執行一軟烘烤製程。
如請求項5所述之臨界尺寸的測量方法，其中執行該軟烘烤製程包括加熱該光阻層到大約該未活化的聚合物樹脂的一玻璃轉化溫度(glass-transition temperature)。
如請求項6所述之臨界尺寸的測量方法，其中藉由一殘餘氣體分析器(residual gas analyzer)而實現監測從該光阻層所產生的該揮發性副產物。
如請求項7所述之臨界尺寸的測量方法，其中該輻射源為紫外線、深紫外線或極紫外線。
如請求項8所述之臨界尺寸的測量方法，其中該殘餘氣體分析器整合在一微影追蹤系統的一曝光後烘烤模組內。
一種臨界尺寸的測量方法，包括：提供一基底；形成一光阻層在該基底上；將該光阻層暴露在一輻射源；加熱該光阻層；從形成該光阻層在該基底上的一第一時間點連續監測從該光阻層所產生的一揮發性副產物到加熱該光阻層之後的一第二時間點，以獲得該揮發性副產物的一濃度曲線；以及依據該第一時間點與該第二時間點之間的該濃度曲線的積分而取得一臨界尺寸。
如請求項10所述之臨界尺寸的測量方法，其中該光阻層包括一溶劑、一未活化的聚合物樹脂以及一光酸產生劑。
如請求項11所述之臨界尺寸的測量方法，其中該溶劑包括丙二醇單甲醚乙酸酯、水或一揮發性含胺化合物。
如請求項12所述之臨界尺寸的測量方法，其中該揮發性副產物包括二氧化碳、丙二醇單甲醚乙酸酯、水、醇類、揮發性含胺化合物、烴類、醛類、乙烯醚及/或硫化物。
如請求項13所述之臨界尺寸的測量方法，還包括在形成該光阻層在該基底上與將該光阻層暴露在該輻射源之間，執行一軟烘烤製程。
如請求項14所述之臨界尺寸的測量方法，其中執行該軟烘烤製程包括加熱該光阻層到大約該未活化的聚合物樹脂的一玻璃轉化溫度。
如請求項15所述之臨界尺寸的測量方法，其中藉由一殘餘氣體分析器而實現連續監測從該光阻層所產生的該揮發性副產物。
如請求項16所述之臨界尺寸的測量方法，其中該輻射源為紫外線、深紫外線或極紫外線。
如請求項17所述之臨界尺寸的測量方法，其中該殘餘氣體分析器整合在一微影追蹤系統的一曝光後烘烤模組內。